功耗比LoRa和NB-IoT低一千倍以上?LaKi是如何做到的?

 智能科技     |      2019-10-29 18:00

对于目前市场上比较火热的低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN)来说,现在的时长状况有点不妙,因为随着相关的研究和应用越来越多,他们逐渐褪去了神秘的面纱,人们发现以前可能对他们的期望值过高了,而他们承载不了人们对他们的期望。 他们的宣传虽然不能说不实,但却充满了市场营销的技巧, 可是这实在是无助于物联网市场打破现状。

对于物联网通讯技术来说,长距离通信、低时延通讯和低功耗是物联网无线通讯技术的最重要的三大特性,是保证物联网投资能够获得好的投资收益(ROI)的关键。低功耗广域网中被寄予厚望的NB-IoT和LoRa却只能在低功耗和双向实时通讯中选一个, 而LaKi却不需要在这两个特性中痛苦抉择,在双向实时/准实时通讯模式下, LaKi的功耗比NB-IoT和LoRa 要低1000倍以上! 这是怎么做到的呢? 我们来看看这是怎么回事。

一. NB-IoT

NB-IoT是基于蜂窝的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things)的技术。只消耗大约200KHz的带宽,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,降低部署成本、实现平滑升级。它的部署方式有三种,分别为独立部署(stand-alone)、保护带部署(Guard-band)和带内部署(In-band)。

▲NB-IoT的三种模式

NB-IoT源自蜂窝技术,为了获得低功耗和更广泛的覆盖,大大简化了通讯协议,与GSM、Cat-M等标准蜂窝技术相比, 其增加了两个模式, 即PSM(Power saving mode)和eDRX,网上资料有很多,就不展开叙述了,其主要的省电思路是多数时间处于休眠状态,只在设定的时间醒来工作一小段时间。 而在休眠阶段,终端和网关是无法通信的。

NB-IoT也宣称有四大优势, 分别是:

1. 海量链接的能力,50K或者100K

2.网络增益提升了20dB,提升100 倍的覆盖面积

3.NB-IoT借助PSM和eDRX实现更低功耗

4.可和现有蜂窝网络共享基础设施和频谱

看看其优势1, 不同的宣传资料有不同的说法,但这些说法不能说是错的, 因为这里的海量链接的能力是指静态用户容量, 即注册用户的容量, 看起来这样的容量算的上很大了。 可是,实际用起来会发现,这个容量是大量终端处于不工作(实际上也是离线的)的休眠状态,而只有少量的终端处于工作状态; 而这个同时工作的终端一旦超过某个数量, 一般也就200-300左右, 网络拥塞就会非常严重, 严重影响终端和网关(基站)的连接和数据传输。 而这个同时工作的这个容量我们称之为并发用户容量。 可见,注册用户容量没有多大意义, 而实际有效的是并发用户容量,NB-IoT的并发用户容量其实和GSM等蜂窝网络是差不多的。 因此,优势1的表述是很有问题的。

其他几个优势的表述没有多大的问题, 但优势3的低功耗前提是PSM和eDRX模式, 这两个模式以为着终端大部分时间会处于睡眠状态(离线状态),而只会按照设定的时间醒来工作一小段时间。这就意味着要想获得低功耗, 就必须放弃实时性。 而实际上,如果需要实时性,那么就不能获得低功耗特性,和GSM等蜂窝技术没有实质的区别。 NB-IoT和GSM网络一样,采用DRX模式最高可获得1.28秒的近实时双向通信的能力,其功耗模型图为:

▲NB-IoT近实时通信模式DRX的功耗示意图

横轴为时间, 纵轴为电流, 其功耗可简单用电流*时长来表示。 蓝色条块表示终端数据接受时候(监听状态)的功耗, 红色部分为处于发送状态时的功耗, 而灰色条块属于休眠功耗。NB-IoT的监听电流大概约50mA, 发射电流为260mA, 休眠功耗为1mA。 一般物联网数据的发射时长并不长, 功耗主要消耗在睡眠和监听状态。

二.LoRa

LoRa,取名于Long Range(长距),顾名思义,是一种长距离无线通讯技术。最初由一个法国公司Cycleo研发出来,后来美国的Semtech公司收购了它。为了更好地推广LoRa,2015年3月,LoRa联盟成立了,囊括了包括IBM、TI等巨头。

LoRa一般包括两个层面:一是使用线性扩频(Chirp Spread Spectrum,CSS)和GMSK的无线调制技术的物理层;二是MAC协议层LoRaWAN。当然,LoRa通讯系统还明确了其特别的接入网络结构。LoRa采用的是Aloha的网络模型,这种模型使终端在有数据时启动数据传输,但在数据传输有冲突发送不成功时,终端会一直处于工作状态且会在稍后的随机时间重传,这就大大降低了信道利用率,Aloha模型的信道利用率最多为18%。

LoRa物理层芯片由Semtech公司独家开发并拥有完全的知识产权,适合长距离、低功耗、低数据量的通讯。主要工作频段为433MHz、868MHz和915MHz,2018年还新推出了2.4GHz的芯片,可根据地区的不同选用合适的芯片。有效载荷从2字节到255字节不等,数据速率最高达50kbps。

LoRaWAN是MAC层协议,提供了一个访问控制机制,使大量终端可用LoRa的调制方式与网关通讯。LoRa物理层使Semtech公司的私有资产,只有部分开放。LoRaWAN是一个开放的标准,由LoRa联盟负责开发和管理。

LoRa网络拓扑为星形,一般包含三个部分,即终端设备、网关(基站)和LoRa网络服务器。终端设备通过LoRa协议与网关通讯,网关把未经处理的LoRaWAN帧通过网络传递给LoRa网络服务器。网关一般担当的是传输中继或者协议转换的作用,LoRa网络服务器则负责处理终端发送过来的数据包,并生成发送给终端的数据包。

LoRaWAN有三种工作模式,分别是Class A、Class B和Class C。Class A的终端采用Aloha协议按需上传数据。在每次上行后都会紧跟两个短暂的下行接收窗口,以此实现双向传输,这是三个模式中最省电方式。Class B在Class A的基础上,终端会在指定时间打开接受窗口,接受网关下发的数据,这种模式需要网关和终端的时间同步,因此,要比Class A耗电一些。Class C则是终端的接收窗口则基本是一直打开,等待网关的信号,只是在接受数据时短暂关闭。Class C比其他两个模式都要耗电,需要高容量电池或电源才可以工作。下面是LoRa处于Class C时的功耗示意图:

▲LoRa实时通信模式Class C的功耗示意图

可见其在Class C模式时并没有休眠,而是会处于连续的接受状态,由于每天数据发送次数不多, 因此其功耗主要在于接受功耗, 一般为12mA左右,耗电量非常高。 某公司在这个模式下, 采用20000mAh的电池供电,基本二个多月就需要充电一次。

三. LaKi

LaKi是千米电子(KME)团队自2015年就潜心研发的广域无线通讯技术,取名于Last Kilometer IoT Coverage, 亦即最后一千米物联网覆盖。和LoRa一样,也包含物理层(PHY)的LaKi自研射频SoC芯片和协议层(MAC)LaKi无线通讯协议,是少见的完整的无线通讯技术。LaKi在研发之初,就是为了解决在广域覆盖下,同时实现低时延通讯和超低功耗, 这通常被业内技术人员认为是不可能同时实现的。

LaKi的覆盖距离可以和4G蜂窝网络媲美,功耗比蓝牙还低,响应时长可在数微秒到1000秒之间调整。一般来说,对物联网来说, 1秒响应即可称为实时响应了(NB-IoT最短做到1.28秒),我们就以1秒响应为例, 可以画出LaKi的功耗示意图:

▲LaKi一秒响应下的功耗示意图

LaKi的双向实时通讯模式下的功耗组成和NB-IoT类似, 但其监听功耗比较低,为4.5mA,休眠功耗小于2微安,发射功耗为4.4mA@0dbm,且监听时长很短,仅为数十微秒级别,根据以上的数据进行测算,在这样的一个通讯模型下, 500mA时的电量(差不多一颗纽扣电池的电量)可以支持LaKi模组连续工作二十年以上!

因此毫不夸张地说, LaKi的功耗表现,在双向实时或者准实时通讯模式下,功耗要比LoRa和NB-IoT低1000倍以上!在目前的物联网市场中, LaKi是唯一一个同时实现了广覆盖、低时延和低功耗的无线物联网通讯技术, 它的出现将会为雷声大、雨点小的物联网市场带来无限的可能,不啻为物联网通讯技术的革命性技术。