LPWAN是低功耗廣域網的簡稱，其主要的目的是實現物聯網設備（如電池運行的傳感器）之間以低比特率進行遠程通信。LPWAN協(xié)議采用Sub GHz頻段進行無線電傳輸。其實LPWAN協(xié)議的競爭還是相當激烈的。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物聯網協(xié)議具有共同的特點：遠距離，低功耗，小數據傳輸，低傳輸速率強抗干擾特性。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。

從上圖的對比可以得出一些結論:

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

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

3)與目前在國內受到主推的NB-IoT相比，Sigfox提供了云端服務，終端設備可以通過Uplink設備交互實現數據直接上云。省去了終端設備與運營商之間的溝通。

上面我們對現在主流的LPWAN通信協(xié)議進行了比較，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)議進行技術詳解以及NXP的Sigfox解決方案介紹。

Sigfox協(xié)議詳解

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

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官方根據不同地區(qū)將使用的無線電傳輸頻率范圍劃分成7個無線電頻率區(qū)(Radio Configuration)，每個頻率區(qū)有不同的使用規(guī)定。

用戶可以在Sigfox的官網查詢Sigfox服務覆蓋的地區(qū)和相應地區(qū)的無線電頻率分區(qū)。如下圖所示，為Sigfox目前可以提供服務的地區(qū)。其中Sigfox在中國香港和中國臺灣提供服務，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，根據歐洲的法規(guī)，運行在該無線電頻率區(qū)的設備在一天之內無線電發(fā)射時間需限制在1%的占空比內。也就是說一小時之內允許設備發(fā)射的時長為36秒，如果Sigfox數據包長度為8到12bytes,一個小時之內只能發(fā)射最多6個數據包，一天之內最多發(fā)射140個數據包。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，運行在該區(qū)域的無線電設備需要在三個不同的頻段發(fā)射三次同一條Message。一條12byte大小的message傳輸時間為2.08s，Sigfox基站需要掃描監(jiān)控整個192Khz帶寬并對接收到的message進行解調操作。

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調制方式

Sigfox上行通信使用差分二進制相移鍵控調制（D-BPSK）方式。如下圖所示，為差分二進制相移鍵控調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字信息。

Sigfox上行調制中加入了碼元整形（symbol shaping）,一條Sigfox message中包含若干個二進制碼元。在message包的第一個碼元之前和最后一個碼元之后加入了不含有調制信息的一段額外的無線電傳輸信號。

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

Sigfox下行通信調制采用高斯頻移鍵控調制(GFSK), GFSK是將輸入數據經高斯低通濾波器預調制濾波后，再進行FSK調制。

Sigfox數據幀結構

上行數據幀

下圖所示為Sigfox上行數據幀的封裝流程，用戶應用層發(fā)送需要傳遞的數據，Sigfox的MAC/Link層添加數據長度，設備ID，message count的部分參數以及加密操作，最后phy層對數據添加前導碼和包類型。

如下圖所示，為Sigfox上行數據包的幀結構：

UL-PR是一個19bits的前導值，默認為0b1010101010101010101。

FT表示數據幀類型，占用13bits大小。提供兩種message類型，請參考下表。

LI（length indictor）表示長度標識，是一個2bits的值，LI的值需要嚴格與下表對應。

REP (Repeated Flag)是一個1bit的重復標志位，默認設置為0x0。

MC (Message Counter)用來做message包的計數，每發(fā)送一個message包，MC值就會默認加1。設備可以通過檢查數據包來判斷是否有丟包現象。MC的最大值為4096。

ID(identifier)表示Sigfox設備的ID號，32位大小，需要注意的是EP identifier需要做大小端數據轉置之后寫到ID field。

UL message content是Sigfox用戶應用層需要傳輸的message數據。

UL-AUTH (Uplink Authentication)是用來對前面數據內容進行加密操作，需要注意的是其大小是由下表規(guī)定的。

Uplink error detection field (UL-CRC)用來對數據包進行16位CRC運算

下行數據幀結構

下圖所示為Sigfox下行數據幀的封裝流程：

如下圖所示，為Sigfox下行數據包的幀結構：

Sigfox下行數據幀結構:

DL-Pr是一個91bits是0和1交錯的前導值，最低位和最高位都是1。

FT表示數據幀類型，占用13bits大小，默認值為0b1001000100111。

Downlink error correction (ECC)的作用是根據下圖發(fā)送糾錯碼。

DL message是Sigfox downlink設備用戶應用層需要傳輸的message數據。

Downlink authentication (DL-AUTH)的作用是使用AES128對MAC層的數據進行加密操作。

Downlink error detection (DL-CRC)用來對數據包進行8位CRC運算。

Sigfox通信時序

Sigfox通信的時序根據不同頻率分區(qū)的限制要求以及上行通信和雙向通信有不同的時序標準。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具有占空比要求的單幀數據傳輸時序。需要滿足1h內信號發(fā)射占空比為1%：

下圖為上行通信傳輸時具有跳頻要求的單幀數據傳輸時序：

下圖為上行通信傳輸時具有先聽后發(fā)要求的單幀數據傳輸時序。Sigfox設備發(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具有跳頻要求的單幀數據傳輸時序：

在Sigfox的標準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序，大致和上述時序類似。

NXP Sigfox解決方案

上面對Sigfox協(xié)議及標準進行了介紹，NXP針對Sigfox協(xié)議和標準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

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