低功耗廣域網 (LPWAN) 已出現很長時間，但對物聯網 (IoT) 低成本連接及功耗和成本改進的需求正引發對 LPWAN 越來越多的關注。 硅技術的改進已極大降低了功耗，可用于電池供電型無線傳感器節點。 這些節點利用次 GHz 非調節式無線電頻段進行長距離連接，比調節式蜂窩頻帶更具成本效益。

然而，推廣這些 LPWAN 網絡需要其自身的基礎設施，后者至今仍然進展緩慢。 但如今已到了一個轉折點。 使用次 GHz 頻段意味著支持大量無線節點需要的基站更少。

物聯網網絡開發人員現有多種選擇。 例如，Semtech 的 LoRa 技術可用于推出多個無線節點專用的私有 LPWAN 網絡。 或者，諸如使用 SIGFOX 之類的公共 LPWAN 網絡，則可省去安裝、連接和管理基站。 同時人們也在通過新協議（如 Weightless）開發其他 LPWAN 網絡。 LPWAN 網絡的選擇決定了物聯網節點無線收發器的選擇。

LoRaWAN 是一種低功耗廣域網 (LPWAN) 規范，主要用于區域性、全國性或全球性網絡中的無線電池供電型節點。 LoRaWAN 網絡是一個典型的星型拓撲結構，網關是一個透明的橋接，在終端設備和后臺中央網絡服務器之間轉送訊息。 網關通過標準 IP 連接與網絡服務器連接，而終端設備使用單跳無線通信連接到一個或多個網關。 所有節點的通信一般都是雙向的，但網絡架構還支持諸如多播等工作 形式，可以實現軟件無線升級或其他大量分發訊息以減少空中通信時間。

圖 1： LoRaWAN 網絡包含一個從物聯網節點到網關的加密路由。

節點和網關之間的通信使用擴頻鏈接以不同的頻率通道和數據速率傳出去。 這樣就會創建一組“虛擬”通道，數據速率在 0.3 kbps 到 50 kbps 之間。 網絡服務器通過一個自適應數據速率 (ADR) 方案分別為每個節點單獨管理數據速率和射頻輸出。

LoRaWAN 包含幾種不同類型的節點。 A 類節點使用最低功率，每個上行鏈路傳輸跟隨兩個短的下行鏈路接收窗口。 節點的傳輸時隙是基于其自身通信需求，根據隨機時基有一個小的變化（ALOHA 類型協議）。 在其他任何時間，服務器下行鏈路通訊必須等下一個調度的上行鏈路。

B 類節點使用來自網關的時間同步信標，提供額外的調度接收時隙。 這樣服務器就可以知道節點何時在偵聽。 C 類節點包含開放接收窗口，只在傳輸時關閉。

這些節點可通過 Semtech 的 SX1272/73 收發器創建。 這些收發器通過擴頻協議采用長距離調制解調器，同時也提供高抗干擾能力并將電流消耗降至最低。

獲得專利的調制技術使用低成本晶體和物料即可實現超過 -137 dBm 的靈敏度。 高靈敏度與集成 +20 dBm 功率放大器結合，帶來的是高達 157 dB 的鏈路預算能力，相對傳統調制技術（如 FSK 和 OOK）在阻塞和選擇性方面還具有顯著的優勢。 使用擴頻方法，不僅解決了傳統設計在范圍、抗干擾和能耗方面的折中問題，同時設備也支持其他系統的高性能 FSK 和 GFSK 調制，包括 WMBus 和 IEEE802.15.4g。

圖 2： SX1272 可用于創建 LoRaWAN 低功耗長距離網絡的節點。

SX1272 提供 125 kHz、250 kHz 和 500 kHz 三個通道寬度選項，擴頻因子范圍在 6 到 12 之間。 SX1273 提供同樣的帶寬選項，但擴頻因子范圍為 6 到 9 之間。 為實現最佳的靈活性，用戶可能需要考慮擴頻調制帶寬 (BW)、擴頻因子 (SF) 以及誤差校正率 (CR)。

另一種 LPWAN 網絡由法國網絡運營商 SIGFOX 及其合作伙伴運營。

多個設備可用來實現節點。 例如，Microchip 的 ATA8520D 就是一種帶集成 AVR 微控制器的高度集成式、低功耗射頻收發器。 該設備分為三個部分：一個射頻前端、一個數字基帶和一個低功耗 8 位 AVR 微控制器（為 868.0 MHz 到 868.6 MHz 和 869.4 到 869.65 MHz 頻帶提供連接）。 SPI 接口可進行外部控制和設備配置。

圖 3： ATA8520 使用 SPI 接口連接傳感器節點到 SIGFOX 長距離網絡。

同樣，ON Semiconductor 的 AX?SIGFOX 開發套件也是一個超低功耗單芯片解決方案，用于 SIGFOX 網絡上帶上行鏈路和下行鏈路功能的節點。 AX?SIGFOX 芯片完全可直接用于運營，同時還包含了傳輸和接收歐洲網絡數據的全部所需固件。

節點連接通過簡單的 RS232 UART 實現，并使用 AT 命令發送幀和配置無線電參數。 開發套件包括 AX?SIGFOX 全功能模塊，內含網絡使用訂閱功能。

收發器采用 5 mm x 7 mm QFN40 封裝，提供 10 個 GPIO 引腳，其中四個引腳帶有可選電壓測量功能。 這些引腳或是 1 V 或 10 V 范圍的差分輸入，或是 1 V 范圍的單端輸入，兩種均為 10 位分辨率。 其中兩個引腳帶有可選三角積分型 DAC 輸出功能，以便連接到節點中的傳感器。 其中三個 GPIO 引腳也可選擇作為 SPI 主接口，用于控制節點中的其他設備。

圖 4： AX-SIGFOX 收發器提供靈活的 GPIO 引腳，可用于 SIGFOX 網絡上的無線傳感器節點。

SIGFOX 網絡的優點之一在于可在云端管理數據，公司已與 Microsoft 合作，以便連接到 Azure 云存儲和數據管理工具，實現大型數據部署。

Weightless-P 是一種更新的協議，剛剛獲得 ETSI 歐洲標準組織認證，物聯網開發人員可用其創建自己的 LPWAN 網絡。 協議可在所有次 GHz 頻帶上運行，但也可用于調節式蜂窩頻帶。 它使用 12.5 kHz 通道且通道分配靈活，以允許在大型部署中重復使用頻率，同時 200 bps 到 100 kbps 數據速率可最大化網絡容量。 該協議使用時間同步的基站以實現無線電資源調度和利用。

名為 Weightless Ignition Pack 的開發套件提供了開箱即用的 Weightless-P 網絡連接功能。 該套件包括 Weightless-P 基站、終端設備模塊、天線、基站的完整 Weightless-P 協議棧、終端設備和主機，以及全部所需線纜。 套件開箱即可部署一個 Weightless-P 物聯網網絡。

總結

LPWAN 網絡是一個用于實現物聯網的日漸流行的方法。 在節點中使用次 GHz 無線電頻帶和擴頻協議以實現低功耗，可大大延長電池壽命，從而降低成本。 同樣的次 GHz 頻帶還可實現更長距離，僅需幾個基站，就可在多個城鎮之間應用數千個節點。 LoRaWAN、SIGFOX 或 Weightless-P 網絡為開發人員提供了多種實施選擇，從創建專用網絡到在商業網絡上爭取時間并連接到云分析。