LPWAN是低功耗廣域網(wǎng)的簡稱，其主要的目的是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（如電池運(yùn)行的傳感器）之間以低比特率進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。LPWAN協(xié)議采用Sub GHz頻段進(jìn)行無線電傳輸。其實(shí)LPWAN協(xié)議的競爭還是相當(dāng)激烈的。目前主流的LPWAN通信協(xié)議主要是LoRa, NB-IoT, Sigfox等。

LoRa, NB-IoT和Sigfox區(qū)別

上述的三種LPWAN物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議具有共同的特點(diǎn)：遠(yuǎn)距離，低功耗，小數(shù)據(jù)傳輸，低傳輸速率強(qiáng)抗干擾特性。但是三種協(xié)議又各有優(yōu)劣，下表列出了一些簡單的對比項(xiàng)。

從上圖的對比可以得出一些結(jié)論:

1)Sigfox相比NB-IoT和LoRa協(xié)議具有更窄的調(diào)制帶寬，因此其可以連接的設(shè)備數(shù)量更多，傳輸距離更長。并且具有低成本，低功耗以及數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的特點(diǎn)。

2)Sigfox和LoRa都工作在不需要授權(quán)的Sub-GHz頻段（具體頻段由相應(yīng)的國家和地區(qū)規(guī)定），對于開發(fā)者來說更加靈活。

3)與目前在國內(nèi)受到主推的NB-IoT相比，Sigfox提供了云端服務(wù)，終端設(shè)備可以通過Uplink設(shè)備交互實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)直接上云。省去了終端設(shè)備與運(yùn)營商之間的溝通。

上面我們對現(xiàn)在主流的LPWAN通信協(xié)議進(jìn)行了比較，綜合來看三種主流的協(xié)議各有優(yōu)劣。那么接下來這篇文章主要針對Sigfox通信協(xié)議進(jìn)行技術(shù)詳解以及NXP的Sigfox解決方案介紹。

Sigfox協(xié)議詳解

Sigfox使用帶寬為192Khz的ISM公共頻段進(jìn)行上行或者下行空中數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)議使用超窄帶信息調(diào)制技術(shù)。每條message占用100Hz的帶寬，其數(shù)據(jù)傳輸速率為100bits或者600bits每秒。具體的傳輸速率的選擇需要根據(jù)不同地區(qū)的規(guī)定來設(shè)置。

下表是Sigfox不同頻率的分區(qū)，上行和下行頻率的帶寬均為192Khz。Sigfox官方根據(jù)不同地區(qū)將使用的無線電傳輸頻率范圍劃分成7個(gè)無線電頻率區(qū)(Radio Configuration)，每個(gè)頻率區(qū)有不同的使用規(guī)定。

用戶可以在Sigfox的官網(wǎng)查詢Sigfox服務(wù)覆蓋的地區(qū)和相應(yīng)地區(qū)的無線電頻率分區(qū)。如下圖所示，為Sigfox目前可以提供服務(wù)的地區(qū)。其中Sigfox在中國香港和中國臺灣提供服務(wù)，無線電頻率分區(qū)屬于RC4。

歐洲屬于RC1區(qū)，RC1區(qū)有傳輸占空比的限制，根據(jù)歐洲的法規(guī)，運(yùn)行在該無線電頻率區(qū)的設(shè)備在一天之內(nèi)無線電發(fā)射時(shí)間需限制在1%的占空比內(nèi)。也就是說一小時(shí)之內(nèi)允許設(shè)備發(fā)射的時(shí)長為36秒，如果Sigfox數(shù)據(jù)包長度為8到12bytes,一個(gè)小時(shí)之內(nèi)只能發(fā)射最多6個(gè)數(shù)據(jù)包，一天之內(nèi)最多發(fā)射140個(gè)數(shù)據(jù)包。同樣具有占空比限制的區(qū)域還有RC3/RC6/RC7。

RC2和RC4區(qū)有跳頻通訊要求，運(yùn)行在該區(qū)域的無線電設(shè)備需要在三個(gè)不同的頻段發(fā)射三次同一條Message。一條12byte大小的message傳輸時(shí)間為2.08s，Sigfox基站需要掃描監(jiān)控整個(gè)192Khz帶寬并對接收到的message進(jìn)行解調(diào)操作。

此外，RC3和RC5區(qū)要求通訊支持LBT(Listen Before Talk)。所謂先聽后發(fā)是指設(shè)備在發(fā)射前需要先監(jiān)聽信道是否空閑(掃描200KHz信道，確保信道中沒有大于-80dB的信號)，確保信道處于空閑狀態(tài)方可發(fā)射信號。

Sigfox調(diào)制方式

Sigfox上行通信使用差分二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制（D-BPSK）方式。如下圖所示，為差分二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制的原理即利用前后相鄰碼元的載波相對相位變化傳遞數(shù)字信息。

Sigfox上行調(diào)制中加入了碼元整形（symbol shaping）,一條Sigfox message中包含若干個(gè)二進(jìn)制碼元。在message包的第一個(gè)碼元之前和最后一個(gè)碼元之后加入了不含有調(diào)制信息的一段額外的無線電傳輸信號。

如下圖所示為一個(gè)message信號的波形，包含了第一個(gè)bit之前和最后一個(gè)bit之后的碼元整形。

Sigfox下行通信調(diào)制采用高斯頻移鍵控調(diào)制(GFSK), GFSK是將輸入數(shù)據(jù)經(jīng)高斯低通濾波器預(yù)調(diào)制濾波后，再進(jìn)行FSK調(diào)制。

Sigfox數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

上行數(shù)據(jù)幀

下圖所示為Sigfox上行數(shù)據(jù)幀的封裝流程，用戶應(yīng)用層發(fā)送需要傳遞的數(shù)據(jù)，Sigfox的MAC/Link層添加數(shù)據(jù)長度，設(shè)備ID，message count的部分參數(shù)以及加密操作，最后phy層對數(shù)據(jù)添加前導(dǎo)碼和包類型。

如下圖所示，為Sigfox上行數(shù)據(jù)包的幀結(jié)構(gòu)：

UL-PR是一個(gè)19bits的前導(dǎo)值，默認(rèn)為0b1010101010101010101。

FT表示數(shù)據(jù)幀類型，占用13bits大小。提供兩種message類型，請參考下表。

LI（length indictor）表示長度標(biāo)識，是一個(gè)2bits的值，LI的值需要嚴(yán)格與下表對應(yīng)。

REP (Repeated Flag)是一個(gè)1bit的重復(fù)標(biāo)志位，默認(rèn)設(shè)置為0x0。

MC (Message Counter)用來做message包的計(jì)數(shù)，每發(fā)送一個(gè)message包，MC值就會默認(rèn)加1。設(shè)備可以通過檢查數(shù)據(jù)包來判斷是否有丟包現(xiàn)象。MC的最大值為4096。

ID(identifier)表示Sigfox設(shè)備的ID號，32位大小，需要注意的是EP identifier需要做大小端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置之后寫到ID field。

UL message content是Sigfox用戶應(yīng)用層需要傳輸?shù)膍essage數(shù)據(jù)。

UL-AUTH (Uplink Authentication)是用來對前面數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行加密操作，需要注意的是其大小是由下表規(guī)定的。

Uplink error detection field (UL-CRC)用來對數(shù)據(jù)包進(jìn)行16位CRC運(yùn)算

下行數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

下圖所示為Sigfox下行數(shù)據(jù)幀的封裝流程：

如下圖所示，為Sigfox下行數(shù)據(jù)包的幀結(jié)構(gòu)：

Sigfox下行數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu):

DL-Pr是一個(gè)91bits是0和1交錯(cuò)的前導(dǎo)值，最低位和最高位都是1。

FT表示數(shù)據(jù)幀類型，占用13bits大小，默認(rèn)值為0b1001000100111。

Downlink error correction (ECC)的作用是根據(jù)下圖發(fā)送糾錯(cuò)碼。

DL message是Sigfox downlink設(shè)備用戶應(yīng)用層需要傳輸?shù)膍essage數(shù)據(jù)。

Downlink authentication (DL-AUTH)的作用是使用AES128對MAC層的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密操作。

Downlink error detection (DL-CRC)用來對數(shù)據(jù)包進(jìn)行8位CRC運(yùn)算。

Sigfox通信時(shí)序

Sigfox通信的時(shí)序根據(jù)不同頻率分區(qū)的限制要求以及上行通信和雙向通信有不同的時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)。不同頻率分區(qū)的限制主要有三種，分別是占空比，跳頻以及先聽后發(fā)。

下圖為上行通信傳輸時(shí)具有占空比要求的單幀數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序。需要滿足1h內(nèi)信號發(fā)射占空比為1%：

下圖為上行通信傳輸時(shí)具有跳頻要求的單幀數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序：

下圖為上行通信傳輸時(shí)具有先聽后發(fā)要求的單幀數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序。Sigfox設(shè)備發(fā)射之前需要監(jiān)聽200khz的頻率確保信道為空閑狀態(tài)：

下圖為雙向通信傳輸時(shí)具有跳頻要求的單幀數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序：

在Sigfox的標(biāo)準(zhǔn)中還給出了基于不同限制條件的多幀傳輸上行和雙向通信時(shí)序，大致和上述時(shí)序類似。

NXP Sigfox解決方案

上面對Sigfox協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了介紹，NXP針對Sigfox協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)也有一整套的解決方案，具體的方案框圖請參考下圖：

MCX A132 + OL2385 Sigfox框圖：

MCX A132 + OL2385解決方案實(shí)物圖：

MCX A132是NXP MCX系列MCU中具有低成本，低功耗特性的一款MCU。

OL2385是NXP推出的Sub-GHz的前端模塊，支持頻率范圍160Mhz到960Mhz。并且提供完整的Sigfox的固件。

NXP

恩智浦致力于打造安全的連接和基礎(chǔ)設(shè)施解決方案，為智慧生活保駕護(hù)航。

恩智浦半導(dǎo)體NXP Semiconductors N.V.(納斯達(dá)克股票代碼：NXPI)是汽車、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、移動設(shè)備和通信基礎(chǔ)設(shè)施市場值得信賴的合作伙伴，致力于提供創(chuàng)新解決方案。