重磅发布 | 御芯微WIoTa通信协议简介及测试报告解读
1背景
在目前西方国家全面加强对中国高科技领域的技术封锁、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技术能力。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技术还多为美国Semtech公司的LoRa技术，该技术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技术也风起云涌，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技术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技术与行业标杆LoRa技术做了较为深度的对比测试，以此为契机，也对WIoTa技术与对应UC8288芯片做简要介绍。
2WIoTa技术简介
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、 UART、I2C、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。
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：
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：
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。
测试结果如下图所示：
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)
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：
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技术做更多的产品开发，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技术，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
作者:黎光洁 编辑:徐文雯
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