1 概述

TurMass? 是全球首創的將大規模多天線技術用于窄帶無線傳輸并實現高并發海量接入性能的系統，基于免許可隨機接入大規模 MIMO 技術(mGFRA)，通過空分復用和波束成形極大地提升系統的接入容量、信號增益、抗干擾能力、覆蓋能力以及頻譜效率。

TurMass? 系統包含支持 mGFRA 技術的網關芯片、終端芯片以及 TurMass? Link 組網協議，可支持大容量、高并發的星型組網，還能擴展支持中繼及 Mesh網絡靈活拓展信號覆蓋。

TurMass? 系統主要參數如下：

表1.TurMass??核心技術指標

2 高性能調制技術

針對窄帶無線傳輸對于抗頻偏、低功耗、高Eb / N0性能的需求，TurMass? 基帶采用獨創的恒包絡差分相頻二維調制技術（CP-DPFSK），每個調制符號包含相位及頻率二維信息。與傳統的窄帶通信調制方式相比，CP-DPFSK 調制的優勢如下：

2.1 抗頻偏

CP-DPFSK 融合差分相位及頻率調制，兩種調制方式均具備較強的抗頻偏能力，能夠適應物聯網終端低成本晶振（典型：30ppm）及衛星物聯網等高動態場景。

2.2 恒包絡

CP-DPFSK 采用恒包絡技術，終端芯片射頻可采用非線性 PA，功耗顯著降低。

2.3 高Eb/N0性能

CP-DPFSK 具備接近 BPSK 的 Eb / N0 性能，優于 LoRa 所采用的 CSS 調制。

CP-DPFSK 與不同窄帶調制的 Eb / N0 性能對比如下，其中BPSK+Polar1/2 ML bound 代表 1 / 2 碼率下趨近香農極限的性能，可以看到 DPFSK 的性能優于 LoRa 的 CSS 調制，也優于傳統小無線采用的 FSK 調制。

圖1.CP-DPFSK?與不同窄帶調制的 Eb / N0 性能對比

3高效時隙雙工

圖2.TurMass? 物理幀時隙示意圖

TurMass? 采用 TDD 時隙雙工方式，時隙是物理幀最小單位，表示一個時間分片，分片長度可以調整。圖 2 是一種典型的物理幀結構，由1 個 BCN 時隙和 2 個 Data 時隙組成，Data 時隙可以用于數據接收或發送。終端在 BCN 時隙完成同步后，在 Data 時隙發送和接收數據。

圖 3 是一個典型的 2 個設備的收發示例，每個 slot 可以配置，語音一般是 20ms 的數據包，每個 slot 可以配置成所需的語音包長度大小，非常符合 TDD 模式的語音通訊功能。根據這些 slot 的配置，可以做到全雙工語音通訊及多人語音通訊對講方案

圖3.TurMass? 語音通訊應用時隙示意圖

TurMass? 高效時隙雙工優勢如下：

3.1 頻譜利用靈活

支持非對稱頻段分配，可高效利用零散頻段資源。

3.2 非對稱業務支持

通過調整上下行時隙比例，可動態適應互聯網等上下行流量差異大的業務需求。

3.3 設備復雜度與成本低

上下行共用射頻單元，無需收發隔離器，簡化網關硬件設計。

3.4 信道互異性優勢

上下行信道特性一致，在 TurMass? 多天線網關組網時，便于采用大規模 MIMO 等技術，提升網關信號處理效率。

4大容量多址接入

TurMass? 多址接入采用 mGFRA 技術，利用頻分和空分復用以支持大量用戶的并行隨機接入。

圖4.TurMass? 多址接入與傳統 LPWAN 技術對比

圖 4 從時間，空間及頻率的三個維度展示了 TurMass? 與傳統擴頻 LPWAN技術在數據包發送時的區別。可以顯著看到，在同一時間同一頻率（信道）TurMass? 支持多個數據包并行發送，而傳統擴頻 LPWAN 技術在同一時間同一頻率（信道）僅支持一個數據包發送。此外，在 MGFRA 技術的加持下，TurMass? 擁有更高的接收機靈敏度和數據速率，終端數據包發送時長更短。因此，高并發與數據包發送時間短，使得 TurMass? 與傳統擴頻 LPWAN 技術相比擁有巨大的容量優勢。

TurMass? 采用的 mGFRA 多址接入技術的優勢如下：

4.1 接入容量大

TurMass? 網關利用頻分和空分復用大幅提升接入容量，以典型 125kHz 帶寬為例，TurMass? 網關可支持 32 個 4kHz 帶寬終端同時隨機選擇頻率接入。若分配頻點，則可支持近百個 4kHz 帶寬終端同時接入。

4.2 信令交互少

TurMass? 終端無需過多信令交互，完成信標同步后，即可發起隨機接入，發送上行數據。

4.3 接入碰撞低

TurMass? 網關能夠利用波束成形對頻率重疊在一起的用戶數據信號進行解調和數據恢復，大幅降低接入碰撞。

以實際應用為例，設定業務模型為終端單次發送數據量為 40bytes，通信速率為 2kbps，PER 不高于 5%，高頻業務終端 5 分鐘發射一次，中頻業務終端每 1 小時發射一次，低頻業務終端每 12 小時發射一次。

表2.TurMass? 與其他 LPWAN 技術容量對比表

5低功耗

在物聯網應用中，低功耗主要取決于三個方面：第一是數據傳輸開銷；第二是芯片低功耗設計及收發電流性能；第三是低功耗喚醒設計。下面將從以上三個方面，說明 TurMass? 技術在低功耗方面的優勢。

5.1 數據傳輸開銷

信令交互少：TurMass? 終端采用 mGFRA 技術接入網絡，無需多余數據交互，減少功耗；

通信速率高：TurMass? 網關采用大規模 MIMO 技術提升接收信號增益，在相同傳輸距離下，終端傳輸速率約是 LoRa 的6 倍，終端發射時間短，減少功耗。

表3.TurMass??與 LoRa 功耗對比

可以看到，在相同的傳輸距離，傳輸相同的數據量時，TurMass?網絡中終端的能耗開銷約是 LoRa 的 1/4。

5.2 低功耗 IC 設計

TurMass? 終端芯片采用低功耗 ScC 及 PMU 設計，支持不同工作模式下的供電，并保證各個模式下最優化的設計，從而降低功耗。

5.3低功耗喚醒

TurMass? 終端支持多種低功耗喚醒模式：無線喚醒、I/O 喚醒和定時喚醒。

圖5.無線喚醒低功耗模式示意圖

無線喚醒模式的網絡節點（如網關、Mesh 協調節點等）可發送特定喚醒信號，讓遠端休眠節點在接收到喚醒信號后執行喚醒流程，隨后開始數據收發流程。

得益于其數據傳輸時間短、交互少的特點，結合低功耗 IC 設計和靈活的喚醒機制，TurMass? 技術在低功耗方面具備顯著綜合優勢。

6抗干擾

6.1 干擾抑制

TurMass? TKG-800 網關能夠對工作信道內的頻譜進行感知，8 天線提供更高的空間分辨率，可區分更多用戶和干擾源，基于波束成形對干擾信號進行抑制并對接收信號進行增強，可使信干噪比（SINR）提升約10-15 dB。

圖6.TurMass? 信號增強和干擾抑制示意圖?

6.2 自學習跳頻

TurMass? 終端支持數據包間跳頻，并能夠基于信道質量自學習，收斂到信道質量最好的頻帶通信，跳頻可用信道數量超300個，可提供超24dB抗干擾容限。

圖7.TurMass? 自學習跳頻示意圖?

6.3 載波偵聽及避讓

TurMass?Link 協議支持終端可配置沖突避免 CSMA/CA 策略，進一步避免數據包沖突以及干擾。

圖8.TurMass? CSMA/CA 示意圖?

7組網

TurMass? Link 的組網架構包括以下三種：

7.1 星型網絡

中心（網關）式組網，所有設備直接與中心節點通信；

支持單網關和多網關部署；

支持多通道網關和多天線網關。

圖9.TurMass? Link 星型網絡拓撲示意圖

7.2 樹型網絡

以根節點為核心，設備按照父子關系層次化組織；

支持中繼，子節點通過父節點與根節點通信。

圖10.TurMass? Link 樹型網絡拓撲示意圖

7.3 Mesh 網絡

支持樹型拓撲、網狀拓撲和混合型拓撲；

支持多跳路由轉發進行通信。

圖11.TurMass? Link Mesh 網絡（混合型）拓撲示意圖

8TurMass?產品組成

圖12.TurMass? 產品組網典型架構

TurMass? 產品組網典型架構如圖 14 所示，其中 TurMass? 系統產品主要包含終端芯片、中繼、無線網關以及網絡服務器。

表4.TK8620、TK8622 無線終端 SoC

表5.TKG-800 多天線網關

9結語

TurMass? 技術憑借其在大規模多天線技術、高性能調制技術、高效時隙雙工、大容量多址接入、低功耗設計以及強大的抗干擾能力等多方面的卓越表現，為窄帶無線傳輸領域帶來了革命性的變革。

從星型網絡到樹型網絡，再到靈活的 Mesh 網絡，TurMass? Link 組網架構的多樣性使其能夠滿足各種復雜場景下的通信需求。而終端芯片、中繼、無線網關以及網絡服務器等產品組成的完整系統，更是為 TurMass? 技術的實際應用提供了堅實的硬件基礎。

隨著物聯網的快速發展，TurMass? 技術無疑將在智慧園區、智慧城市、工業物聯網、智慧農業、語音對講等眾多領域發揮重要作用，為實現萬物互聯的未來貢獻關鍵力量。