-TurMass SoC设计与测试
陈宏铭1，王超1，沈皓哲1，高海军1，张克非2，李文钧1
1.杭州电子科技大学；
2.上海道生物联技术有限公司
摘要：本文介绍了NB-IoT与LoRa等低功率广域网络技术在已经实施的项目中出现终端功耗过高、接入容量过低、网络可靠性不足等方面的问题。并提出了融合mMIMO和长距离窄带传输，以免许可mMIMO随机接入（mGFRA）技术为核心的TurMass技术及其在提升接入容量的特点。基于TurMass技术SoC芯片的模块化设计整合了射频电路与数字基带SoC，所设计的射频芯片通过55nm RFCMOS工艺进行流片验证。点对点测试与系统测试结果表明，芯片发射端的信道发射功率21.5dBm，减去接收灵敏度-140.7dBm的链路预算为162.2dBm，表示可以容忍的最大路径损耗，具有无线网络覆盖较远的特点，并且完成测试确认没有丢包的情况发生。 关键词：低功率广域网络；大规模多天线；片上系统
Design and testing of TurMass SoC with mMIMO-based
LPWAN Technology
CHEN Hong-ming1,WANG Chao1,SHEN Hao-zhe1,GAO Hai-jun1,ZHANG Ke-fei2,LI Wen-jun1
1.School of Electronics and Information Engineering,Hangzhou Dianzi University;
2.Shanghai Taolink Technologies Corporation
Abstract:This paper introduces the problems of LPWAN technologies such as NB-IoT and LoRa in the implemented projects,including terminal power consumption is too high,low access capacity,lack of network reliability,etc.Tur-Mass technology integrates MIMO and long-distance narrow-band transmission and Grant-Free Random Access with massive MIMO（mGFRA）technologies and its characteristics in improving access capacity.The modular design of SoC chip based on TurMass technology integrates RF circuit and digital baseband SoC.The designed RF chip was
validated by55nm RFCMOS process.The results of point-to-point test and system test show that the link budget of transmitting power21.5dbm minus receiving sensitivity-140.7dbm is162.2dbm,which means the maximum path loss that can be tolerated,along with the characteristic of long range wireless network coverage and complete the test to confirm that there is no packet loss.
Keywords:LPWAN;Massive MIMO;SoC
引言
物联网的本质是物体状态信息的感知、传输、应用和控制。信息具有很高的价值，而且信息的获取需要成本。降低信息获取的成本，特别是信息的感知和传输成本的降低和信息价值的上升是物联网发展的驱动力。最近几年，以LPWAN为代表的无线传输技术显著降低了信息的感知和传输成本，扩展了物联网的范围，使物联网进入了人们生活的方方面面，并且改变和影响着我们的日常生活。LPWAN指具有低功耗、低成本、传输距离远、支持海量终端的无线通信技术。典型的技术指标包括：低功耗：一节电池实现10年的工作时间；低成本：模块的价格低于2美元；传输距离远，一般要求在农村地区达到10~40千米，在城市达到1~5千米；支持海量终端，每个支持5万个以上的终端。 在无线抄表（水表，煤气表，电表）、家庭安全、智慧消防、智慧停车、智慧城市与智慧社区等领域大量的物联网应用需要低功耗、低成本、深度覆盖的无线传输技术。LPWAN技术能够实现电池供电、
海量的分散设备接入物联网。LPWAN技术使得终端设备成本、网络建设成本、项目运营维护成本都大幅度降低，使得物联网项目在技术上和经济上变得可行。 1新一代国产LPWAN技术
-TurMass TM
1.1现有LPWAN技术存在的问题
目前代表性的LPWAN技术有NB-IoT[1]，LoRa[2]等，这些技术在已经实施的项目中逐步暴露出终端功耗、接入容量、网络可靠性等方面的诸多问题。
1.1.1复杂场景下低功耗的不稳定
现有的LPWAN技术在低功耗方面采用了很多技术，在理想的情况下确实实现了非常低的工作功耗。使用这些LPWAN技术的产品在低功耗也存在一些缺陷，比如在不同的信号质量下，功耗相差10倍甚至更多，这给项目运营维护带来巨大的不确定性。
以LoRaWAN为例，17字节的有效载荷（Pay-load），采用扩频因子（Spreading Factor）SF=7和SF=12发射，发射时间相差30倍，而且功耗相差30倍以上。在同一个项目中，由于设备处于不同的位
置，无线信号覆盖状态不同，进而造成设备的电池寿命不同。这种结果使得项目后期的运营维护成本非常高而且不可控，为LPWAN项目埋下隐患，极大影响LPWAN技术的大规模应用。
1.1.2网络容量的不足
目前LPWAN技术在理想情况下，单网关的理论网络容量都可以支撑到上万个设备。但是在实际场景中信号质量比较差，导致数据发射时间更长，设备接入数量会减少。同时多种LPWAN理论模型都是假设设备数据是随机发送，实际场景中LPWAN 的业务突发性很强，用户集中在某个特定的时间段，同时收发数据，这都会显著降低网络容量。 以当前物联网应用较多的LoRaWAN为例子，LoRaWAN采用ALOHA随机接入方式。在大城市环境下，由于遮挡和多径衰减，设备只能采用SF=11或12传输，以SF=11和SF=12的比例分别为30%和70%计算，8个通道每天可以传输包长度为
17Byte的消息总数量大约为27260个。以每个设备每天上报10条消息计算，理论上一个网关的设备容量为2726个。这个容量值大大低于中国大城市中规模应用后实际需要的设备数量。
1.1.3网络部署成本高
城区的人口密度高，所需要的物联网终端设备密度高。城区的建筑密度高，导致物联网设备部署的位置处于无线信号难以覆盖的地方，比如半地下室的消防设备，水表等。
目前代表性的LoRa和NB-IoT由于缺少低成本和快速的补点方案，实现完全的覆盖需要部署大量的网关。对于非运营商技术来讲，部署网关需要电源和设备安装位置，协调相关方的工作难度大，设备和施工的成本高，许多广域物联网项目难以承担。
1.1.4网络流量和布网成本高信道估计
中国市场中运营商集中招标和补贴使得LPWAN模组和终端快速增加，并应用到多个行业，对LPWAN的宣传和市场推广起到了良好的促进作用。在运营商的补贴政策取消或降低之后，只有高价值的终端设备可以支付运营商的流量费用，大量中低价值的物联网设备将难以支付流量费用。
缺少低成本和方便的中继方案，建设覆盖实际场景的网络的设备和施工成本高，超过许多广域物联网项目的承受范围。
1.1.5维护和升级成本高
因为LoRaWAN和NB-IoT的数据传输速率过低、错误率高以及功耗太大等因素，导致无法实现移动终端的空中下载软件升级（Firmware Over-The -Air，FOTA）功能。如果无法实现FOTA的功能，将使
得设备的升级和维护只能在现场进行，维护和升级成本大幅提高。
1.2TurMass的技术特点
图1是TurMass技术系统架构和组成。TurMass 技术创造性地融合了mMIMO和长距离窄带传输。以免许可mMIMO随机接入（mGFRA）技术为核心，在不需要复杂的冲突解决机制情况下，能实现多个终端同时、并发地向网关发送数据包。还能有效提升接收灵敏度，达到同时满足高负荷、高容量、高可靠、低开销、低延迟和低功耗要求[3-6]。表1是TurMass系统基本规格，和现有的LPWAN技术相比，具有明显的技术优势。
1.2.1大规模多天线
TurMass系统的大规模多天线技术在网关端实现，这种设计方案既可以充分发挥大规模多天线的技术优势。通过网关的技术复杂度，降低终端的设计复杂度和功耗。TurMass网关可采用8到32根天
线收发信号，8天线为典型配置。网关采用高性能数字
表1TurMass系统基本规格
图1TurMass技术系统架构和组成
信号处理算法恢复多个终端并发传输的数据包，包括终端的检测、终端的信道估计、多终端mMIMO 波束成型和针对每个活跃终端的信号编码/解码和调制/解调等信号处理。
1.2.2免许可mMIMO 随机接入（mGFRA ）TurMass 技术的核心是一种免许可mMIMO 随机接入技术。这里的免许可是指进行随机接入的终端，无需与网关进行的复杂的信令交互获取接入许可，而是在有数据包传输需求的时候直接发送数据包。
每个随机接入终端都从一个正交导频池中随机选择一个导频序列进行发送，当导频池足够大的时候，随机选择所产生的导频冲突可忽略。网关可以高效导频检测和信道估计，发现所有发送数据包的终端，并完成对这些终端的信道状态估计。
1.2.3灵活的组网架构
采用TurMass 物理层技术的无线终端，具备频谱感知、跳频与多速率通信的能力。功能灵活，可以支持星形组网，小规模组网和自组网等多种组网方式。
2基于TurMass TM 技术的SoC 设计
无线物联网芯片是一款数模混合低功耗SoC 芯片。如图2所示，SoC 芯片由射频电路（A ）和数字基带SoC （B ）组成。射频电路（A ）是射频前端设计负责射频收发、模拟调制与电源。数字基带SoC （B ）是数字基带SoC 负责基带信号处理和协议应用，用于实现LPWAN 的无线数据收发，以及各种传感器数据采集的应用。
数字基带SoC （B ）由基带处理单元（Baseband Unit ，BBU ）、处理器单元0（MCU sub-system Unit ，MSU0）、处理器单元1（MSU1）和电源控制单元
（Power Management Unit ，PMU ）四个部分。MSU0和
MSU1均由低功耗MCU 小系统组成，
其中MSU0和BBU 共同负责物理层和链路层协议处理，MSU1主要负责应用处理，可对外提供SPI 、I2C 、UART 、ADC 、DAC 、GPIO 等各种丰富的外围接口IP ，用于传感器数据采集和应用。图3说明TurMass SoC 的数据通道，MSU0与MSU1采用松耦合的方式，通过UART 接口来进行通信。PMU
主要负责芯片的电源、时钟、休眠和复位等功
能。
基带处理
单
元如图4所示，基带处理顶层（BB_TOP ）分成两个模块，
物理层顶层（PHY_TOP ）图2TurMass SoC 芯片框图
图3TurMass SoC 的数据通道
图4基带处理单元顶层结构
图5AHB 总线读写时序
（b ）AHB 总线读时序（a ）AHB 总线写时序
包含所有发送接收有关的模块，媒体介入控制顶层（MAC_TOP ）包含定时器/时隙控制，发射与接收的RAM ，以及发射数据的产生。基带处理顶层包括如下模块：
（1）RX_ADC_IF.处理有关ADC 进入的数据格式转化、跨时钟、大小放缩与时钟相位翻转等功能。输出是和接收系统时钟相同，带数据的valid 有效信号。
（2）RX_AGC.通过调整射频的增益调节接收能量。
（3）RX_FE.将输入的中频过采样信号，转化成符号率整数倍的零中频信号。
（4）RX_DS_FLT.数字滤波以及下采样。它将提供各种不同采样率的信号给其他模块。
（5）RX_BCN.Beacon 搜索模块，负责帧同步和频偏估计。
（6）DAGC3.为RX_BCN 调整输入数据大小。（7）RX_DEMOD.负责每一个数据包解调模块，并把信号按照头截好输出给BUFF 。
（8）DAGC2.为RX_DEMOD 调整输入数据大小。
媒体介入控制顶层包括如下模块：
（1）Mac_timer 一组计数器，可以给出帧头，上行时隙头，下行时隙头，等系统所需头的指示信号。
（2）Mac_trx_fsm 根据时隙信息和物理层的解调信息，调整所有模块接口的切换和使能。
（3）Rx/tx spsram0/1，四个RAM 块，分别对应发射/接收的乒乓RAM 。
（4）Mac_spi_ctrl ，面对射频的SPI 接口模块，受MSU0和AGC 控制，配置射频寄存器。
（5）Buff_if，是RAM 到AHB lite 总线的接口转换。
Buff_if 模块是媒体介入控制顶层里面RAM 到AHB lite 总线的接口转换。媒体介入控制顶层内共有4块SRAM ，每块的大小均为16384x24，包括2块发射乒乓RAM 和2块接收乒乓RAM 。4块RAM 均通过Buff_if 模块挂在AHB 总线上供MSU0访问。mac_trx_fsm 负责读取发射乒乓RAM 的数据送给物理层的发射端，并把物理层接收
端送来的数据存到接收乒乓RAM 。图5的读写时序说明能在AHB 总线上正确读写地址跟数据。
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