物聯網系統中為什么要使用LAKI

在物聯網系統中使用LAKI（Last Kilometer IoT Coverage）技術的原因可以歸結為以下幾個方面：

1、獨特的技術優勢

廣覆蓋、低功耗、低時延：LAKI是目前唯一能夠同時實現廣覆蓋、低功耗和低時延的無線通訊技術。這種組合特性使得LAKI在物聯網應用中具有極高的靈活性和實用性，特別是在需要長距離通信、低功耗和實時響應的場景中。

高性能：LAKI的射頻SoC芯片在功耗、覆蓋和性能方面均達到了業界領先水平。例如，其已經量產的芯片能夠以極低的電流實現1.5公里以上的通訊距離，遠超藍牙、ZigBee、LoRa、NB-IoT等常用物聯網技術。

2、投資回報最大化

高投資回報率：物聯網的最大難題之一是投資回報普遍較低，甚至低于投資成本。LAKI通過其獨特的技術優勢，最大限度地提升了物聯網產品和解決方案的投資回報，能夠滿足物聯網行業90%以上應用對投資回報的需求。

低成本部署：LAKI技術可以大幅降低物聯網基礎設施的部署成本。例如，建成一張覆蓋全上海的泛在物聯網僅需要硬件成本1000萬元，這大大降低了物聯網應用的門檻。

3、高效的數據處理和安全性

高數據速率：LAKI方案具有較高的數據速率，最高可達1000kbps，能夠滿足大多數物聯網應用的數據速率要求。

大數據容量：LAKI具有很大的同時在線用戶容量，這對于終端高密度部署的環境里通訊的實時性有很大的影響，不會因為網絡碰撞而導致較大的時延和較高的功耗。

高安全性：LAKI在物聯網安全方面也做到了業界前列，設計了三重保障方式，確保數據傳輸的安全性和可靠性。

4、創新的通信機制

雙向實時通訊：LAKI采用創新的方法，輕松實現雙向實時通訊，并且響應時間可調，最低可達數毫秒，最高可達1000秒。這種特性對于智慧物聯網來說至關重要，是實現智能化控制和決策的基礎。

靈活組網方式：LAKI的組網方式非常靈活，支持多種網絡拓撲，包括星型網絡拓撲、網狀網以及中繼組網方式。這使得LAKI能夠更好地適應各種復雜的物聯網應用場景。

5、廣泛的應用場景

多領域應用：LAKI已經進入多個領域，包括智慧零售、倉儲物流、智慧農業、智慧畜牧業、智慧鐵路、智慧煤礦、智能交通、工業互聯網等。在這些領域中，LAKI技術能夠大幅提升應用的投資回報，實現可持續發展。

長距離低功耗語音解決方案：LAKI還是全球唯一基于2.4GHz頻段的長距離低功耗語音解決方案，可用于可穿戴設備、智能手機的語音對講應用，具有廣泛的應用前景。

LaKi射頻SoC芯片LK2400系列芯片，睡眠電流（可隨時被動喚醒）1.5微安，發射電流4.5mA@0dBm， 8mA@4dBm， 接收電流7.5mA（Max gain），接收靈敏度達-120dB@250kbps， 結合LaKi超低功耗實時廣域網協議，在芯片達到最大通訊距離（普通模組實測1.5km以上， 增強模組超過5km）時，如果監聽周期設為1秒（即終端1秒響應），每天傳送30次200字節的數據，則普通模組功耗不超過30mAh/年， 增強模組功耗不超過40mAh/年。 一顆小紐扣電池如CR2032就可以支持普通模組5年以上的續航使用。 考慮到即使在最大通訊距離時的數據速率也可達250kbps， LaKi網絡可以低成本地承載幾乎所有的物聯網業務，包括LPWAN、BLE、Zigbee等承載的那些業務以及對實時性有要求的其他業務， 可以說除了視頻等高帶寬業務外， 大多數的物聯網業務都可用LaKi來承載。

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綜上所述，LAKI技術以其獨特的技術優勢、高投資回報率、廣泛的應用場景、高效的數據處理和安全性以及創新的通信機制，在物聯網系統中得到了廣泛的應用和認可。

本文會再為大家詳解無線通信技術家族中的一員——LAKI及其射頻芯片。

LAKI的定義

LaKi技術由千米電子歷經多年研發而成，專注于物聯網最后一千米的大規模、低成本海量覆蓋。該技術包含了協議層（MAC）LaKiplus和物理層（PHY）射頻SoC芯片，是目前唯一能夠同時實現廣覆蓋、低功耗和低時延的無線技術。 LaKi無線通訊協議發明后，為了能夠充分發揮LaKi的優勢，千米團隊自2016年開始開發自有射頻芯片，LK2400系列射頻SoC芯片由此誕生。

LAKI芯片的通信原理

LaKi采用CSMA/CA協議，信道利用率可以達到100%，與LoRa等采用Aloha網絡模型的技術相比，利用率高得多， Aloha模型的信道利用率最高只有18%。 CSMA/CA和Aloha網絡模型的具體原理見下圖：

這也是為何LoRa的并發用戶數量比較低的原因所在。 某用戶實測數據為2000個點的LoRa網絡，需要37分鐘才可以盤點完畢。 就是因為信道利用率低導致嚴重的網絡擁塞，這不光大大降低了響應速度，也會造成終端耗電的急劇上升， 上述網絡的終端用20000mAh的電池供電， 兩個多月就要充一次電。

LAKI的優勢

廣覆蓋：LaKi射頻SoC芯片接收靈敏度小于-120dBm@125kbps，系統通訊距離可達5千米以上。在發射電流僅5.9mA（5dBm功率）的條件下，LaKi能實現超過1.5公里的有效通信距離。

低時延：監聽周期可設定為從數毫秒到1000秒，LaKi芯片在休眠時有8kbytes retention SRAM，可實時被動喚醒。

低功耗：最大接收電流7.5mA，發射電流4.5mA@0dBm，8mA@4dBm；在通訊距離1公里以上、1秒監聽周期的情況下，平均電流小于3微安。

LaKi在這些關鍵指標上都處于領先地位，重新定義了物聯網通信標準。相較于傳統的LoRa、藍牙（BLE）、NB-IoT以及ZigBee技術，LaKi在地理覆蓋范圍、設備續航能力以及實時數據處理等方面均展現出壓倒性的優勢，為物聯網應用的部署和擴展提供了更為經濟、高效、靈活的選擇。無論是對于遠程環境監測、大規模資產跟蹤、智慧城市的基礎設施管理，還是對于需要實時交互和長距離通信的各類創新應用，LaKi都以其技術革新性推動著物聯網行業向更廣闊、更深入、更實時的維度發展，開啟了物聯網應用的新紀元。

LaKi設計之初就是要同時實現廣覆蓋（關鍵特性1）、低時延（關鍵特性2）和低功耗（關鍵特性3）的，這在很多業內人士眼里看起來像是不可能的任務，但LaKi無線通訊協議從MAC層的角度同時實現了這三個特性，而LaKi射頻SoC芯片則從PHY層的角度則使這個目標變成了現實。

LAKI網絡接入與速率

該看法是正確的，理論上講，支持的用戶數量取決于信道容量，同一信道的容量越大，傳輸速度越高，支持的用戶數越多；傳輸速度越高，同樣的信息傳輸的時間越短，越節省能量。因此，覆蓋范圍、傳輸速率和功耗需在協議和芯片設計時要根據實際應用做權衡（tradeoff）。例如， 藍牙犧牲了覆蓋范圍和用戶容量， 保證了傳輸速度和功耗。

與其他主要的LPWAN協議（NB-IoT和LoRaWAN）相比， LaKi在保證了同類最高的傳輸速率的同時實現了較大覆蓋范圍（ 實測優于蜂窩4G網絡的覆蓋能力）、最大的用戶連接容量（650K靜態用戶連接數， 2000個以上并發用戶容量），并通過獨有的方式實現了三個數量級以上的功耗優勢，同時也實現了終端的快速響應，從而也能夠適應更多場景如快速移動場景下的物聯網通訊，大大拓寬了LPWAN的應用范圍。

LAKI組網方式及頻段

網關和終端都需要LaKi射頻SoC芯片。 一個網關，至少需要一顆LaKi射頻芯片，可分時作為接收（Rx）或者發送（Tx）；但一般需要兩顆及以上，1Tx+1 Rx； 也可以根據需要配置1 Tx + N Rx，這種配置取決于需要的網絡容量與響應速度。

千米電子已經為網關設計了一個最多有9個通道的轉接板，對于已有網關產品的合作伙伴，可以直接使用千米電子的轉接板（UART接口）和其網絡模組進行組合使用。從技術定位和組網方式看，該技術確實更適合用于廣域無線物聯，但2.4G的ISM 頻段會影響到它的使用。頻率高，覆蓋范圍受限，而且會被大量WIFI 等ISM頻段的無線設備干擾。無線技術可以有很多種頻段選擇， LaKi技術的第一款射頻SoC產品選用2.4GHz頻段的原因如下:

主要是因為2.4GHz頻段在全球所有國家都是屬于免費的ISM頻段。 因此，這個頻段在全球各個地方都可以免費使用, 而其他頻段一般各個國家有不同的使用政策。 例如很多技術選用的sub-GHz頻段在各個國家中就不一樣，如在美國是915MHz頻段, 在歐洲是868MHz頻段, 在中國,國家無線委對1GHz以下頻段一直沒有明確免費頻段, 業內常用的是400多MHz頻段，這就造成了這種頻段適應性不如2.4GHz頻段，無法大范圍應用的。

正因為2.4GHz頻段這樣的優勢，因此，很多種技術都采用2.4GHz頻段，如ZigBee、WiFI、藍牙等，因此，這個頻段的設備就應用比較多，就導致同頻干擾的問題，這導致了通訊性能的下降，對于LaKi來說，這種干擾的影響有限，LaKi的抗干擾能力很強，原因如下:

LaKi的物理層設計和其他該頻段常用技術都是不同的，信道、編碼等都不一樣，因此不同的無線技術對LaKi的影響比較小。證據有：a、我們做過簡單的實驗，把LaKi的通訊模組放在WiFI的AP附近， 在10厘米以內的距離會有10%-20%左右的接通率的下降 ； b、LaKi的性能參數都是在實際應用環境中測試而來， 測試都是在正常的工業區進行的，收發端距離地面1.5-2米， 反應的都是實際應用的性能表現。

干擾的影響在于會降低接收靈敏度，因此，接收靈敏度的高冗余度是實際應用中對抗干擾的最有效手段。 LaKi射頻SoC的接收靈敏度比2.4GHz頻段的技術如藍牙、WiFi、ZigBee等高出至少十幾個dBm，也就是通訊距離是數百倍的差距，因此， LaKi技術有足夠的接收靈敏度的冗余度來抗干擾。 如LaKi的2.4GHz的射頻SoC在5dBm的發射功率情況下可以實現有效通訊1.5公里以上，即使在干擾嚴重的地區， 數百米的通訊距離是可以保證的。這往往也足夠了。

2.4GHz頻段的由于頻率高，因此空中損耗就大，比較難地做到低功耗長距離通訊，因此，基于這個頻段的技術一般都是短距離通訊技術， 如藍牙、ZigBee等， 通訊距離也就幾十米。影響范圍比較小，但LaKi技術做到了在這個頻段下的長距離通訊，通訊范圍非常大， 因此，影響范圍小的短距離技術很難對LaKi大范圍通訊造成大的影響。

LAKI傳輸速率，帶寬與功耗關系

傳輸速度與消耗帶寬是不同的概念，但兩者之間是有關聯的。傳輸速度肯定要小于信道帶寬，比如傳輸速度是1Mbps，那么信道帶寬肯定要大于1MHz才可能以1Mbps的速率傳輸數據。考慮到信道間的隔離，帶寬一般會選擇1.5MHz～2MHz。傳輸速度降低，相同的數據量的傳輸時間會相應拉長，也帶來了數據傳輸功耗的增加，這是必然的。但這不會對整體的通訊功耗產生實質性影響，這是因為：

首先，LaKi的速率更高。LaKi的信道容量1Mbps，遠大于采用sub-G頻段的LoRa的5.5kbps，即使LoRa最新的芯片SX1280/1281，采用2.4GHz的頻段以及1.625MHz帶寬的情況下，也才達到254Kbps（LaKi的四分之一）的傳輸速度，而且由于此時SF=5，擴頻增益的降低造成RX sensitivity=-99dbm，將大大縮短覆蓋范圍；SX1276在868MHz頻帶，SF=7，125KHz帶寬，Rx sensitivity=-123dbm，相差20db，覆蓋距離縮短1個數量級。而LaKi相對高的傳輸速度節省了能量消耗。 其次，在多數物聯網的場景下，LaKi數據傳輸功耗在整體通訊功耗占比中非常低，可以忽略不計，詳細情況請參考問題7的計算結果。 因此，雖然速率變小引起傳輸數據時間拉長，但傳輸功耗的提升對整體的功耗表現影響甚微，不需要著重考慮。而要降低雙向實時/準實時物聯網通訊的功耗需要重點考慮的是降低功耗消耗的主要部分：監聽功耗和睡眠功耗。

因此，我們在關注物聯網雙向實時/準實時的通訊時的功耗問題時，數據傳輸（Tx）功耗由于占比很小，對整體的通訊功耗的影響非常小，因此數據傳輸對于總體功耗的影響很小，不會有明顯的下降。

組網方式與覆蓋范圍

網關和終端都需要LaKi射頻SoC芯片。 一個網關，至少需要一顆LaKi射頻芯片，可分時作為接收（Rx）或者發送（Tx）；但一般需要兩顆及以上，1Tx+1 Rx； 也可以根據需要配置1 Tx + N Rx，這種配置取決于需要的網絡容量與響應速度。

千米電子已經為網關設計了一個最多有9個通道的轉接板，對于已有網關產品的合作伙伴，可以直接使用千米電子的轉接板（UART接口）和其網絡模組進行組合使用。

LAKI的功耗

LPWAN的三種主流技術NB-IoT、LoRa和Sigfox節電的機制類似， 都是通過大量的睡眠和少量的工作時間規劃來實現低功耗，而在終端睡眠時，網關是無法和終端進行任何通信的；NB-IoT和LoRa相比于Sigfox，帶寬增加了，而前兩者還能夠支持低時延通信，后者卻不能， 例如LoRa的Class C模式，NB-IoT的DRX模式，但在這樣的通訊模式下，終端的功耗非常高，需要接電源或者使用大容量電池。因此，LoRa和NB-IoT是無法同時實現低時延通訊和低功耗的， 決定了他們只能根據實際應用進行取舍。 可實際應用中，物聯網特別是智慧物聯網的多數應用是需要低時延的，也即雙向實時/準實時通訊，因此，NB-IoT和LoRa只能在少數對實時性沒有要求、數據量少且發送頻次低的應用場景里能夠有較低的總體成本。可見，雖然他們的建網成本比較低，但由于只適應少量的應用場景，導致網絡能夠承載的業務少，從而網絡的價值并不高。這也是國內自2016年開始大力推廣NB-IoT以來，人們預期的爆發卻并沒有到來的根本原因。

雙向實時通訊的睡眠功耗、工作功耗（發射TX功耗）和監聽功耗（RX功耗）的能耗比并不是固定的，因此在比較之前，我們需要首先設定一個數據通訊模型。

考慮到物聯網數據通訊的特點，在大多數的物聯網應用中，需要雙向實時通訊，一般來說，1秒內響應已經能夠滿足多數物聯網應用的實時要求；物聯網終端一般不需要頻繁傳輸數據，每天三十次已經是非常高的傳輸頻率。 因此我們設定如下的通訊模型： 一個終端每秒監聽一次（監聽RX），每天傳送三十次數據（發射TX）。

在這樣的模型下，LaKi可以做到一天中功耗消耗（根據LaKi模組的測試數據而來）：

監聽功耗：0.032mAh

發射功耗：0.00027mAh

睡眠功耗：0.024mAh

總功耗：0.05627mAh

監聽功耗：睡眠功耗：發射功耗 ≈120:90:1

如果每天發送10次數據的話， 那么監聽功耗：睡眠功耗：發射功耗 ≈360:270:1

如果每天發送3次數據的話， 那么監聽功耗：睡眠功耗：發射功耗 ≈1200:900:1

可見，在物聯網雙向實時通訊的情況下，功耗主要在監聽和睡眠功耗上，發射功耗（數據傳輸）占比非常小。

供應商A：LaKi

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

1、產品能力

主推型號1：LK2400A

對應的產品詳情介紹

LK2400A是由千米團隊根據物聯網無線通訊特點和LaKi無線通訊協議而定制開發的一款高集成度的射頻SoC芯片，采用中芯國際（SMIC）成熟工藝，是LaKi解決方案的重要組成部分——物理層（PHY）。 LK2400A集成了射頻（RF）、基帶（BB）、功率放大（PA）、32位CPU、電源管理（PMU）、實時時鐘（RTC）、AES128等功能， 支持多種主流接口。 數據傳輸采用密文方式，并支持硬件AES128加密，增強了數據安全性。

特性：

封裝尺寸：5mm*5mm（QFN封裝）

管腳數量：40pin

工作頻段：2.400GHz-2.528GHz

技術模型：GMSK、CSMA

接收靈敏度：<-118dBm@250kbps； <-102dBm@1Mbps

接收電流：<7.5mA

發射電流：<2.3mA@-10dBm ，<3.25mA@0dBm ，<4.5mA@4dBm ，<[email protected]

睡眠電流： ~1μA（8kbytes retention SRAM，可快速喚醒）

靜態用戶容量：無限制

并發用戶容量：大于2000個（單信道）

支持接口：6組I2C、4組SPI、1組UART和32個GPIO

電池壽命：非實時響應——超過10年； 實時響應——超過10年

網絡拓撲：星形（Star）、網狀網（Mesh）、中繼（Relay）

硬件參考設計

2、支撐

（1）技術產品

技術資料

https://rckrv97mzx.feishu.cn/wiki/XjijwB6NZixnBykjS0OcKPZfnjf?fromScene=spaceOverview

（如有侵權，聯系刪除）

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