LPWA的应用与发展 满足低功耗广域网智能应用的解决方案

满足低功耗广域网

智能应用的解决方案

除了应用于室内的智能建筑应用之外，针对应用于户外的智能建筑／城市的物联网（IoT）应用，则需要支持传输距离更广、功耗更低的传输技术，且通常需要采用电池操作，并能够支持以年为单位的使用时间，此时，低功耗广域网（LPWA）便成为这些热门应用的理想技术之一。本文将为您介绍LPWA的应用与发展，以及由Murata推出的相关解决方案。

侧重于功率效率和远距离

数据传输的LPWA技术

可应用于较大范围的智能建筑、智能城市应用的LPWA网络，是一种专门用于将设备互连在一起的无线通信技术，侧重于功率效率和远距离数据传输。LPWA很适合物联网（IoT）、机器对机器（M2M）等应用，以及许多其他需要以较低成本和功耗运行的应用，目前LPWA技术正在迅速兴起当中。

LPWA网络可以利用不同的网络技术来传输数据，包括使用蜂窝网络、LoRa网络技术。像是使用蜂窝网络的LTE-M技术，LTE-M是LTE Cat-M1或长期演进（4G），类别M1的缩写，该技术用于IoT设备直接连接到4G网络，通过像是AT&T或Verizon等移动网络运营商（MNO）进行网络连接，并无需网关且通常使用电池操作。

LTE-M包括eMTC（增强型机器类型通信）标准，这是一种由3GPP开发的低功耗广域网（LPWAN）无线电技术标准，可实现广泛的蜂窝设备和服务（特别是M2M和IoT应用）。LTE-M具有更高的数据速率，支持移动性和网络语音，但需要比窄带物联网（NB-IoT）更大的带宽，并且不能像NB-IoT一样放入保护带频段。

NB-IoT则是一种基于标准的LPWA技术，旨在支持各种新型IoT设备和服务。NB-IoT显着改善了用户设备的功耗、系统容量和频谱效率，尤其是在深度覆盖方面。NB-IoT使用LTE标准的一个子集，但将带宽限制为200kHz的单个窄带。

针对低功耗、低比特率

和物联网应用的LoRa技术

LoRa（来自“Long Range”长距离的简称）则是一种物理专有无线电通信技术，它基于源自线性调频扩频（CSS）技术的扩频调制技术，它由一家法国公司Cycleo开发，后来该公司被Semtech收购。LoRaWAN（广域网）则定义了通信协议和系统架构，是国际电信联盟（ITU）的官方标准。LoRa和LoRaWAN共同定义了一种LPWA网络协议，旨在将电池供电设备无线连接到区域、国家或全球网络中的互联网，并针对关键的IoT要求，例如双向通信、端到端安全、移动性和本地化服务。LoRaWAN数据速率范围为每信道0.3 kbit/s至50 kbit/s，可满足低功耗、低比特率和IoT应用的需求。

LoRa使用不需申请许可的sub-GHz射频频段，例如433 MHz、868 MHz（欧洲）、915 MHz（澳大利亚及北美洲）及923 MHz（亚洲）。LoRa可以在低能耗下进行长距离的通信（在乡村可以传输超过10公里），LoRa和LoRaWAN让许多产业的IoT设备有长程的联机能力。

LoRa定义了通信栈中较低的物理层，没有定义上层的网络协议。有许多协议可以定义LoRa上层的网络协议，LoRaWAN就是其中之一。LoRaWAN是以云为基础的介质访问控制（MAC）层协议，但其作用类似网络层，管理LPWAN网关和终端节点之间的通信，类似路由协议，由LoRa联盟维护。

超小的LTE Cat.M1/NB-IoT模块

LTE Cat.M1/NB-IoT是一种许可标准，需要获得许可才能使用无线电频段，很适合IoT应用中即使速度较慢，也需要尽可能地降低成本和功耗的情况。LTE Cat.M1/NB-IoT特别适用于移动通信，例如设备在移动时，由于使用许可频段，不易产生无线电干扰、速度更快，可用于可穿戴设备在IoT和其他应用中。

Murata设计了超小的LTE Cat.M1/NB-IoT模块，它具有全球认证并支持GPS/GNSS、OpenMCU和iSIM（选项）。LTE Cat.M1（LTE-M）具有高可靠性、低延迟和低功耗的特点，它可用于需要更换电池的IoT设备。NB-IoT有望用于需要低功耗的IoT解决方案，适用于电池不易更换或无法使用商用电源的环境，如智能电表、远程医疗检查或灾害发生时的异常检测等应用。

Murata推出的Type 1SE（LBAD0ZZ1SE）模块是Cat. M1/NB-IoT模块，符合日本认证标准，支持Truphone的eSIM技术。Type 1SE高度集成了MCU、eSIM和LTE-M/NB1调制解调器，经过认证的终端器件带有天线连接，可轻松与多种不同类型的应用集成。

Type 1SE模块支持LTE Cat.M1/NB-IoT第13版，支持LTE频段中的低频段5、8、12、13、14（仅限CAT M1）、17、18、19、20、26、28，以及中频段1、2、3、4、25，采用Altair ALT1250与ST STM32L462芯片组，最大尺寸仅有15.4 x 18.0 x 2.5mm，采用LGA金属外壳封装，支持UART主机接口与ADC、GPIO、I2C、JTAG、PWM、SPI等外设接口，具有用于天线配置的U.FL连接器，接口电压为3.3V，电源电压为3.3-5.0V，工作温度为-40℃~85℃，功率等级已针对3类LTE输出功率进行优化，符合RoHS规范，提供X-CUBE-CELLULAR软件功能，在睡眠模式下的电流消耗很低，低功耗使电池寿命长达10年，休眠电流仅有3µA，eDRX电流在8超帧模式下小于50µA，可配置PSM电流的休眠窗口，最大的发射功率为+23dBm，并通过FCC/IC/RED/TELEC与GCF/PTCRB认证，以及全球运营的Truphone运营商认证。

与未经许可的LPWA通信系统相比，主要移动电话运营商的网络（许可频段）用于提供更广泛和更稳定的通信范围。Type 1SE模块的底部面积比典型的LPWA模块小约50%，可实现电子电路的高密度电路设计。

Type 1SE模块采用的通信系统频段与LTE的频段相同，频宽为1.4 kHz，支持运营商的许可频段，上行与下行的最大传输速率均为1 Mbps，通信范围大于10 Km。

小尺寸、远距离、长电池寿命、

安全性的LoRa模块

另一方面，非蜂窝的LPWA则是一种使用sub-GHz频段的通信技术，该技术包括LoRaWAN，它不需要许可证（未授权）并与远程无线协议兼容。LoRaWAN是由LoRa Alliance制定的标准，Murata部署了支持LoRaWAN的模块，并开发出当今超小的LoRa模块系列，尺寸仅为10.0 mm × 8.0 mm × 1.6 mm，适用于需要小尺寸、远距离、延长电池寿命、安全性和具有竞争力的价格点的各种大批量应用。该系列是基于第二代Semtech SX1262射频IC（RFIC），Type 1SJ（LBAA0QB1SJ）LoRa模块还具有来自意法半导体（STMicroelectronics）的开放式STM32L0微控制器（MCU），以及一个RF开关和192kB闪存和20kBRAM。这种广泛的内存供应可确保为应用层提供足够的资源，微型模块中还装有温控晶体振荡器（TXCO）和多个通信接口，包括UART/I2C/SPI/ADC/USB和各种GPIO。

该模块专为全球部署而设计，支持868 MHz至916 MHz的ISM频段，包括欧洲、美国、印度和环太平洋地区使用的频段，该器件在全球范围内拥有单一部件号，简化了客户供应链。

Type 1SJ模块采用单电源轨（高达3.9V DC）运行，集成了多种低功耗模式，允许实时时钟（RTC）在消耗仅为1.3µA的典型电流时运行，这种增强的电流消耗使基于Murata模块的器件能够使用一颗电池运行数年，并采用树脂封装，可提供物理坚固性，使模块能够在−40℃至+85℃的温度范围内工作。

Type 1SJ模块是业内超小的LoRaWAN模块之一，与以往产品相比，该模块功耗更低，输出更高，并已获得主要地区的《无线电法》认证，提供开放式MCU设计支持。Type 1SJ模块支持860-930MHz的LoRaWAN通道频段，采用Semtech SX1262与STM STM32L芯片组，支持FSK和LoRa调制与外接天线，接口电压（Vdc用于VIO）为3.3 Vdc，VDD_MCU、VDD_RF、VDD_TCXO的最小电源电压为2.2V，VDD_MCU、VDD_RF、VDD_TCXO的最大电源电压则为3.6V，在22dBm设置时发射模式电流为118mA，发射功率高达+21.5dBm，在125kHz BW时的接收模式电流为15.5mA，在1% PER、125kHz BW、SF=12时的接收器灵敏度为-135.5dBm，符合RoHS规范并通过FCC/IC“参考”认证，并拥有LBAA0QB1SJ-295、LBAA0QB1SJ-296、LBAA0QB1SJ-686三种变体型号。

Type 1SJ LoRa模块将帮助设计人员开发满足要求很苛刻的解决方案，尤其是在资产跟踪、公用事业、农业、智能城市、智能建筑、工业和其他物联网应用等领域。

结语

在智能建筑／城市的户外应用中，应当采用LPWA技术来实现长距离、低功耗、电池操作的IoT设备之间的连接与数据传输，用于远程或室外监控各种智能结构物（如大坝或桥梁、油气平台、智能电网等），此时蜂窝网络（如LTE Cat.M1/NB-IoT）或LoRa/LoRaWAN网络技术将会是理想的解决方案。Murata针对LPWA智能网络应用，推出了支持上述这些技术的高集成度模块产品系列，将会是相关应用的理想选择，值得您深入了解与采用。

审核编辑：汤梓红