TurMass?：高性能全国产无线物联网技术解析，突破 LPWAN 瓶颈

1 概述

TurMass? 是全球首创的将大规模多天线技术用于窄带无线传输并实现高并发海量接入性能的系统，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极大地提升系统的接入容量、信号增益、抗干扰能力、覆盖能力以及频谱效率。

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

2 高性能调制技术

针对窄带无线传输对于抗频偏、低功耗、高Eb / N0性能的需求，TurMass? 基带采用独创的恒包络差分相频二维调制技术（CP-DPFSK），每个调制符号包含相位及频率二维信息。与传统的窄带通信调制方式相比，CP-DPFSK 调制的优势如下：

2.1 抗频偏

CP-DPFSK 融合差分相位及频率调制，两种调制方式均具备较强的抗频偏能力，能够适应物联网终端低成本晶振（典型：30ppm）及卫星物联网等高动态场景。

2.2 恒包络

CP-DPFSK 采用恒包络技术，终端芯片射频可采用非线性 PA，功耗显著降低。

2.3 高Eb/N0性能

CP-DPFSK 具备接近 BPSK 的 Eb / N0 性能，优于 LoRa 所采用的 CSS 调制。

CP-DPFSK 与不同窄带调制的 Eb / N0 性能对比如下，其中BPSK+Polar1/2 ML bound 代表 1 / 2 码率下趋近香农极限的性能，可以看到 DPFSK 的性能优于 LoRa 的 CSS 调制，也优于传统小无线采用的 FSK 调制。

图1.CP-DPFSK?与不同窄带调制的 Eb / N0 性能对比

3高效时隙双工

图2.TurMass? 物理帧时隙示意图

TurMass? 采用 TDD 时隙双工方式，时隙是物理帧最小单位，表示一个时间分片，分片长度可以调整。图 2 是一种典型的物理帧结构，由1 个 BCN 时隙和 2 个 Data 时隙组成，Data 时隙可以用于数据接收或发送。终端在 BCN 时隙完成同步后，在 Data 时隙发送和接收数据。

图 3 是一个典型的 2 个设备的收发示例，每个 slot 可以配置，语音一般是 20ms 的数据包，每个 slot 可以配置成所需的语音包长度大小，非常符合 TDD 模式的语音通讯功能。根据这些 slot 的配置，可以做到全双工语音通讯及多人语音通讯对讲方案

图3.TurMass? 语音通讯应用时隙示意图

TurMass? 高效时隙双工优势如下：

3.1 频谱利用灵活

支持非对称频段分配，可高效利用零散频段资源。

3.2 非对称业务支持

通过调整上下行时隙比例，可动态适应互联网等上下行流量差异大的业务需求。

3.3 设备复杂度与成本低

上下行共用射频单元，无需收发隔离器，简化网关硬件设计。

3.4 信道互异性优势

上下行信道特性一致，在 TurMass? 多天线网关组网时，便于采用大规模 MIMO 等技术，提升网关信号处理效率。

4大容量多址接入

TurMass? 多址接入采用 mGFRA 技术，利用频分和空分复用以支持大量用户的并行随机接入。

图4.TurMass? 多址接入与传统 LPWAN 技术对比

图 4 从时间，空间及频率的三个维度展示了 TurMass? 与传统扩频 LPWAN技术在数据包发送时的区别。可以显著看到，在同一时间同一频率（信道）TurMass? 支持多个数据包并行发送，而传统扩频 LPWAN 技术在同一时间同一频率（信道）仅支持一个数据包发送。此外，在 MGFRA 技术的加持下，TurMass? 拥有更高的接收机灵敏度和数据速率，终端数据包发送时长更短。因此，高并发与数据包发送时间短，使得 TurMass? 与传统扩频 LPWAN 技术相比拥有巨大的容量优势。

TurMass? 采用的 mGFRA 多址接入技术的优势如下：

4.1 接入容量大

TurMass? 网关利用频分和空分复用大幅提升接入容量，以典型 125kHz 带宽为例，TurMass? 网关可支持 32 个 4kHz 带宽终端同时随机选择频率接入。若分配频点，则可支持近百个 4kHz 带宽终端同时接入。

4.2 信令交互少

TurMass? 终端无需过多信令交互，完成信标同步后，即可发起随机接入，发送上行数据。

4.3 接入碰撞低

TurMass? 网关能够利用波束成形对频率重叠在一起的用户数据信号进行解调和数据恢复，大幅降低接入碰撞。

以实际应用为例，设定业务模型为终端单次发送数据量为 40bytes，通信速率为 2kbps，PER 不高于 5%，高频业务终端 5 分钟发射一次，中频业务终端每 1 小时发射一次，低频业务终端每 12 小时发射一次。

表2.TurMass? 与其他 LPWAN 技术容量对比表

5低功耗

在物联网应用中，低功耗主要取决于三个方面：第一是数据传输开销；第二是芯片低功耗设计及收发电流性能；第三是低功耗唤醒设计。下面将从以上三个方面，说明 TurMass? 技术在低功耗方面的优势。

5.1 数据传输开销

信令交互少：TurMass? 终端采用 mGFRA 技术接入网络，无需多余数据交互，减少功耗；

通信速率高：TurMass? 网关采用大规模 MIMO 技术提升接收信号增益，在相同传输距离下，终端传输速率约是 LoRa 的6 倍，终端发射时间短，减少功耗。

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。

5.2 低功耗 IC 设计

TurMass? 终端芯片采用低功耗 ScC 及 PMU 设计，支持不同工作模式下的供电，并保证各个模式下最优化的设计，从而降低功耗。

5.3低功耗唤醒

TurMass? 终端支持多种低功耗唤醒模式：无线唤醒、I/O 唤醒和定时唤醒。

图5.无线唤醒低功耗模式示意图

无线唤醒模式的网络节点（如网关、Mesh 协调节点等）可发送特定唤醒信号，让远端休眠节点在接收到唤醒信号后执行唤醒流程，随后开始数据收发流程。

得益于其数据传输时间短、交互少的特点，结合低功耗 IC 设计和灵活的唤醒机制，TurMass? 技术在低功耗方面具备显著综合优势。

6抗干扰

6.1 干扰抑制

TurMass? TKG-800 网关能够对工作信道内的频谱进行感知，8 天线提供更高的空间分辨率，可区分更多用户和干扰源，基于波束成形对干扰信号进行抑制并对接收信号进行增强，可使信干噪比（SINR）提升约10-15 dB。

图6.TurMass? 信号增强和干扰抑制示意图?

6.2 自学习跳频

TurMass? 终端支持数据包间跳频，并能够基于信道质量自学习，收敛到信道质量最好的频带通信，跳频可用信道数量超300个，可提供超24dB抗干扰容限。

图7.TurMass? 自学习跳频示意图?

6.3 载波侦听及避让

TurMass?Link 协议支持终端可配置冲突避免 CSMA/CA 策略，进一步避免数据包冲突以及干扰。

图8.TurMass? CSMA/CA 示意图?

7组网

TurMass? Link 的组网架构包括以下三种：

7.1 星型网络

中心（网关）式组网，所有设备直接与中心节点通信；

支持单网关和多网关部署；

支持多通道网关和多天线网关。

图9.TurMass? Link 星型网络拓扑示意图

7.2 树型网络

以根节点为核心，设备按照父子关系层次化组织；

支持中继，子节点通过父节点与根节点通信。

图10.TurMass? Link 树型网络拓扑示意图

7.3 Mesh 网络

支持树型拓扑、网状拓扑和混合型拓扑；

支持多跳路由转发进行通信。

图11.TurMass? Link Mesh 网络（混合型）拓扑示意图

8TurMass?产品组成

图12.TurMass? 产品组网典型架构

TurMass? 产品组网典型架构如图 14 所示，其中 TurMass? 系统产品主要包含终端芯片、中继、无线网关以及网络服务器。

表4.TK8620、TK8622 无线终端 SoC

表5.TKG-800 多天线网关

9结语

TurMass? 技术凭借其在大规模多天线技术、高性能调制技术、高效时隙双工、大容量多址接入、低功耗设计以及强大的抗干扰能力等多方面的卓越表现，为窄带无线传输领域带来了革命性的变革。

从星型网络到树型网络，再到灵活的 Mesh 网络，TurMass? Link 组网架构的多样性使其能够满足各种复杂场景下的通信需求。而终端芯片、中继、无线网关以及网络服务器等产品组成的完整系统，更是为 TurMass? 技术的实际应用提供了坚实的硬件基础。

随着物联网的快速发展，TurMass? 技术无疑将在智慧园区、智慧城市、工业物联网、智慧农业、语音对讲等众多领域发挥重要作用，为实现万物互联的未来贡献关键力量。