标签: 无线通信

引言 在无线通信与数据网络的性能评估中， 吞吐量 （Throughput）常常被视为最直观、最核心的指标之一。随着蜂窝通信和车联网、物联网等应用的不断发展，工程师们不仅关注最终用户感受到的业务速率，也需要深入理解协议栈不同层级的 数据传输效率 。 无论是在基站、终端，还是网络设备的测试中，吞吐量都可以直接反映数据传输效率指标。然而，需要注意的是，吞吐量并不是单一维度的概念，它 在MAC层与IP层存在差异 ：前者更接近底层的物理与链路特性，体现了无线接入链路的最大承载能力；后者则贴近用户实际体验，受到协议栈处理、业务类型及应用场景的综合影响。 在实际测试中，MAC层与IP层吞吐量往往会出现差异，这种差异来源于多方面的因素。首先，测试层级的不同决定了统计口径的差别：MAC层吞吐量更侧重于 无线链路物理层与链路层的效率 ，例如调制解调方式、信道带宽、MCS等级等都会直接影响结果；而IP层吞吐量则受制于上层协议栈的处理开销和应用层数据特性，例如TCP拥塞控制、UDP传输效率，以及业务流量模型等。其次，测试工具与方法的差异也会带来偏差，例如采用基站模拟器、流量发生器或其他应用软件时，得到的数值可能会有显著不同。 最后，网络环境与测试场景的不同，例如弱网条件、干扰情况等也会进一步放大MAC层与IP层吞吐量之间的差距。因此，有效理解这两个吞吐量的定义和差异，不仅有助于我们准确评估网络性能，也为优化系统设计、提升用户体验提供了关键参考。 MAC层吞吐量 1. 定义 MAC层吞吐量是指在无线接入网中，从基站侧测量的、在特定时间窗口内通过空口 成功传输的用户面数据总量 对应的速率。它统计的是 物理层完成调制解调后 ，由MAC层调度并 成功传输的有效数据 。该指标直接反映了基站调度器为终端分配无线资源块（RB）的效率与能力，是衡量 空口数据传输性能 和小区的 系统处理能力 的关键指标。 2 特点 **接近链路层极限**：MAC吞吐量受调制编码方式（MCS）、调度策略、无线信道条件等因素影响，通常能够反映设备在理想情况下可达到的最大速率。 敏感于无线环境：信噪比（SNR）、干扰水平、多径衰落等会直接影响MAC层速率。例如，在弱网测试中随着衰减器引入的信号强度下降，MAC层吞吐量会明显降低。 反映基站调度策略：不同调度算法（如轮询、按优先级、按信道质量分配）会导致MAC层吞吐量差异。 3 场景分析 **基站与终端性能验证：**在实验室中，测试工程师可以通过基站模拟器观测MAC层吞吐量，验证设备在特定信道条件下的调制解调能力和最大承载能力。 **弱网环境测试**：在模拟弱信号场景时MAC层吞吐量能揭示链路受损程度，为优化算法或硬件设计提供依据。 **协议栈问题定位**：当发现IP层吞吐量异常时，可通过对比MAC层吞吐量来判断问题出在MAC层还是IP层。 IP层吞吐量 1 . 定义 IP层吞吐量是指在终端或核心网侧测量的、在特定时间窗口内 成功传输的IP数据包的速率 ，即实际能够传输到应用侧的数据速率。不同于MAC层吞吐量主要聚焦于链路承载能力，IP层吞吐量更多关注的是数据在协议处理、封装、网络转发和传输中的效率。 2 . 特点 **更贴近用户体验**：IP层吞吐量直接关系到上层应用的速率表现，例如网页加载、视频播放、下载速率等。 **敏感于网络状态**：如丢包、时延、重传等问题，会直接导致IP层吞吐量下降，因此它比MAC层更能体现端到端性能差异。 **跨层依赖性强：**IP层吞吐量受到物理层、MAC层调度策略，以及核心网、传输网等多方面的综合影响。 3 . 场景分析 **用户体验验证**：通过IP层吞吐量观测，可以判断用户是否能够获得运营商承诺的下载/上传速率。 **弱网仿真与业务测试**：在弱网条件下，IP层吞吐量往往能够更真实地反映业务质量，从而为视频流媒体、在线游戏、车联网等应用提供测试参考。 **端到端性能评估**：IP吞吐量是贯穿整个网络路径（从终端应用、经过空口、基站、核心网到互联网服务器）的最终有效数据速率。 两者对比 德思特ALifecom基站模拟器 的吞吐量观测 在无线网络测试中，单独观察IP层吞吐量或MAC层吞吐量都无法全面反映系统性能。IP层吞吐量虽然贴近用户体验，但可能掩盖底层链路存在的性能问题；MAC层吞吐量则能直接反映空口调度与无线链路效率，但无法体现协议栈和应用层对业务速率的影响。因此， 同时观测这两种吞吐量可形成从链路能力到最终用户体验的完整视图。 德思特ALifecom基站模拟器可同时监测MAC层和IP层的吞吐量，因此建立了“理论能力—协议损耗—实际体验”的映射关系。若MAC层吞吐量与IP层吞吐量差距过大，说明问题出现在协议栈或网络传输环节；若两者接近，说明链路传输与上层协议匹配良好。这样的多维度对比，不仅能够提高问题定位效率，也为弱网环境仿真、终端性能评测以及运营商网络优化提供了有力工具。 上位机软件读取的MAC Throughput iPerf软件读取的IP Throughput 【注：此处展示的是单台电脑直连时的IP吞吐量，故速率较高】 相关产品 德思特ALifecom基站模拟器是从4G LTE 到5G NR/NTN的全方位测试平台，高度集成gNB/eNB与5GC/EPC核心网，专为移动终端、物联网和非地面网络通信提供精准验证。 **全协议覆盖**：兼容4G LTE 到5G NR（FR1,FR2）及NR-NTN **高效率测试**：单台设备支持DL 4×4 MIMO与多达16台DUT的并发连接 **高度集成：**内建gNB、eNB与AMF/SMF/UPF等核心网络功能，模拟真实商用网络

众所周知，在物联网无线通信领域中，LoRa模块具备着运行功耗低、传输距离远、抗干扰能力强等技术特性，可有效解决低功耗广域网（LPWAN）中设备续航短、偏远场景信号覆盖弱、复杂环境（如工业厂区、城市建筑群）通信易受干扰等问题，是智慧农业、智慧城市、工业物联网等领域的通信基础设施之一。 例如，华普微自主研发的RFM95就是一款采用先进数模混合设计，基于独创自适应速率算法，支持多频段、多调制方式（LoRa、（G）FSK、（G）MSK、OOK）的LoRa SPI模块；它不仅能有效提升物联网设备的无线通信链路性能，还能覆盖从远距离、低速率到中短距离、中高速率的通信场景，且电流功耗显著低于行业内其他装置。 RFM95的核心优势在于通过164dB的最大链路预算实现了行业领先的通信距离——这一性能源于+20dBm（100mW）的恒定射频输出功率与低至-144dBm的接收灵敏度的结合，在采取LoRa调制的方式下，可实现对“距离、抗干扰、功耗”三角权衡问题的突破，即使在复杂环境下也能确保无线信号的稳定传输。 RFM95，如何平衡功耗、速率与距离？ 如下图所示，RFM95是一个半双工、低中频的无线射频收发器，它内置了标准频移键控（FSK）调制解调器与远距离扩频（LoRa™）调制解调器，可支持用户根据实际需求，灵活选用/切换OOK、FSK、LoRa等多种信号调制方式。 简化功能框图 其中，LoRa™调制解调器使用了扩频调制和前向纠错技术，与传统的基于FSK或OOK的调制方式相比，增加了无线电通信链路的距离和鲁棒性；扩频因子和纠错率是设计变量，允许设计者优化占用带宽、数据速率、链路预算改进和抗干扰性之间的权衡。 LoRa™调制解调器的另一个重要特性是其增强的抗干扰性，它能够实现高达25 dB的同信道GMSK抑制；这种抗干扰性允许LoRa™调制系统在频谱使用密集的频段中或在混合通信网络中简单共存，当传统调制方案失败时，可使用LoRa™来扩展范围。 需要注意的是，不同调制方式在关键性能维度上差异显著：例如LoRa侧重远距离传输与低功耗，FSK在数据速率上更具优势，OOK则以结构简单、成本低为特点，三者在传输距离、数据速率、功耗水平及实现复杂度上形成明确区分。 这种多模式支持能力，让RFM95可覆盖从简易场景（如短距离低速率数据传输）到复杂场景（如远距离低功耗物联网通信）的通信需求，并有效规避了单一调制技术在应用场景上的局限性，显著提升了模块的适配性与实用性。 RFM95，LPWAN中的高效通信方案 值得一提的是，由于RFM95接收电流低至10.3mA，睡眠模式下寄存器保持电流低至200nA，并集成了+14dBm高效率PA，可在确保通信距离的同时显著降低运行能耗，尤其适合电池供电的物联网终端（如无线传感器、自动抄表系统），可大幅延长设备续航周期。 此外，RFM95还具备着强大的抗干扰能力，它前端IIP3（三阶输入截取点）可达-12.5dBm，抗阻塞能力优异，再叠加LoRa调制技术在选择性和抗阻塞方面的先天优势，可在强干扰环境下稳定工作，解决传统调制技术中信号易受同频干扰影响的问题。 RFM95还内置了256字节数据包引擎，支持CRC校验、前导码检测和位同步，配合自动射频感应（CAD）与快速自动频率校正（AFC）功能，可进一步提升IoT设备的通信稳定性与数据传输准确性。 而在兼容性方面，RFM95支持WMBus、IEEE 802.15.4g等多标准协议，并针对868MHz、915MHz等ISM频段进行了专项调校，可满足不同地区的regulatory要求；另外，RFM95还集成了温度传感器，可实时监控模块的工作状态，便于系统功耗管理与故障诊断。 通过融合超远通信距离、低功耗设计、灵活调制模式与高可靠性，RFM95可为低功耗广域网（LPWAN）设备提供兼顾性能与实用性的无线通信解决方案，是连接物理世界与数字平台的关键桥梁之一。

双向二线制的I2C同步串行总线仅需两根线（数据线SDA、时钟线SCL）即可在一个主机与多个从机（一主多从）或多个主机与多个从机（多主多从）之间进行快速、可靠的数据交互，支持互连多个设备，实现多种数据的传输，具有电路设计简单、成本可控与易于实现等优势，已被广泛应用于板内或板间IC之间的短距离通信场合中。 I2C总线结构示意图 通常，在采用I2C总线通讯的板内电路中，各功能IC一般共享同一电源系统且走线距离极短，因此地电位差极小，不存在板间通信常见的接地环路与噪声干扰等问题，亦不需要进行电气隔离。 然而，无论是板内还是板间电路，当I2C总线中要进行通信的节点落在不同等级的电压域中时，则需要添加电气隔离措施把I2C主机与一个或多个从机隔离开来，以增强总线的抗干扰能力，解决噪声、接地与安全等问题，并同时满足行业的安规要求。 I2C总线通信中，电气隔离优势有哪些？ 例如，在一些系统功能复杂、存在不同电压域、需要多个独立模块的嵌入式系统中，主控处理器需实时与系统中的传感器、EEPROM存储器与驱动器等多个独立模块进行I2C板间通信。 而在对主控处理器与独立模块间采取电气隔离措施后，不仅能隔断外部功率器件开关过程中所产生的噪声传导路径，提升传感器采样精度，还能消除接地环路引起的接地环流，增强系统容错能力，实现电路的热插拔应用，从而显著提升多模块协同工作场景下的数据传输完整性与系统运行安全性。 此外，在采用I2C总线的板内通信系统中，传感器在采集温度、电流等微弱信号时，若是存在高精度的ADC/DAC转换器，为避免电源串扰及微处理器噪声对高精度模拟电路产生干扰，亦需在微处理器和高精度ADC/DAC转换器之间采取电气隔离措施，以避免对系统的测量精度造成影响。 CMT810X，高可靠性双向I2C数字隔离器 I2C数字隔离器作为一种专用于隔离I2C总线通信的集成电路器件，其核心价值是确保I2C协议兼容性与信号完整性的前提下，实现两个电气系统之间的电气隔离，阻断它们之间的直接电流通路，同时保证I2C通信信号（时钟SCL和数据SDA）的正常传输。 例如，华普微自主研发的CMT810x就是一系列基于电容式隔离栅技术的高可靠性双向I2C数字隔离器，如下图所示，它们外围电路简单，只需要双端电源供电及在I2C通信引脚连接上拉电阻满足芯片的开漏驱动即可实现对I2C总线的隔离。 CMT810x系列I2C数字隔离器为符合AEC-Q100 标准，UL1577安规，支持多种电气隔离耐压（3.75 kVrms、5 kVrms）；同时能在低功耗条件下提供高电磁抗扰度和低辐射的性能。 CMT810X系列I2C数字隔离器的I2C时钟高达2MHz，共模瞬态抗扰度 (CMTI) 高达150kV/us。CMT810X系列器件的宽电源电压支持直接连接大多数数字接口，平稳实现电平转换。其高系统级EMC性能还能增强设备的可靠性和稳定性。 CMT810X系列器件内部的I2C接口被分成两个单向通道，每个通道通过一个专用的电容隔离通道在相反的方向上进行通信。数字信号由发射端内部振荡器产生的射频载波进行调制，而后通过电容隔离栅传输并在接收器侧解调。 如上图所示，CMT8100N/WH是用于时钟和数据线的高可靠性双通道双向隔离器；CMT8101N/WH为具有双向数据和单向时钟通道的隔离器。 CMT8100N/WH适用于多主机应用，而CMT8101N/WH适用于单主机应用。 CMT810X系列器件的Side2逻辑电平为标准I2C值，两侧最大负载≤400pF。因此，通过Side2引脚连接到总线的多个CMT810X设备可以相互通信，也可与其他I2C兼容设备进行通信。 CMT810X系列器件的Side1逻辑电平不是I2C标准值。CMT810X的输出低电平为650mV，而低电平输出电压到高电平输入电压的阈值为50mV，这样可以防止Side1的输出逻辑低电平被传输回Side2并拉低I2C总线。 展望未来，随着工业通信与物联网产业的快速发展，I2C数字隔离器作为保障I2C总线通信质量及其安全运行的重要元器件之一，将会朝着更高集成度、更高可靠性与更优性能的方向持续演进，并迎来更加广阔的发展空间。

万物互联时代背景下，随着传感器与无线通信技术的融合发展，不论是昼夜运转的工业器件，还是功能各异的电子设备都被赋予了向外“沟通”的能力，越来越多的它们正通过无线链路实现数据交互，并就此形成了无数个在覆盖范围、网络拓扑、沟通频率、交互速率与节点数量等通信参数存在差异的无线局域网络。 在这些无线局域网络中，以LoRaWAN、Wi-SUN与Zigbee等协议为代表的成熟方案已在自动抄表、公用事业与智能家居等领域中被广泛采用。然而，由于这些协议本身具备较高复杂度且需要一定硬件资源与设施成本，并不能满足一些节点规模较小与对成本要求较高的组网需求，因此市场中亟需一种兼具基础通信能力与轻量化组网特性的解决方案。 RFM23A020，轻量化组网方案的高效硬件基础 华普微作为国内Sub-GHz无线射频自研芯片领域的先行者，已在无线通信领域耕耘二十余载，其自主研发的RFM23A020就是一款具备轻量化组网特性、易于部署与易于维护的SoC射频收发模块，可有效填补市场中低功耗、轻量化组网方案的空白。 如下图所示，RFM23A020支持构建一个Sub-GHz频段下的无线数据双向通信网络，该网络基于Connect私有协议，可由一个中心节点和若干个中继节点及终端节点组成星型网络或扩展星型网络拓扑；其中，中心节点负责网络子节点地址分配和管理，最多可支持64个子节点加入网络；中继节点负责扩展网络覆盖范围，最多支持32个子节点加入网络；终端节点则可分为普通终端节点和支持低功耗的休眠节点。 RFM23A020网络拓扑示意图 集成RFM23A020模块的设备在进行数据收发操作或创建、加入、离开网络时可通过串口（TXD/RXD引脚）查看或输入相应的AT指令实现，无需编程、极易部署。在网络成功部署后，已与中心节点组网成功的子节点还会自动储存连接信息，在下一次开机时会自动与中心节点进行组网，方便快捷。 RFM23A020无线组网演示方案示意图 此外，子节点在接入网络时还可根据实际需求被配置为“工作”模式或“休眠”模式。“工作”模式下，子节点会保持活跃状态，与控制中心进行实时的双向通信，适用于烟雾报警器、气象监测站及其他需要持续监控的组网场景。 “休眠”模式下，子节点会按照设定好的上报时间，根据自身所拥有的感知功能定期向中心节点传输温度、气压与距离等数据信息，且子节点只有向控制中心进行传输时才会被短暂唤醒，其余时间则保持着休眠状态，可极大地提升子节点的电池寿命。 RFM23A020的通信效果有多能打？ 值得一提的是，除上述Extended Star Mode外，RFM23A020还支持Direct Mode和MAC Mode两种组网方案，不仅适合应用在多节点、需集中管控的组网场合中（由中心节点统一调度设备间的通信路径），还适合应用在简单的直连场景（无需路由，少量节点直接通信）及其低功耗的自组织网络中（利用802.15.4的MAC层实现简单交互），极具灵活性。 RFM23A020通信模式示意图 此外，为充分验证RFM23A020的无线通信性能，华普微还在通信距离为1.3公里的户外环境下进行了实地测试，结果显示其通信效果稳定可靠。（测试条件：工作电压3.3V，温度25℃，湿度74%，晶振频率39MHz，工作频率915MHZ，调制模式OQPSK，速率9.6kbps。天线为胶棒天线，增益3dBi。） RFM23A020通信距离实测效果 展望未来，随着轻量化组网方案的持续应用，它将有望通过降低设备网络的部署门槛与运维成本，加速物联网无线通信技术向小型工厂与民生服务等领域渗透，加速万物互联时代的到来。

什么是LoRaWAN？ LoRaWAN技术及应用 LoRaWAN（Long Range Wide Area Network）是一种低功耗、长距离、广域网络通信协议，特别设计用于连接物联网（IoT）设备。LoRaWAN采用无线通信技术，能够覆盖数十公里的范围，提供长时间的电池寿命，适用于智能城市、农业、工业自动化、环境监测，与健康医疗等领域应用。 来源: LoRa Alliance 一探究竟：LoRaWAN物联网应用优势 营运商采用 LoRaWAN 具有多方面的优势，除了长距离覆盖范围及低功耗的特点外，还包含以下： 1.大规模连接： LoRaWAN 设计用于支持大规模 IoT 设备连接。一个 LoRaWAN 网络可以支持数千到数百万个设备，因此营运商可以应对不同规模的 IoT 部署。 2.成本效益： LoRaWAN 设备相对成本较低，这有助于降低 IoT 解决方案的成本，使更多的应用变得可行。 3.开放标准： LoRaWAN 是一种开放标准，不受特定供货商的控制，这意味着许多不同的设备和服务可以互操作。营运商可以与多个供货商合作，以构建多元化的 IoT 生态系统。 4.低频谱要求： LoRaWAN 使用 ISM（工业、科学和医疗）频段，无需许可谱段，这减少了营运商在频谱管理上的成本和限制。 5.灵活性： LoRaWAN 适用于各种应用，包括智慧城市、农业、工业自动化、智能建筑，与环境监测等，因此营运商可以应对多种不同应用需求。 6.高可靠性： LoRaWAN 的长距离通信和能够穿透障碍物的特点，使其在具有不同地理和环境挑战的地方仍然能提供高可靠性的连接。 整体来讲，营运商采用 LoRaWAN 技术可以提供成本效益高、可扩展性强、覆盖范围广泛、长寿命的 IoT 通信解决方案。这使得 LoRaWAN 成为许多 IoT 应用的理想选择，并发展多样化的商业机会。 LoRaWAN RF性能潜在风险一箩筐，不能掉以轻心！ 营运商在部署LoRaWAN产品时，可能会遇到各种RF性能问题，这些问题可能会对于系统的可靠性和性能产生不利影响，甚至产品在一开始就无法加入到营运商的网络运作，这些常见的LoRaWAN RF性能问题可能为： 1. 信号衰减 ： 在长距离运输传输过程中，信号特别容易遇到衰减，，这可能导致数据报丢失或损坏。在较远的距离上，LoRaWAN RF性能问题可能会导致无法建立连接或无法保持连接。 2. 多径传播 ： 多径传播是指信号以不同路径到达接收器，这可能导致多个版本的信号相互干扰。这种干扰可能导致信号质量下降，需要采取技术措施来减轻其影响。 3. 阴影效应 ： 物理障碍物如建筑物、树木等可能会阻碍信号传输，产生阴影效应。RF性能问题可能会导致在这些阴影区域中的通信困难。 4. 干扰 ： 射频设备或无线通信系统可能会产生干扰，影响LoRaWAN设备的正常运行。这种干扰可以降低信噪比，影响数据传输的质量。 5. 背景噪声 ： 背景噪声是来自自然或人造的无线噪声，可能会干扰LoRaWAN信号。RF性能问题可能导致设备对背景噪声更敏感。 6. 数据速率选择 ： LoRaWAN支持不同的数据速率和扩频因子，当选择不当时可能会导致性能问题。较低的数据速率通常提供更好的覆盖范围，但传输速度较慢；较高的数据速率通常提供更快的传输速度，但覆盖范围较小。 7. 频段选择 ： 不同地区和国家会规定使用不同的频段，当选择不正确的频段时可能会导致法规问题和性能问题。 8. 天气条件 ： 恶劣的天气条件，如大雨、暴雪等，可能会影响LoRaWAN RF性能，导致数据传输的不可靠性。 为了克服这些问题，LoRaWAN设备制造商和网络管理员需要进行系统设计、信道规划、天线选择和设备部署等详尽考虑。此外，定期监测和维护也是确保良好RF性能的关键。采用合适的解决方案和协议设置，可以减轻或解决许多RF性能问题，以确保LoRaWAN网络的稳定性和可靠性。