滿足低功耗廣域網(wǎng)智能應(yīng)用的解決方案

除了應(yīng)用于室內(nèi)的智能建筑應(yīng)用之外，針對應(yīng)用于戶外的智能建筑／城市的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用，則需要支持傳輸距離更廣、功耗更低的傳輸技術(shù)，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(wǎng)（LPWA）便成為這些熱門應(yīng)用的理想技術(shù)之一。本文將為您介紹LPWA的應(yīng)用與發(fā)展，以及由Murata推出的相關(guān)解決方案。

側(cè)重于功率效率和遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)腖PWA技術(shù)

可應(yīng)用于較大范圍的智能建筑、智能城市應(yīng)用的LPWA網(wǎng)絡(luò)，是一種專門用于將設(shè)備互連在一起的無線通信技術(shù)，側(cè)重于功率效率和遠距離數(shù)據(jù)傳輸。LPWA很適合物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、機器對機器（M2M）等應(yīng)用，以及許多其他需要以較低成本和功耗運行的應(yīng)用，目前LPWA技術(shù)正在迅速興起當(dāng)中。

LPWA網(wǎng)絡(luò)可以利用不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來傳輸數(shù)據(jù)，包括使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)、LoRa網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。像是使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的LTE-M技術(shù)，LTE-M是LTE Cat-M1或長期演進（4G），類別M1的縮寫，該技術(shù)用于IoT設(shè)備直接連接到4G網(wǎng)絡(luò)，通過像是AT&T或Verizon等移動網(wǎng)絡(luò)運營商（MNO）進行網(wǎng)絡(luò)連接，并無需網(wǎng)關(guān)且通常使用電池操作。

LTE-M包括eMTC（增強型機器類型通信）標(biāo)準(zhǔn)，這是一種由3GPP開發(fā)的低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）無線電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可實現(xiàn)廣泛的蜂窩設(shè)備和服務(wù)（特別是M2M和IoT應(yīng)用）。LTE-M具有更高的數(shù)據(jù)速率，支持移動性和網(wǎng)絡(luò)語音，但需要比窄帶物聯(lián)網(wǎng)（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(biāo)準(zhǔn)的LPWA技術(shù)，旨在支持各種新型IoT設(shè)備和服務(wù)。NB-IoT顯著改善了用戶設(shè)備的功耗、系統(tǒng)容量和頻譜效率，尤其是在深度覆蓋方面。NB-IoT使用LTE標(biāo)準(zhǔn)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(lián)網(wǎng)應(yīng)用的LoRa技術(shù)

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(shù)，它基于源自線性調(diào)頻擴頻（CSS）技術(shù)的擴頻調(diào)制技術(shù)，它由一家法國公司Cycleo開發(fā)，后來該公司被Semtech收購。LoRaWAN?（廣域網(wǎng)）則定義了通信協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)，是國際電信聯(lián)盟（ITU）的官方標(biāo)準(zhǔn)。LoRa和LoRaWAN?共同定義了一種LPWA網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，旨在將電池供電設(shè)備無線連接到區(qū)域、國家或全球網(wǎng)絡(luò)中的互聯(lián)網(wǎng)，并針對關(guān)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(wù)。LoRaWAN?數(shù)據(jù)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(yīng)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(xiāng)村可以傳輸超過10公里），LoRa和LoRaWAN?讓許多產(chǎn)業(yè)的IoT設(shè)備有長程的聯(lián)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(wǎng)絡(luò)協(xié)議。有許多協(xié)議可以定義LoRa上層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，LoRaWAN?就是其中之一。LoRaWAN?是以云為基礎(chǔ)的介質(zhì)訪問控制（MAC）層協(xié)議，但其作用類似網(wǎng)絡(luò)層，管理LPWAN網(wǎng)關(guān)和終端節(jié)點之間的通信，類似路由協(xié)議，由LoRa聯(lián)盟維護。

超小的LTE Cat.M1/NB-IoT模塊

LTE Cat.M1/NB-IoT是一種許可標(biāo)準(zhǔn)，需要獲得許可才能使用無線電頻段，很適合IoT應(yīng)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(shè)備在移動時，由于使用許可頻段，不易產(chǎn)生無線電干擾、速度更快，可用于可穿戴設(shè)備在IoT和其他應(yīng)用中。

Murata設(shè)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(shè)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(huán)境，如智能電表、遠程醫(yī)療檢查或災(zāi)害發(fā)生時的異常檢測等應(yīng)用。

Murata推出的Type 1SE（LBAD0ZZ1SE）模塊是Cat. M1/NB-IoT模塊，符合日本認證標(biāo)準(zhǔn)，支持Truphone的eSIM技術(shù)。Type 1SE高度集成了MCU、eSIM和LTE-M/NB1調(diào)制解調(diào)器，經(jīng)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(yīng)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(shè)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(yōu)化，符合RoHS規(guī)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(fā)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(jīng)許可的LPWA通信系統(tǒng)相比，主要移動電話運營商的網(wǎng)絡(luò)（許可頻段）用于提供更廣泛和更穩(wěn)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(xiàn)電子電路的高密度電路設(shè)計。

Type 1SE模塊采用的通信系統(tǒng)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(shù)，該技術(shù)包括LoRaWAN?，它不需要許可證（未授權(quán)）并與遠程無線協(xié)議兼容。LoRaWAN?是由LoRa Alliance?制定的標(biāo)準(zhǔn)，Murata部署了支持LoRaWAN?的模塊，并開發(fā)出當(dāng)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(yīng)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(dǎo)體（STMicroelectronics）的開放式STM32L0微控制器（MCU），以及一個RF開關(guān)和192kB閃存和20kBRAM。這種廣泛的內(nèi)存供應(yīng)可確保為應(yīng)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(shè)計，支持868 MHz至916 MHz的ISM頻段，包括歐洲、美國、印度和環(huán)太平洋地區(qū)使用的頻段，該器件在全球范圍內(nèi)擁有單一部件號，簡化了客戶供應(yīng)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(shù)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(nèi)工作。

Type 1SJ模塊是業(yè)內(nèi)超小的LoRaWAN?模塊之一，與以往產(chǎn)品相比，該模塊功耗更低，輸出更高，并已獲得主要地區(qū)的《無線電法》認證，提供開放式MCU設(shè)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(diào)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(shè)置時發(fā)射模式電流為118mA，發(fā)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(guī)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(shè)計人員開發(fā)滿足要求很苛刻的解決方案，尤其是在資產(chǎn)跟蹤、公用事業(yè)、農(nóng)業(yè)、智能城市、智能建筑、工業(yè)和其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等領(lǐng)域。

結(jié)語

在智能建筑／城市的戶外應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)采用LPWA技術(shù)來實現(xiàn)長距離、低功耗、電池操作的IoT設(shè)備之間的連接與數(shù)據(jù)傳輸，用于遠程或室外監(jiān)控各種智能結(jié)構(gòu)物（如大壩或橋梁、油氣平臺、智能電網(wǎng)等），此時蜂窩網(wǎng)絡(luò)（如LTE Cat.M1/NB-IoT）或LoRa/LoRaWAN?網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會是理想的解決方案。Murata針對LPWA智能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，推出了支持上述這些技術(shù)的高集成度模塊產(chǎn)品系列，將會是相關(guān)應(yīng)用的理想選擇，值得您深入了解與采用。