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重磅发布 | 御芯微WIoTa通信协议简介及测试报告解读

御芯微UCCHIP 2022-09-28 17:58 次阅读


1背景

在目前西方国家全面加强对中国高科技领域的威廉希尔官方网站 封锁、通信协议和芯片输出管制的背景下,在国民经济全面数字化转型的趋势下,可靠的国产化的LPWAN协议和芯片产品是国家摆脱国外掣肘所急需的重要战略资源,也是关系到国情民生和国家安全的重要威廉希尔官方网站 能力。在国家大力推动5G+战略的大背景下,也急需灵活的LPWAN无线通信协议作为补充,来支持各行业不同的通信需求。

目前,国内使用较为广泛的LPWAN威廉希尔官方网站 还多为美国Semtech公司LoRa威廉希尔官方网站 ,该威廉希尔官方网站 在点对点通信灵敏度上做得非常好,但除去国产化需求因素外,LoRa在容量、效率和抗自干扰等方面还有很多欠缺的地方。

为适应国家战略和行业发展需求,国产化LPWAN威廉希尔官方网站 也风起云涌,例如ZETA、WIoTa、TPUNB、Chirp-IoT、LaKi、TurMass等等。随着大量科技人员的不断投入,我们相信国产化LPWAN威廉希尔官方网站 一定能在智能物联网时代大放异彩。近期御芯微联合中国信通院泰尔实验室就WIoTa威廉希尔官方网站 与行业标杆LoRa威廉希尔官方网站 做了较为深度的对比测试,以此为契机,也对WIoTa威廉希尔官方网站 与对应UC8288芯片做简要介绍。


2WIoTa威廉希尔官方网站 简介

WIoTa(Wide-range Internet Of Things communicAtion protocol)协议,针对广域无线IoT通信优化设计的通信协议。他的设计初衷是为了适应更宽广的范围,提供大覆盖、低功耗、大量连接、低成本、抗干扰能力强的解决方案。

WIoTa支持类似蜂窝通信的同步机制,来适应需要大容量通信的工业厂区、园区、楼宇、农业的综合物联网通信的需求,也支持与传统LPWAN一样的异步和MESH通信机制,适应低功耗传感、室内家庭电器设备控制等需求。

WIoTa物理层调制方式采用自主设计的改进型的GMSK,支持标准GMSK的同时,也支持高阶调制,具有高效的射频频谱效率,支持 1/2/3 bps/Hz 的多级效率自适应(根据信道条件选择,提升系统容量),同时兼顾恒模相位调制(CPM)的特点,方便提高射频功率放大器效率。

WIoTa 信道设计上充分考虑大量连接设备的干扰问题,最大程度上避免LoRa、WiFi等在密集场景下自干扰的问题,同时支持10ppm低成本晶体的远距离传输(注:远距离传输LoRa推荐1ppm TCXO)。

与WIoTa配套的UC8288芯片目前已经量产,最高可以支持1Mbps的吞吐率。该芯片是一颗高度集成的SoC芯片,集成:

带浮点运算器和DSP扩展的RISC-V作为MCU,基本主频96MHz (最高150MHz)

自主知识产权的高性能低功耗基带信号处理单元

130MHz-1200MHz射频单元(工作带宽从12.5KHz到400KHz)

DXCO, PMU单元

12bitsADC、10bitsDAC、SPI、 UARTI2C、PWM、GPIO 等丰富外设

PUF(物理不可克隆加密模块),AES128加解密引擎,完善的代码和空口数据加密机制

RTC待机功耗1.5uA,RX功耗满载15mA (200KHz 带宽条件下),TX功耗18mA (5dBm 发射功率)。

UC8288可以作为IoT终端使用,也可以配合UC8088(较大MCU以及高性能的时钟)来作为AP(接入点)使用。多颗UC8288与UC8088 配合也可以组成大容量、多信道的AP。下图为UCM200 WIoTa 终端模组,UCM202 WIoTa AP模组以及评估板图片。

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3测试报告解读本次测试通过三个项目展开:1)灵敏度测试2)多用户吞吐率测试3)场外通信距离测试。其中灵敏度测试是测试单链路的接收灵敏度,多用户吞吐率可以考验通信协议的综合性能,以及对业务的支撑能力,场外测试主要提供直观的感受。当然还有很多测试项,如抗干扰能力、低功耗等由于时间限制,将在以后的测试中提供数据。

本次对比测试选用公开购买套件御芯微UC WIoTa EVA KIT 2.0(UCM202EVB:WIoTa AP 评估板、 UCM200EVB:WIoTa IoTE 评估板),以及亿佰特E890-470LG11(SX1302)8通道LoRaWAN网关、亿佰特E78-470LN22S(ASR6501)LoRa终端以及安信可AI-Thinker Ra-02 LoRa终端设备进行评估。

测试一:灵敏度测试

灵敏度测试采用环回测试方式,通过屏蔽箱和衰减器来调节链路衰减,统计不同灵敏度下的环回吞吐率。

测试结果如下图所示:

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选用WIoTa 典型带宽200KHz 和LoRa 250KHz带宽作为测试配置,图中横轴为灵敏度,纵轴为环回吞吐率。从图中可以看出WIoTa在相同灵敏度下,吞吐率大幅度优于LoRa (也可以相同吞吐率下对比灵敏度),例如 WIoTa 在-131.64dBm灵敏度下达到 693.33bps吞吐率,而LoRa 是在-130.75dBm的灵敏度下达到361.67bps的吞吐率,接近两倍的吞吐率优势(注:灵敏度越低越好,说明能在更微弱的接收信号条件下工作,吞吐率越高越好)。最低的灵敏度点,WIoTa优势下降,和LoRa类似。高的吞吐率LoRa无法支持,需要切换到FSK等模式,本次没有测试该项,而WIoTa同一个带宽配置和模式可以支持从低到高的吞吐率自适应。

测试二:多用户测试

多用户测试是比较在多用户,不同业务强度的条件下,WIoTa和LoRaWAN的表现。

该测试在实验室展开,由于在LoRaWAN中,网络服务器和应用服务器构成网络的一部分,为尽量削减网络延时带来的测试误差,将应用服务器部署在本地PC上(网络服务器已部署在网关上),LoRaWAN网络架构如下图所示:

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测试条件:WIoTa AP测试板一个、WIoTa IoTE测试板24~30个、LoRaWAN网关一个、LoRaWAN终端24~30个、适配天线若干、8口以上usb hub 若干、PC 若干。每次业务的实际负载设定为200Bytes,发射功率为3dBm,业务配置有8用户、16 用户、24用户三种,业务间隔为0到10秒。

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测试结果如下图所示:

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其中横轴为终端的业务间隔,纵轴为总的吞吐率。可以看出,在业务间隔较小,业务繁忙的时候,WIoTa的系统吞吐率具备绝对优势,例如在0.5秒间隔下,24个终端,WIoTa可以达到22.7Kbps的总吞吐率,而对应LoRa的总吞吐率为1.819Kbps,在该配置下,容量WIoTa是LoRa的12.5倍,考虑到LoRaWAN使用的是8路网关,占用了8个125KHz信道(实测1537KHz),而WIoTa是使用的单路网关,只占用一个200KHz信道(实测235KHz),按频谱效率换算,WIoTa的频谱效率是LoRa的81倍。

公平性也是业务部署的一个重要指标,特别是物联网条件下,有少部分节点不能完成业务,会有重要的影响。

根据测试数据,下图是用节点吞吐率的累积分布函数(CDF)曲线对比公平性,CDF曲线越窄,说明终端得到的吞吐率比较平均,如果很宽,就会有部分节点吞吐率高,部分节点吞吐率很低或者是0的情况。(注:图做了归一化处理,方便比较)

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从图中可以看出,LoRa的分布曲线比较宽,还有部分终端吞吐率为0,而WIoTa终端的吞吐率比较集中。

测试三:外场通信距离测试

外场通信距离测试,选取较为空旷的区域进行点对点环回测试,其中测试功率为17dBm,终端天线为普通棒状天线,AP端天线为玻璃钢天线,频点为470~510MHz。

测试结果如下图所示:

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AP固定在A点(高楼区域),终端做了两个地点的测试,其中B点(山区),距离A点7.8公里,可以视距, WIoTa环回吞吐率为11.397Kbps,LoRa为5.092Kbps,WIoTa是LoRa的1.96倍。C点(山区),距离A点10.6公里,可视距,其中WIoTa吞吐率为2.574Kbps,LoRa为3.02Kbps,LoRa是WIoTa的1.17倍(注,实测中信道波动比较大)。


4结论与展望

通过对比测试,可以看出WIoTa通信协议在多个方面都全面超越LoRa。后续WIoTa和LoRa在低功耗和抗干扰上还会有更深入的测试和对比。御芯微还会基于WIoTa威廉希尔官方网站 做更多的产品开发,比如多通道的高性能AP,超低功耗唤醒、大带宽WIoTa图传、更小体积系统级封装(SIP) IoTE模组,多天线增强灵敏度AP,WIoTa回传的北斗高精度定位等。

目前WIoTa已经进入实际商用,作为优秀的LPWAN威廉希尔官方网站 ,WIoTa在智慧畜牧、智慧路灯等领域取得了不俗成绩,并且成功在在重庆首条“多杆合一”道路智博会迎宾大道项目、重庆两江新区寸滩国际新城景观照明项目、成都市城市照明精细化管理项目、重庆市畜牧科学院猪只智慧管理系统等项目中规模应用。

在此希望国产LPWAN崛起进程中,WIoTa通过提供超高性价比的方案,成为其中重要一员,在此也欢迎广大客户和行业伙伴评估试用。


5附件

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作者:黎光洁 编辑:徐文雯


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