TurMass™ 与 LoRa 技术对比

TurMass™ 是道生物联开发的新一代国产无线物联网技术。它全球首创将大规模多天线技术应用于窄带传输，实现了高并发海量接入。该系统基于免许可随机接入大规模 MIMO 技术( mGFRA )，通过空分复用和波束成形，显著提升了系统的接入容量、信号增益、抗干扰能力、覆盖范围以及频谱效率。

 

TurMass™ 系统包含支持 mGFRA 技术的网关芯片、终端芯片以及 TurMass™ Link 组网协议，可支持大容量、高并发的星型组网，还能扩展支持中继及 Mesh 网络灵活拓展信号覆盖。

 

TurMass™ 系统主要参数如下。

 

表1. TurMass™ 核心技术指标

 

与 LoRa 技术单一追求扩频和点对点低速率通信不同，TurMass™ 技术遵循以下五个方面进行设计和开发：

 

1 更高接收灵敏度速率

为满足各种物联网设备连接需求，TurMass™ 在相同接收灵敏度下，提供更高的通信速率能够减少终端通信时间，从而降低通信能耗和延迟。

2 更大容量

为实现海量物联网设备连接的需求，TurMass™ 单个网络拥有数万个连接容量，相对于传统蜂窝网络，该容量大大提升。

3 更广覆盖

相对于目前的蜂窝网络，TurMass™ 单基站的覆盖范围提升数十倍，通过增强覆盖，在很多恶劣的环境下可以实现较好的信号穿透，增加终端通信的有效性。

4 更低功耗

除通信芯片低功耗设计外，TurMass™ 网络无需信令交互且在相同覆盖下提供更高速率，大幅缩短终端数据包发送量及发送时长，显著降低功耗。

5 国产化芯片

TurMass™ 终端 SoC 为全国产化设计产品，芯片 modem 采用自主专利先进体制波形，具备全国产化、高性能、低功耗、低成本优势。

 

图1. TurMass™ 与 LoRa 多维度对比

 

如图 1 所示，TurMass™ 在多个方面跟 LoRa 对比有较大优势；针对上述五个方面，结合实际应用，下面将 TurMass™ 与 LoRa 技术进行详细对比。

 

1 接收灵敏度

 

TurMass™ 终端和 LoRa 终端的发射功率都设定为 17 dBm，在不同的路径损耗下对比 TurMass™ 终端和 LoRa 终端的通信速率，其中丢包率指标都设定为 1%。

 

图2. TurMass™ 与 LoRa 通信速率对比

 

如图 2 所示，在终端发射功率为 17 dBm、路径损耗为 157 dB时，TurMass™ 能够提供的通信速率为 1.7 kbps，随着路径损耗每降低 3 dB，TurMass™ 的通信速率能够提升一倍。相较于 TurMass™，在路径损耗为 157 dB 时，LoRa 可提供的通信速率仅为 0.3 kbps。

 

可以看到，在相同路径损耗下，即 -140dBm 灵敏度时，TurMass™  网络中的终端通信速率为 1.7 kbps@-140dBm，LoRa 的通信速率为 0.3 kbps@-140dBm，TurMass™ 的通信速率约是 LoRa 的 5～6 倍。

 

2  网络容量

 

单网关覆盖评估模型如图 3 所示，设定终端发射功率为 17 dBm、路径损耗为 157 dB 以及丢包率小于1%，并进一步限定信道带宽为 125 kHz、用户发射周期为 1 次/h、发射数据为 20 byte。在此评估条件下，本节对 TurMass™ 与 LoRa 的最大吞吐量及单网关可支持的最大用户数进行对比评估。

 

在上述评估条件下，TurMass™ 能够在 125 kHz带宽上以 1.7 kbit/s 支持 30 个用户并发，因此TurMassTM最大吞吐量为 30×1.7 kbit/s = 51 kbit/s。对 TurMass™ 而言，假如在每个周期时隙内同步加下行应答耗时占每个周期时隙时间的 50%，那么考虑 TurMass™ 传输 20 byte 耗时为 94 ms，用户发射周期为 1 次/h，TurMass™ 单网关可支持用户数为 1,800/0.094×30≈570,000。

 

在同等评估条件下，LoRa 需采用扩频因子 12 模式，即通信速率为 0.3 kbit/s 且信号带宽为 125 kHz。LoRa WAN 中定义的 A 类终端可视为采用 ALOHA 协议随机接入。由于 LoRa 在实际环境中较难支持多用户在同一信道并发，因此采用 ALOHA 协议的最大吞吐率仅为0.18 kbit/s[9]，LoRa 的最大吞吐量为 0.3 kbit/s×0.18=0.054 kbit/s。根据 ALOHA 协议的成功率定义 

 

，其中 G 为一帧时间内终端发送数据帧的平均值，那么要保持 1% 的丢包率时，LoRa 一帧时间内终端发送数据帧的平均值为 

 

。考虑 LoRa 传输 20 byte 耗时为 530 ms，用户发射周期为 1 次/h，那么 LoRa 单网关可支持用户数约为 3 600/0.53×0.005=34。即便进一步放宽 1% 的丢包率到 10%，以提升 LoRa 单网关可支持的用户数，此时 LoRa 单网关最多可支持用户数约为 

 

TurMass™ 与 LoRa 网路容量对比见下表。

 

表2. TurMass™ 与 LoRa网路容量对比

 

可以看到，在单个 125kHz 信道终端随机接入时，TurMass™ 网关的接入容量是 LoRa 的 100 倍以上。

 

3  信号覆盖

 

评估模型如图 3 所示，以莱斯信道作为模型，其中直射路径损耗设定为 157 dB（对应城市覆盖距离约为 1～2 km，郊区覆盖距离约为 10～15 km），反射、散射、绕射路径等总功率设定为直射路径信号功率的 1/10。

 

图3. 评估模型：莱斯信道

 

在终端侧，TurMass™ 终端和 LoRa 终端的发射功率都设定为 17 dBm。在网关侧，等效路径损耗为接收到的直射和非直射路径信号功率之和减去发射端的发射信号功率。因此，网关侧的接收信号功率等于终端发射功率减去等效路径损耗。设定网关接收灵敏度设定为 －140 dBm，即只有在网关接收到的信号功率大于等于 －140 dBm 时，才能保证高质量通信（丢包率小于 1%）。

 

在上述设定条件下，对比 TurMass™ 与 LoRa 的接收信号功率以体现 TurMass™ 和 LoRa 的信号覆盖性能。

 

根据评估模型，网关侧的接收信号功率等于终端发射功率减去等效路径损耗。如图 4 所示，根据统计结果可以看到，TurMass™ 的平均等效路径损耗为 148 dB，TurMass™ 网关平均信号接收功率为 －131 dBm，TurMass™ 的通信失败概率为 0，且有 9 dB 的信噪比余量。对 LoRa 而言，其平均等效路径损耗为 157 dB，对应 LoRa 网关平均信号接收功率为 －140 dBm，LoRa 通信失败概率约为 50%。

 

图4. TurMass™ 与LoRa等效路径损耗分布对比

 

可以看到，在城市典型多径衰落环境下，TurMass™ 网关的信号覆盖能力优于 LoRa 超 10dB，对应覆盖距离范围超 3 倍，在户外广域直视环境下，TurMass™ 网关的信号覆盖能力优于 LoRa 约 6dB，对应覆盖距离范围约 2 倍。

 

4 传输能耗

 

在相同的信号覆盖距离下，即设定终端发射功率为 17 dBm、路径损耗为 157 dB 以及丢包率小于 1%，对比 TurMass™ 和 LoRa 的信号传输能耗。

 

如下表所示，在相同信号覆盖距离下，TurMass™ 更高的速率带来了更短的发射时长，从而大幅降低了发射能耗，TurMass™ 传输信息的能耗为 0.12 mJ/bit，而 LoRa 传输信息的能耗为 0.5 mJ/bit。

 

表3. TurMass™ 与 LoRa功耗对比

 

可以看到，在相同的传输距离，传输相同的数据量时，TurMass™ 网络中终端的能耗开销约是 LoRa 的 1/4。

 

5芯片方案

 

TK8620 和 TK8622 无线终端芯片是采用 TurMass™ 技术，面向低成本、低功耗、中低速率的无线传输终端 SoC 芯片，主要应用于远程数据采集、控制等领域的无线传输。

 

图5. TK8620 和 TK8622 芯片正面

 

TK8620、TK8622 与 SX1262 对比如下：

表4. TK8620与 SX1262芯片对比

 

综上所述，TurMass™ 与 LoRa 技术相比，在多个关键性能指标上展现出显著优势。因此，TurMass™ 技术在物联网领域具有更广阔的应用前景，能够更好地满足各种复杂场景下的物联网设备连接和数据传输需求。