国产化低功耗低延时广覆盖物联网无线通讯方案_LAKI芯片

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物联网系统中为什么要使用LAKI

在物联网系统中使用LAKI（Last Kilometer IoT Coverage）技术的原因可以归结为以下几个方面：

1、独特的技术优势

• 广覆盖、低功耗、低时延：LAKI是目前唯一能够同时实现广覆盖、低功耗和低时延的无线通讯技术。这种组合特性使得LAKI在物联网应用中具有极高的灵活性和实用性，特别是在需要长距离通信、低功耗和实时响应的场景中。

• 高性能：LAKI的射频SoC芯片在功耗、覆盖和性能方面均达到了业界领先水平。例如，其已经量产的芯片能够以极低的电流实现1.5公里以上的通讯距离，远超蓝牙、ZigBee、LoRa、NB-IoT等常用物联网技术。

2、投资回报最大化

• 高投资回报率：物联网的最大难题之一是投资回报普遍较低，甚至低于投资成本。LAKI通过其独特的技术优势，最大限度地提升了物联网产品和解决方案的投资回报，能够满足物联网行业90%以上应用对投资回报的需求。

• 低成本部署：LAKI技术可以大幅降低物联网基础设施的部署成本。例如，建成一张覆盖全上海的泛在物联网仅需要硬件成本1000万元，这大大降低了物联网应用的门槛。

3、高效的数据处理和安全性

• 高数据速率：LAKI方案具有较高的数据速率，最高可达1000kbps，能够满足大多数物联网应用的数据速率要求。

• 大数据容量：LAKI具有很大的同时在线用户容量，这对于终端高密度部署的环境里通讯的实时性有很大的影响，不会因为网络碰撞而导致较大的时延和较高的功耗。

• 高安全性：LAKI在物联网安全方面也做到了业界前列，设计了三重保障方式，确保数据传输的安全性和可靠性。

4、创新的通信机制

• 双向实时通讯：LAKI采用创新的方法，轻松实现双向实时通讯，并且响应时间可调，最低可达数毫秒，最高可达1000秒。这种特性对于智慧物联网来说至关重要，是实现智能化控制和决策的基础。

• 灵活组网方式：LAKI的组网方式非常灵活，支持多种网络拓扑，包括星型网络拓扑、网状网以及中继组网方式。这使得LAKI能够更好地适应各种复杂的物联网应用场景。

5、广泛的应用场景

• 多领域应用：LAKI已经进入多个领域，包括智慧零售、仓储物流、智慧农业、智慧畜牧业、智慧铁路、智慧煤矿、智能交通、工业互联网等。在这些领域中，LAKI技术能够大幅提升应用的投资回报，实现可持续发展。

• 长距离低功耗语音解决方案：LAKI还是全球唯一基于2.4GHz频段的长距离低功耗语音解决方案，可用于可穿戴设备、智能手机的语音对讲应用，具有广泛的应用前景。

LaKi射频SoC芯片LK2400系列芯片，睡眠电流（可随时被动唤醒）1.5微安，发射电流4.5mA@0dBm， 8mA@4dBm， 接收电流7.5mA（Max gain），接收灵敏度达-120dB@250kbps， 结合LaKi超低功耗实时广域网协议，在芯片达到最大通讯距离（普通模组实测1.5km以上， 增强模组超过5km）时，如果监听周期设为1秒（即终端1秒响应），每天传送30次200字节的数据，则普通模组功耗不超过30mAh/年， 增强模组功耗不超过40mAh/年。 一颗小纽扣电池如CR2032就可以支持普通模组5年以上的续航使用。 考虑到即使在最大通讯距离时的数据速率也可达250kbps， LaKi网络可以低成本地承载几乎所有的物联网业务，包括LPWAN、BLE、Zigbee等承载的那些业务以及对实时性有要求的其他业务， 可以说除了视频等高带宽业务外， 大多数的物联网业务都可用LaKi来承载。

综上所述，LAKI技术以其独特的技术优势、高投资回报率、广泛的应用场景、高效的数据处理和安全性以及创新的通信机制，在物联网系统中得到了广泛的应用和认可。

本文会再为大家详解无线通信技术家族中的一员——LAKI及其射频芯片。

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LAKI的定义

LaKi技术由千米电子历经多年研发而成，专注于物联网最后一千米的大规模、低成本海量覆盖。该技术包含了协议层（MAC）LaKiplus和物理层（PHY）射频SoC芯片，是目前唯一能够同时实现广覆盖、低功耗和低时延的无线技术。 LaKi无线通讯协议发明后，为了能够充分发挥LaKi的优势，千米团队自2016年开始开发自有射频芯片，LK2400系列射频SoC芯片由此诞生。

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LAKI芯片的通信原理

LaKi采用CSMA/CA协议，信道利用率可以达到100%，与LoRa等采用Aloha网络模型的技术相比，利用率高得多， Aloha模型的信道利用率最高只有18%。 CSMA/CA和Aloha网络模型的具体原理见下图：

这也是为何LoRa的并发用户数量比较低的原因所在。 某用户实测数据为2000个点的LoRa网络，需要37分钟才可以盘点完毕。 就是因为信道利用率低导致严重的网络拥塞，这不光大大降低了响应速度，也会造成终端耗电的急剧上升， 上述网络的终端用20000mAh的电池供电， 两个多月就要充一次电。

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LAKI的优势

• 广覆盖：LaKi射频SoC芯片接收灵敏度小于-120dBm@125kbps，系统通讯距离可达5千米以上。在发射电流仅5.9mA（5dBm功率）的条件下，LaKi能实现超过1.5公里的有效通信距离。

• 低时延：监听周期可设定为从数毫秒到1000秒，LaKi芯片在休眠时有8kbytes retention SRAM，可实时被动唤醒。

• 低功耗：最大接收电流7.5mA，发射电流4.5mA@0dBm，8mA@4dBm；在通讯距离1公里以上、1秒监听周期的情况下，平均电流小于3微安。

• 

LaKi在这些关键指标上都处于领先地位，重新定义了物联网通信标准。相较于传统的LoRa、蓝牙（BLE）、NB-IoT以及ZigBee技术，LaKi在地理覆盖范围、设备续航能力以及实时数据处理等方面均展现出压倒性的优势，为物联网应用的部署和扩展提供了更为经济、高效、灵活的选择。无论是对于远程环境监测、大规模资产跟踪、智慧城市的基础设施管理，还是对于需要实时交互和长距离通信的各类创新应用，LaKi都以其技术革新性推动着物联网行业向更广阔、更深入、更实时的维度发展，开启了物联网应用的新纪元。

LaKi设计之初就是要同时实现广覆盖（关键特性1）、低时延（关键特性2）和低功耗（关键特性3）的，这在很多业内人士眼里看起来像是不可能的任务，但LaKi无线通讯协议从MAC层的角度同时实现了这三个特性，而LaKi射频SoC芯片则从PHY层的角度则使这个目标变成了现实。

LAKI网络接入与速率

该看法是正确的，理论上讲，支持的用户数量取决于信道容量，同一信道的容量越大，传输速度越高，支持的用户数越多；传输速度越高，同样的信息传输的时间越短，越节省能量。因此，覆盖范围、传输速率和功耗需在协议和芯片设计时要根据实际应用做权衡（tradeoff）。例如， 蓝牙牺牲了覆盖范围和用户容量， 保证了传输速度和功耗。

与其他主要的LPWAN协议（NB-IoT和LoRaWAN）相比， LaKi在保证了同类最高的传输速率的同时实现了较大覆盖范围（ 实测优于蜂窝4G网络的覆盖能力）、最大的用户连接容量（650K静态用户连接数， 2000个以上并发用户容量），并通过独有的方式实现了三个数量级以上的功耗优势，同时也实现了终端的快速响应，从而也能够适应更多场景如快速移动场景下的物联网通讯，大大拓宽了LPWAN的应用范围。

LAKI组网方式及频段

网关和终端都需要LaKi射频SoC芯片。 一个网关，至少需要一颗LaKi射频芯片，可分时作为接收（Rx）或者发送（Tx）；但一般需要两颗及以上，1Tx+1 Rx； 也可以根据需要配置1 Tx + N Rx，这种配置取决于需要的网络容量与响应速度。

千米电子已经为网关设计了一个最多有9个通道的转接板，对于已有网关产品的合作伙伴，可以直接使用千米电子的转接板（UART接口）和其网络模组进行组合使用。从技术定位和组网方式看，该技术确实更适合用于广域无线物联，但2.4G的ISM 频段会影响到它的使用。频率高，覆盖范围受限，而且会被大量WIFI 等ISM频段的无线设备干扰。无线技术可以有很多种频段选择， LaKi技术的第一款射频SoC产品选用2.4GHz频段的原因如下:

主要是因为2.4GHz频段在全球所有国家都是属于免费的ISM频段。 因此，这个频段在全球各个地方都可以免费使用, 而其他频段一般各个国家有不同的使用政策。 例如很多技术选用的sub-GHz频段在各个国家中就不一样，如在美国是915MHz频段, 在欧洲是868MHz频段, 在中国,国家无线委对1GHz以下频段一直没有明确免费频段, 业内常用的是400多MHz频段，这就造成了这种频段适应性不如2.4GHz频段，无法大范围应用的。

正因为2.4GHz频段这样的优势，因此，很多种技术都采用2.4GHz频段，如ZigBee、WiFI、蓝牙等，因此，这个频段的设备就应用比较多，就导致同频干扰的问题，这导致了通讯性能的下降，对于LaKi来说，这种干扰的影响有限，LaKi的抗干扰能力很强，原因如下:

• LaKi的物理层设计和其他该频段常用技术都是不同的，信道、编码等都不一样，因此不同的无线技术对LaKi的影响比较小。证据有：a、我们做过简单的实验，把LaKi的通讯模组放在WiFI的AP附近， 在10厘米以内的距离会有10%-20%左右的接通率的下降 ； b、LaKi的性能参数都是在实际应用环境中测试而来， 测试都是在正常的工业区进行的，收发端距离地面1.5-2米， 反应的都是实际应用的性能表现。

• 干扰的影响在于会降低接收灵敏度，因此，接收灵敏度的高冗余度是实际应用中对抗干扰的最有效手段。 LaKi射频SoC的接收灵敏度比2.4GHz频段的技术如蓝牙、WiFi、ZigBee等高出至少十几个dBm，也就是通讯距离是数百倍的差距，因此， LaKi技术有足够的接收灵敏度的冗余度来抗干扰。 如LaKi的2.4GHz的射频SoC在5dBm的发射功率情况下可以实现有效通讯1.5公里以上，即使在干扰严重的地区， 数百米的通讯距离是可以保证的。这往往也足够了。

• 2.4GHz频段的由于频率高，因此空中损耗就大，比较难地做到低功耗长距离通讯，因此，基于这个频段的技术一般都是短距离通讯技术， 如蓝牙、ZigBee等， 通讯距离也就几十米。影响范围比较小，但LaKi技术做到了在这个频段下的长距离通讯，通讯范围非常大， 因此，影响范围小的短距离技术很难对LaKi大范围通讯造成大的影响。

LAKI传输速率，带宽与功耗关系

传输速度与消耗带宽是不同的概念，但两者之间是有关联的。传输速度肯定要小于信道带宽，比如传输速度是1Mbps，那么信道带宽肯定要大于1MHz才可能以1Mbps的速率传输数据。考虑到信道间的隔离，带宽一般会选择1.5MHz～2MHz。传输速度降低，相同的数据量的传输时间会相应拉长，也带来了数据传输功耗的增加，这是必然的。但这不会对整体的通讯功耗产生实质性影响，这是因为：

首先，LaKi的速率更高。LaKi的信道容量1Mbps，远大于采用sub-G频段的LoRa的5.5kbps，即使LoRa最新的芯片SX1280/1281，采用2.4GHz的频段以及1.625MHz带宽的情况下，也才达到254Kbps（LaKi的四分之一）的传输速度，而且由于此时SF=5，扩频增益的降低造成RX sensitivity=-99dbm，将大大缩短覆盖范围；SX1276在868MHz频带，SF=7，125KHz带宽，Rx sensitivity=-123dbm，相差20db，覆盖距离缩短1个数量级。而LaKi相对高的传输速度节省了能量消耗。 其次，在多数物联网的场景下，LaKi数据传输功耗在整体通讯功耗占比中非常低，可以忽略不计，详细情况请参考问题7的计算结果。 因此，虽然速率变小引起传输数据时间拉长，但传输功耗的提升对整体的功耗表现影响甚微，不需要着重考虑。而要降低双向实时/准实时物联网通讯的功耗需要重点考虑的是降低功耗消耗的主要部分：监听功耗和睡眠功耗。

因此，我们在关注物联网双向实时/准实时的通讯时的功耗问题时，数据传输（Tx）功耗由于占比很小，对整体的通讯功耗的影响非常小，因此数据传输对于总体功耗的影响很小，不会有明显的下降。

组网方式与覆盖范围

网关和终端都需要LaKi射频SoC芯片。 一个网关，至少需要一颗LaKi射频芯片，可分时作为接收（Rx）或者发送（Tx）；但一般需要两颗及以上，1Tx+1 Rx； 也可以根据需要配置1 Tx + N Rx，这种配置取决于需要的网络容量与响应速度。

千米电子已经为网关设计了一个最多有9个通道的转接板，对于已有网关产品的合作伙伴，可以直接使用千米电子的转接板（UART接口）和其网络模组进行组合使用。

LAKI的功耗

LPWAN的三种主流技术NB-IoT、LoRa和Sigfox节电的机制类似， 都是通过大量的睡眠和少量的工作时间规划来实现低功耗，而在终端睡眠时，网关是无法和终端进行任何通信的；NB-IoT和LoRa相比于Sigfox，带宽增加了，而前两者还能够支持低时延通信，后者却不能， 例如LoRa的Class C模式，NB-IoT的DRX模式，但在这样的通讯模式下，终端的功耗非常高，需要接电源或者使用大容量电池。因此，LoRa和NB-IoT是无法同时实现低时延通讯和低功耗的， 决定了他们只能根据实际应用进行取舍。 可实际应用中，物联网特别是智慧物联网的多数应用是需要低时延的，也即双向实时/准实时通讯，因此，NB-IoT和LoRa只能在少数对实时性没有要求、数据量少且发送频次低的应用场景里能够有较低的总体成本。可见，虽然他们的建网成本比较低，但由于只适应少量的应用场景，导致网络能够承载的业务少，从而网络的价值并不高。这也是国内自2016年开始大力推广NB-IoT以来，人们预期的爆发却并没有到来的根本原因。

双向实时通讯的睡眠功耗、工作功耗（发射TX功耗）和监听功耗（RX功耗）的能耗比并不是固定的，因此在比较之前，我们需要首先设定一个数据通讯模型。

      考虑到物联网数据通讯的特点，在大多数的物联网应用中，需要双向实时通讯，一般来说，1秒内响应已经能够满足多数物联网应用的实时要求；物联网终端一般不需要频繁传输数据，每天三十次已经是非常高的传输频率。 因此我们设定如下的通讯模型： 一个终端每秒监听一次（监听RX），每天传送三十次数据（发射TX）。

       在这样的模型下，LaKi可以做到一天中功耗消耗（根据LaKi模组的测试数据而来）：

•  监听功耗：0.032mAh

•  发射功耗：0.00027mAh

•  睡眠功耗：0.024mAh

•  总功耗：0.05627mAh

•  监听功耗：睡眠功耗：发射功耗 ≈120:90:1

•  如果每天发送10次数据的话， 那么监听功耗：睡眠功耗：发射功耗 ≈360:270:1

•  如果每天发送3次数据的话， 那么监听功耗：睡眠功耗：发射功耗 ≈1200:900:1

      可见，在物联网双向实时通讯的情况下，功耗主要在监听和睡眠功耗上，发射功耗（数据传输）占比非常小。

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供应商A：LaKi

http://1000miot.com/cn/home

1、产品能力

主推型号1：LK2400A

对应的产品详情介绍

LK2400A是由千米团队根据物联网无线通讯特点和LaKi无线通讯协议而定制开发的一款高集成度的射频SoC芯片，采用中芯国际（SMIC）成熟工艺，是LaKi解决方案的重要组成部分——物理层（PHY）。 LK2400A集成了射频（RF）、基带（BB）、功率放大（PA）、32位CPU、电源管理（PMU）、实时时钟（RTC）、AES128等功能， 支持多种主流接口。 数据传输采用密文方式，并支持硬件AES128加密，增强了数据安全性。

特性：

封装尺寸：5mm*5mm（QFN封装）

管脚数量：40pin

工作频段：2.400GHz-2.528GHz

技术模型：GMSK、CSMA

接收灵敏度：<-118dBm@250kbps； <-102dBm@1Mbps

接收电流：<7.5mA

发射电流：<2.3mA@-10dBm ，<3.25mA@0dBm ，<4.5mA@4dBm ，<5.9mA@5.3dBm

睡眠电流： ~1µA（8kbytes retention SRAM，可快速唤醒）

静态用户容量：无限制

并发用户容量：大于2000个（单信道）

支持接口：6组I2C、4组SPI、1组UART和32个GPIO

电池寿命：非实时响应——超过10年； 实时响应——超过10年

网络拓扑：星形（Star）、网状网（Mesh）、中继（Relay）

• 硬件参考设计

• 

2、支撑

（1）技术产品

• 技术资料

9_LK2400A-API_UserManual-v4.6(40pin).pdf

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