LPWA的應用與發展 滿足低功耗廣域網智能應用的解決方案

滿足低功耗廣域網

智能應用的解決方案

除了應用于室內的智能建筑應用之外，針對應用于戶外的智能建筑／城市的物聯網（IoT）應用，則需要支持傳輸距離更廣、功耗更低的傳輸技術，且通常需要采用電池操作，并能夠支持以年為單位的使用時間，此時，低功耗廣域網（LPWA）便成為這些熱門應用的理想技術之一。本文將為您介紹LPWA的應用與發展，以及由Murata推出的相關解決方案。

側重于功率效率和遠距離

數據傳輸的LPWA技術

可應用于較大范圍的智能建筑、智能城市應用的LPWA網絡，是一種專門用于將設備互連在一起的無線通信技術，側重于功率效率和遠距離數據傳輸。LPWA很適合物聯網（IoT）、機器對機器（M2M）等應用，以及許多其他需要以較低成本和功耗運行的應用，目前LPWA技術正在迅速興起當中。

LPWA網絡可以利用不同的網絡技術來傳輸數據，包括使用蜂窩網絡、LoRa網絡技術。像是使用蜂窩網絡的LTE-M技術，LTE-M是LTE Cat-M1或長期演進（4G），類別M1的縮寫，該技術用于IoT設備直接連接到4G網絡，通過像是AT&T或Verizon等移動網絡運營商（MNO）進行網絡連接，并無需網關且通常使用電池操作。

LTE-M包括eMTC（增強型機器類型通信）標準，這是一種由3GPP開發的低功耗廣域網（LPWAN）無線電技術標準，可實現廣泛的蜂窩設備和服務（特別是M2M和IoT應用）。LTE-M具有更高的數據速率，支持移動性和網絡語音，但需要比窄帶物聯網（NB-IoT）更大的帶寬，并且不能像NB-IoT一樣放入保護帶頻段。

NB-IoT則是一種基于標準的LPWA技術，旨在支持各種新型IoT設備和服務。NB-IoT顯著改善了用戶設備的功耗、系統容量和頻譜效率，尤其是在深度覆蓋方面。NB-IoT使用LTE標準的一個子集，但將帶寬限制為200kHz的單個窄帶。

針對低功耗、低比特率

和物聯網應用的LoRa技術

LoRa（來自“Long Range”長距離的簡稱）則是一種物理專有無線電通信技術，它基于源自線性調頻擴頻（CSS）技術的擴頻調制技術，它由一家法國公司Cycleo開發，后來該公司被Semtech收購。LoRaWAN（廣域網）則定義了通信協議和系統架構，是國際電信聯盟（ITU）的官方標準。LoRa和LoRaWAN共同定義了一種LPWA網絡協議，旨在將電池供電設備無線連接到區域、國家或全球網絡中的互聯網，并針對關鍵的IoT要求，例如雙向通信、端到端安全、移動性和本地化服務。LoRaWAN數據速率范圍為每信道0.3 kbit/s至50 kbit/s，可滿足低功耗、低比特率和IoT應用的需求。

LoRa使用不需申請許可的sub-GHz射頻頻段，例如433 MHz、868 MHz（歐洲）、915 MHz（澳大利亞及北美洲）及923 MHz（亞洲）。LoRa可以在低能耗下進行長距離的通信（在鄉村可以傳輸超過10公里），LoRa和LoRaWAN讓許多產業的IoT設備有長程的聯機能力。

LoRa定義了通信棧中較低的物理層，沒有定義上層的網絡協議。有許多協議可以定義LoRa上層的網絡協議，LoRaWAN就是其中之一。LoRaWAN是以云為基礎的介質訪問控制（MAC）層協議，但其作用類似網絡層，管理LPWAN網關和終端節點之間的通信，類似路由協議，由LoRa聯盟維護。

超小的LTE Cat.M1/NB-IoT模塊

LTE Cat.M1/NB-IoT是一種許可標準，需要獲得許可才能使用無線電頻段，很適合IoT應用中即使速度較慢，也需要盡可能地降低成本和功耗的情況。LTE Cat.M1/NB-IoT特別適用于移動通信，例如設備在移動時，由于使用許可頻段，不易產生無線電干擾、速度更快，可用于可穿戴設備在IoT和其他應用中。

Murata設計了超小的LTE Cat.M1/NB-IoT模塊，它具有全球認證并支持GPS/GNSS、OpenMCU和iSIM（選項）。LTE Cat.M1（LTE-M）具有高可靠性、低延遲和低功耗的特點，它可用于需要更換電池的IoT設備。NB-IoT有望用于需要低功耗的IoT解決方案，適用于電池不易更換或無法使用商用電源的環境，如智能電表、遠程醫療檢查或災害發生時的異常檢測等應用。

Murata推出的Type 1SE（LBAD0ZZ1SE）模塊是Cat. M1/NB-IoT模塊，符合日本認證標準，支持Truphone的eSIM技術。Type 1SE高度集成了MCU、eSIM和LTE-M/NB1調制解調器，經過認證的終端器件帶有天線連接，可輕松與多種不同類型的應用集成。

Type 1SE模塊支持LTE Cat.M1/NB-IoT第13版，支持LTE頻段中的低頻段5、8、12、13、14（僅限CAT M1）、17、18、19、20、26、28，以及中頻段1、2、3、4、25，采用Altair ALT1250與ST STM32L462芯片組，最大尺寸僅有15.4 x 18.0 x 2.5mm，采用LGA金屬外殼封裝，支持UART主機接口與ADC、GPIO、I2C、JTAG、PWM、SPI等外設接口，具有用于天線配置的U.FL連接器，接口電壓為3.3V，電源電壓為3.3-5.0V，工作溫度為-40℃~85℃，功率等級已針對3類LTE輸出功率進行優化，符合RoHS規范，提供X-CUBE-CELLULAR軟件功能，在睡眠模式下的電流消耗很低，低功耗使電池壽命長達10年，休眠電流僅有3μA，eDRX電流在8超幀模式下小于50μA，可配置PSM電流的休眠窗口，最大的發射功率為+23dBm，并通過FCC/IC/RED/TELEC與GCF/PTCRB認證，以及全球運營的Truphone運營商認證。

與未經許可的LPWA通信系統相比，主要移動電話運營商的網絡（許可頻段）用于提供更廣泛和更穩定的通信范圍。Type 1SE模塊的底部面積比典型的LPWA模塊小約50%，可實現電子電路的高密度電路設計。

Type 1SE模塊采用的通信系統頻段與LTE的頻段相同，頻寬為1.4 kHz，支持運營商的許可頻段，上行與下行的最大傳輸速率均為1 Mbps，通信范圍大于10 Km。

小尺寸、遠距離、長電池壽命、

安全性的LoRa模塊

另一方面，非蜂窩的LPWA則是一種使用sub-GHz頻段的通信技術，該技術包括LoRaWAN，它不需要許可證（未授權）并與遠程無線協議兼容。LoRaWAN是由LoRa Alliance制定的標準，Murata部署了支持LoRaWAN的模塊，并開發出當今超小的LoRa模塊系列，尺寸僅為10.0 mm × 8.0 mm × 1.6 mm，適用于需要小尺寸、遠距離、延長電池壽命、安全性和具有競爭力的價格點的各種大批量應用。該系列是基于第二代Semtech SX1262射頻IC（RFIC），Type 1SJ（LBAA0QB1SJ）LoRa模塊還具有來自意法半導體（STMicroelectronics）的開放式STM32L0微控制器（MCU），以及一個RF開關和192kB閃存和20kBRAM。這種廣泛的內存供應可確保為應用層提供足夠的資源，微型模塊中還裝有溫控晶體振蕩器（TXCO）和多個通信接口，包括UART/I2C/SPI/ADC/USB和各種GPIO。

該模塊專為全球部署而設計，支持868 MHz至916 MHz的ISM頻段，包括歐洲、美國、印度和環太平洋地區使用的頻段，該器件在全球范圍內擁有單一部件號，簡化了客戶供應鏈。

Type 1SJ模塊采用單電源軌（高達3.9V DC）運行，集成了多種低功耗模式，允許實時時鐘（RTC）在消耗僅為1.3μA的典型電流時運行，這種增強的電流消耗使基于Murata模塊的器件能夠使用一顆電池運行數年，并采用樹脂封裝，可提供物理堅固性，使模塊能夠在?40℃至+85℃的溫度范圍內工作。

Type 1SJ模塊是業內超小的LoRaWAN模塊之一，與以往產品相比，該模塊功耗更低，輸出更高，并已獲得主要地區的《無線電法》認證，提供開放式MCU設計支持。Type 1SJ模塊支持860-930MHz的LoRaWAN通道頻段，采用Semtech SX1262與STM STM32L芯片組，支持FSK和LoRa調制與外接天線，接口電壓（Vdc用于VIO）為3.3 Vdc，VDD_MCU、VDD_RF、VDD_TCXO的最小電源電壓為2.2V，VDD_MCU、VDD_RF、VDD_TCXO的最大電源電壓則為3.6V，在22dBm設置時發射模式電流為118mA，發射功率高達+21.5dBm，在125kHz BW時的接收模式電流為15.5mA，在1% PER、125kHz BW、SF=12時的接收器靈敏度為-135.5dBm，符合RoHS規范并通過FCC/IC“參考”認證，并擁有LBAA0QB1SJ-295、LBAA0QB1SJ-296、LBAA0QB1SJ-686三種變體型號。

Type 1SJ LoRa模塊將幫助設計人員開發滿足要求很苛刻的解決方案，尤其是在資產跟蹤、公用事業、農業、智能城市、智能建筑、工業和其他物聯網應用等領域。

結語

在智能建筑／城市的戶外應用中，應當采用LPWA技術來實現長距離、低功耗、電池操作的IoT設備之間的連接與數據傳輸，用于遠程或室外監控各種智能結構物（如大壩或橋梁、油氣平臺、智能電網等），此時蜂窩網絡（如LTE Cat.M1/NB-IoT）或LoRa/LoRaWAN網絡技術將會是理想的解決方案。Murata針對LPWA智能網絡應用，推出了支持上述這些技術的高集成度模塊產品系列，將會是相關應用的理想選擇，值得您深入了解與采用。

審核編輯：湯梓紅