【技术】LaKi：为解决物联网最大难题而生，实现广覆盖、低功耗和低时延

时间： 2023-08-01 来源：千米电子官网

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物联网行业最大的问题是什么？一言以蔽之就是物联网市场的“看得见、摸不着”。人们可以轻松看到物联网的巨大需求，深入人心的“万物互联”描绘了物联网普及后的美好世界，物联网市场显而易见可称得上巨无霸，远比互联网（包括移动互联网）市场庞大。但现实是，虽然有海量的需求，但大多数无法得到满足，而不能被满足的需求不是有效需求。

为什么大多数的物联网需求无法得到满足呢？我们可以很容易排除掉功能性原因，现有的网络技术几乎可以实现所有的物联网应用的功能。既然功能实现没有问题，那么就剩下投资回报的问题。物联网大多数应用的个体价值比较低，白话说就是人们愿意为了很多物联网应用支付的对价比较低，这就导致了很多物联网应用的投资回报很低，往往低到投资收益低于投资成本的程度，从市场的角度看，自然不会有人愿意投资。所以现阶段只有少量高价值物联网应用（投资成本高，但投资收益也大，能够产生正投资回报，例如一些工业互联网应用）、政府补贴类应用（非市场化）以及建网成本低廉的抄表类应用（虽然投资收益不大，但收益于LoRa、NB-IoT等LPWAN技术，投资成本更低，能够产生正投资回报）有比较好的发展，更多的物联网应用由于投资回报低而无法市场化。

因此，物联网行业最大的问题就是投资回报不足以让大量潜在需求变成有效需求。物联网的核心在于“联”，因此，“联”接部件是物联网应用中最重要的部件，显而易见，无线连接将是物联网“联”接中最主要的形式。千米电子正式从这个物联网行业中应用最广泛的部件着手，根据物联网应用的通讯特点，历经七年，成功研发了能够最大程度解决投资回报不足问题的LaKi超低功耗实时广域网技术。

LaKi，是英文Last Kilometer IoT Coverage（最后一公里物联网覆盖）中的前两个单词中的La和Ki的组合，读音和Lucky相同，顾名思义，这是一种专注于物联网最后一公里海量终端覆盖的物联网新无线通讯技术。

LaKi是目前唯一一个能够同时实现广覆盖、低功耗和低时延三大关键特性的无线通讯技术。这三大关键特性直接关系到决定物理网投资回报核心：广覆盖降低了网络成本，低功耗则降低了终端成本，这使得物联网的投资成本得到最大限度的降低；低时延则提升了网络的应用价值，这是提升投资收益的最关键手段。可见，同时满足这三大关键特性，就是从降低投资成本、提高投资收益上双管齐下，使得投资回报最大化。

---低时延则对于网络的应用适应性至关重要，什么是应用适应性？就是网络适合承载应用的种类、数量的多少，网络能够承载的应用种类越多、数量越多，我们说这个网络对应用的适应性越好。物联网应用种类繁多，对时延的要求也千差万别，高时延的网络可以轻松承载高时延应用，但高时延网络却无法承载高时延应用。LaKi的时延可低至毫秒级，且带宽高达1MHz，可很好地承载中低速物联网应用，而根据麦肯锡的物联网行业报告，物联网行业90%以上的应用是中低速应用，因此，我们可以说LaKi能够满足90%以上的物联网应用的连接需求，LaKi的网络应用价值非常高。

---低功耗是物联网通讯技术的非常重要的特性，因为物联网终端数量大，不能自我维护，很多地方不具备接电条件，因此无源或者低容量电池长期续航就非常必要，是终端低总体成本的必要保障。

---广覆盖包含了大用户处理能力（有时被称为并发容量）和长通讯距离，使得基站的覆盖范围很广、能够接入的有效终端数量更多，无疑会大幅降低网络成本。

但要让无线技术要同时实现三大关键特性，难度很大，这也是为何现阶段没有更多的技术能够做到的根本原因。为什么很难？我们简要地解释一下。

---广覆盖意味着长距离通讯和较高的带宽（否则用户处理能力不足），无线通讯的距离跟发射功率是正相关的，更远的通讯距离就意味着更大的功耗；较高的带宽则会引入更多的噪音，会降低信号传输过程中的信噪比（SNR），会降低有效通讯距离。因此，广覆盖和低功耗是矛盾的，并且广覆盖需要降低带宽。

---低时延通讯就意味着更多的工作时间，对于时分系统而言，低时延也意味着更高的带宽。更多的工作时间使得功耗增加，实现低功耗难度大；更高的带宽使得信噪比（SNR）降低从而降低了通讯距离，实现远距离通讯又成了难题。因此，低时延和低功耗是矛盾的，并且低时延也需要提高带宽。

可见，广覆盖和低时延都是低功耗的天敌。而对带宽来说，如果关注长距离通讯，则需要尽量降低带宽；如果关注低时延通讯，则需要尽量提升带宽。因此，通讯距离、带宽、功耗是技术设计和研发所必须要考虑的三个最关键参数。

市场上常见的物联网无线通讯技术都追求低功耗，这也是大多数物联网应用所必需的特性。在追求低功耗的前提下，这些技术根据其主要应用场景，对通讯距离和带宽这另外两个关键参数展开设计，因此出现了短距离通信技术如蓝牙、ZigBee等，长距离通讯技术如LoRa、NB-IoT、SigFox等。

蓝牙技术应用非常广泛，可以说是目前物联网应用的最主要无线技术，据说蓝牙的市场份额高达80%，主要是因为它的带宽比较高，达1MHz，因此可以获得比较低的通信时延；功耗也做到了极致，能够使用钮扣电池长期续航，但为了获得上述优势，蓝牙牺牲了通讯距离，只能通讯数米到数十米。ZigBee则把带宽降低到250KHz，距离上比蓝牙好一点，但为了保持低功耗也只能通讯一两百米。这些短距离技术的功耗足够低、带宽也足够，但通讯距离的限制使得他们只能小范围、小规模部署。从蓝牙能够获得普遍应用。

LoRa和NB-IoT则为了能够通讯足够长的距离而采用了低带宽（一般250kHz以内），一定程度上保障了较远的通讯距离，但这种提升依然无法满足低成本组网对通讯距离的极致追求，所以，实际应用中不得不把发射电流提高到数十到数百毫安以获得更远的通讯距离，动辄数十到数百毫安的工作电流表明他们已不是真正的低功耗技术，而又为了获得低功耗，不得不大幅降低工作时间，让物联网终端设备处于长时间的休眠之中，而设备在休眠时实际是离线的。SigFox更是根据其设计目标——抄表类应用——而把带宽设计到只有100Hz的程度。这些长距离技术虽然通讯距离足够长，使得网络部署成本比较低，但低带宽、长休眠却严重限制了应用的种类和终端的数量，使得网络只能适应少量的应用，只能承载少量终端，严重削弱了网络的价值。

正是因为这些市场上常见的无线通讯技术无法同时实现三大关键特性，物联网行业出现了一个很多人认可的通识：要想获得最好的投资回报，需要根据物联网应用场景来选择合适的无线技术，选择方法就是对三大关键特性的权衡取舍从而决定使用何种技术，这就必然无法获得最优的投资回报。

我们说LaKi很好地同时实现了广覆盖、低时延和低功耗这三大关键特性，可不是说说而已，而是通过LaKi已经量产的射频SoC芯片的实际测试结果得出的结论。下面列举用LaKi射频SoC制作的标准模组测试而得到的实际数据：

在车辆比较少的城市直道上，两个外接4.5dBi增益的胶棒天线的标准模组分别作为发射方和接收方，离地高度均在1.5米-2米之间, 发射方采用最大的发射功率5dBm（此时电流5.9mA）可以有效通讯，接收方可以在1.5公里以外接收到数据，实现有效通讯；在有效通讯距离1公里以上，监听周期1秒，每天发射30次200字节的通讯模型中，年功耗在30-60mAh（是NB-IoT或LoRa同等通讯情况下的数百分之一），可以用低容量钮扣电池实现长期续航。

LaKi射频SoC的带宽高达1MHz，数据速率最高达近1Mbps，共有64个信道，单信道每秒种可以处理2000个以上的终端数据，网络处理能力很强，也就是并发用户容量很大。

可见，LaKi的功耗、时延和带宽等堪比蓝牙，但同功率下的通讯距离却有近百倍的增加；覆盖能力堪比LoRa、NB-IoT，但低时延通讯下的远距离通讯功耗却降低了两到三个数量级！足见LaKi技术已经很好地实现了同时满足广覆盖、低功耗和低时延的三大关键特性。

同时满足三大关键特性也是物联网基础设施核心技术的必要条件，因此LaKi也可以作为建设物联网基础设施网络的核心技术。很多人认为泛在物联网是万物互联时代必需的基础设施，如何建成泛在物联网呢？LaKi提供了一个低成本的、快速的建设方案：

新建一张LaKi网络，用于承载90%以上的物联网应用，以获得最好的投资回报；利用现有的蜂窝移动网络（手机网络）承载剩下的应用，这类应用一般对速率的要求比较高，应用价值比较高，能够负担蜂窝网络较高的成本。这种组合基本就已经涵盖了几乎所有种类的物联网应用，且只需要新建LaKi一张网络。而LaKi网络的成本非常低，以上海为例，覆盖上海全域6340.5平方公里的LaKi网络最多只需要10000个基站，每个基站成本不超过1000元人民币，这样，只需要不超过1000万元的硬件成本就可以建成覆盖上海全域的泛在物联网。

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