ISM频段的LPWAN物理层技术分析

吴南旭

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057）

全球物联网连接预测在2025年呈指数增长至220亿[1]。传统无线技术无法满足物联网传感器网络的范围、功率和成本要求。基于传统的蜂窝技术（3G、LTE）和无线局域网（WiFi）的系统成本高且耗电量大，无法从大量传感器设备传输少量数据；
蓝牙、ZigBee、Z-Wave等其他解决方案的覆盖范围非常有限，尽管可以采用Mesh网状拓扑来扩展其覆盖范围，但会增加耗电，同时还需要复杂的网络规划和管理。

低功耗广域网（Low Power Wide Area Network, LPWAN）克服了这些缺陷，为大规模物联网网络提供了高效、经济且易于部署的解决方案，非常适合负载较小的低带宽应用，如水电表监测、资产跟踪和环境监测。

LPWAN中除了包括基于传统蜂窝技术发展而来的ECGSM、NB-IoT、LTE-M技术外，还有基于ISM频段的LoRa、SIGFOX、MIOTY技术。基于传统蜂窝技术的演进技术，依然存在传统蜂窝成本高、终端收听系统广播增加耗电、采用专用频段等劣势，而基于ISM频段的LPWAN克服了这些缺点。对于LPWAN来讲，其技术核心集中在物理层，因此本文对基于ISM频段的LPWAN的物理层技术进行分析。

非授权频段（Unlicense Band）的LPWAN 技术，使用ISM频段，代表技术是LoRa、SIGFOX、MIOTY等。ISM无线电频段在欧洲是868 MHz频段，在美国是915 MHz，在亚洲是433 MHz。基于ISM频段的LPWAN具有免频率申请、全球通用部署的优点，相对于由公网蜂窝技术演进来的技术，LPWAN中的NB-IoT或LTE-M等在技术上尤为简单，例如系统支持仅存在上行通信的终端、终端不需要读取系统广播、终端不需要同步等，因此终端成本更低、电池寿命更长。

2.1 SIGFOX方案

2.1.1 概述

SIGFOX公司是成立于2010年的法国全球网络运营商，由SIGFOX公司开发的SIGFOX技术是一种蜂窝式、长距离、低功耗、低速率的无线通信技术。SIGFOX无线接口主要作用是在低速率情况下消耗最少的功率，使得设备可以在5～10年内依靠电池供电运行，无需电池更换或维护。

SIGFOX采用单跳的蜂窝技术，覆盖大范围区域并到达地下物体[2]。截至2020年11月，SIGFOX 物联网网络已覆盖全球72个国家，共580万平方公里，覆盖全球13亿人口[3]。

SIGFOX支持单向通信或有限双向通信。现有的SIGFOX通信标准下，终端每天最多支持140条上行链路消息，每条消息以100 b/s的速率承载12个字节的有效载荷[4]。

2.1.2 关键物理层技术—超窄带

SIGFOX网络采用了超窄带（Ultra Narrow Band, UNB）技术，使用非常低的发射功率，同时保持稳定的数据连接。为了最大限度地降低噪声水平并优化接收器灵敏度，超窄带解决方案将信号带宽缩减至100 Hz[5]。

SIGFOX早期仅支持上行通信，后来支持双向通信。根据协议，下行通信只能在上行通信之后发生。上行：欧洲信道带宽100 Hz，速率为100 b/s；
美国信道带宽600 Hz，速率为600 b/s；
调制方式为D-BPSK，频率效率为1 b·s-1·Hz-1。

如图1所示，以欧洲为例，上行链路频率在868.00～868.20 MHz范围内，共192 kHz，最大功率限制为25 mW。欧盟规定最大占空比为1%，占空比限制是为了SIGFOX与其他通信系统之间可以共同使用ISM频带。

图1 SIGFOX在欧洲的上行频率范围

终端发送具有12字节有效负载的消息，加上各层的开销和地址，变为208 bit，以100 b/s的速率通过空中传输需要2.08 s。SIGFOX基站监控整个192 kHz的频谱并寻找UNB信号进行解调。

服务质量通过分集技术保证。终端随机选择频率发出一条消息，然后再随机选择频率，重复发送2次，每个传输间隔45 ms。终端发出的消息由附近的多个基站联合接收，一条消息平均被3个基站接收，使用了空间、时间、频率分集技术。SIGFOX上行信号的时间频率分布如图2所示。

图2 SIGFOX上行信号的时间频率分布

下行：信道带宽为1.5 kHz，数据速率为600 b/s，调制格式为GFSK，频率利用率为0.4 b·s-1·Hz-1。

以欧洲为例，下行链路频段仅限于869.40～869.65 MHz范围内的频率。在下行链路的情况下，功率输出被限制为最大500 mW，欧盟规定最大占空比为 10%。

2.1.3 超窄带技术分析

由于在868 MHz附近需要使用100 Hz的超窄带带宽，因此不适用于多径多普勒信道。当终端设备的高速移动，或终端靠近高速移动物体时（例如高速公路附近）容易造成存在多普勒效应的多径信号，信号在100 Hz频带内衰减严重，信号接收困难。因此SIGOFX仅支持静止节点或低速度移动的节点。

超窄带信号发射时间长（2.08 s），容易导致数据冲突，再考虑到终端之间不同步，2.08 s中部分时间上发生冲突的概率更高。另外免许可频段中，还存在其他共存系统的干扰，长时间的发射容易被干扰。

为了避免冲突和干扰，终端在不同频点、不同时间，重复发送相同的数据。从频点角度来说，系统内存在1 920个频点可以伪随机选择，降低了不同终端选择到相同频点的概率，让系统达到可用的状态，但是这些措施增加了每条消息的播出时间，在时间上加剧了冲突，并且造成了功率的浪费。

2.2 LoRa技术

2.2.1 概述

LoRa属于物理层技术，它是基于宽带线性扩频（Chirp Spread Spectrum, CSS）的扩频调制技术。由法国公司 Cycleo开发[5]，后来被美国公司Semtech收购[6]。LoRaWAN定义了软件通信协议和系统架构。LoRaWAN协议由开放的非营利LoRa联盟管理，Semtech是该联盟的创始成员[7]。LoRa和LoRaWAN共同定义了一种低功耗广域网络协议，LoRa数据速率范围为每通道0.3～50 kb/s，覆盖距离城区5 km，郊区15 km，通常使用150 kHz带宽[8-9]。

2.2.2 关键物理层技术—宽带线性扩频

宽带线性扩频是为雷达应用而开发的，后来用于军事和安全通信。2000年后，由于低功率、抗多径、抗衰落、抗多普勒和抗带内干扰等特性，在许多通信场合中得到应用。例如IEEE 802.15.4标准采用宽带线性扩频，用于低速率无线个域网（Low Rate-Wireless Personal Access Network, LRWPAN），比使用 O-QPSK的直接序列扩频（DSSS）的覆盖范围更大、移动性更好。

LoRa中基于宽带线性扩频，通过产生一个宽带线性调频信号来实现频率的不断变化。使用宽带线性扩频后，收发容易同步且频率偏移发射器和接收器是等效的，降低了接收器设计的复杂性。LoRa的关键调制流程如图3所示。

图3 LoRa的关键调制流程

LoRa调制的比特率（Bit Per Second, BPS）、符号率（Symbol Per Second, SPS）、码片率（Chip Rate, CR）、带宽（Band Width, BW）的关系如下：

其中，SF个bit转变为1个符号。当上行带宽为125 kHz时，根据上述公式列出表1。

表1 LoRa的上行物理层参数关系

SF越大，符号时间越长。图4和图5就是在带宽为150 kHz的情况下，SF分别等于7和8时在4.096 ms内的频率分布。SF=7时，发送的数据比特为7×4=28个连续0；
当SF=8时，发送的数据比特为8×2=16个连续的0。

图4 SF=7时的信号时间频率分布

图5 SF=8时的信号时间频率分布

在一个符号时间内，频率覆盖150 kHz，在开始点的起始频率确定了符号对应的SF个bit序列。例如在SF=7的情况下，“000，0000”和“010，0000”的2个扩频信号如图6所示。

图6 SF=7时的扩频信号

2.2.3 宽带线性扩频的分析

LoRa在一定程度上克服了SIGFOX的数据速率极慢和多普勒衰落问题。在扩频中，窄带信号不断改变频率，占据更宽的信道带宽。带宽增加了处理增益，提高了信噪比。扩展因子代表处理增益，较高的扩展因子可在较低的数据速率下实现更广的覆盖范围。因此LoRa可以有效地支持速度高达40 km/h的移动节点[10]。与SIGFOX信号相比，经过扩频，LoRa更能抵御拦截和窃听企图。

LoRa的缺点是对频谱利用率低，因为需要更多的带宽来传输少量的数据，这会导致不良的共存行为和严重的可扩展性问题。在有限的sub-GHz频谱中，高宽带数据流量与随机发送的纯ALOHA中的不协调传输相结合，可能导致消息重叠并最终导致数据包错误。当使用高SF时，由于消息传输时间长，消息重叠更为严重。

使用不同的扩频因子和带宽组合（即正交性）以及更多的基站是能够部分解决这个问题的常用方法。然而，将每个基站安排到不同的频率需要复杂的网络管理，并且需要线性扩频的专业知识。

2.3 MIOTY技术

2.3.1 概述

MIOTY是2018年弗劳恩霍夫集成电路研究所（Fraunhofer IIS）提出的LPWAN方案。2018年6月，欧洲电信标准协会（ETSI）将MIOTY写入TS103357 V1.1.1，作为低通量网络（Light Traffic Network, LTN）的电报拆分-超窄带（Telegram Splitting-UNB, TS-UNB）技术规范[9]。

MIOTY使用ISM频带中的上行100 kHz、下行100 kHz信道，可实现远距离通信和组网应用，适用于大规模工业和农业物联网部署。

2.3.2 关键物理层技术—电报拆分

MIOTY采用电报拆分多址（Telegram Splitting Multiple Access, TSMA）技术。TSMA是一种随机信道接入方法：终端的一个数据包利用一个无线帧进行传输。在一个无线帧内，传输分为数个突发，一个突发承载一个数据子包。这些突发不连续地发送，突发之间有空闲间隔，且间隔的时长伪随机分布；
同时，突发使用的频率也呈伪随机分布。基站仅需要接收一部分突发即可对传输的有效载荷进行解码，因此该方法提供了高抗干扰能力，无论干扰是来自系统内或系统外。

伪随机分布来源：数据包内容确定的频率偏移模式、时间偏移模式；
终端的晶振偏差；
终端不同步造成的随机访问信道。

任何时候终端只要有可用的传输数据，就发起通信，无需网络同步。下行链路通信由上行链路传输触发。在接收到上行链路传输之后，基站可以在一个定义的时间后发送下行链路传输。

MIOTY的调制方式为GMSK，符号传送率为2 380.371符号/秒，信息传送率为2 380.371 b/s，占用频率为2 380.371 Hz，上行的最大路损为153 dB，下行的最大路损为161 dB。

以上行标准模式为例：在带宽100 kHz的情况下，载波的间隔为2 380.371 Hz；
在一个无线帧内，载波精度为±5.0 Hz。1个有效字节为10 Byte的数据包，加上各层的帧头、地址、CRC等开销，在物理层扩展为576 bit，划分为24个子包，每个子包含24 bit，在子包中间插入12 bit的导频码，这样一个子包，包括36个比特（符号）。子包的结构及间隔如图7所示。

图7 子包的结构及间隔

1个子包的传送时间为36/2 380=15.12 ms，这样24个子包的总发送时间为363 ms。注意到两个子包之间存在时间间隔，间隔的定义是连续两个子包中间的间隔。这个间隔是根据时间偏移模式进行随机分布，例如间隔为330或587个符号。MIOTY数据子包的时间频率分布如图8所示。

图8 MIOTY数据子包的时间频率分布

一个数据包中的子包，根据频率偏移模式，伪随机地分布在24个频率上，占用的100 kHz中的60.233 kHz。即使多达50%的子数据包受到影响，前向纠错也可确保在基站检索到完整的消息。

2.3.3 电报拆分的分析

终端发射一个数据包，拆分成按时间、频率伪随机分布的24个数据子包，使用24个频点，频带利用了100 kHz中的60%，发射时间仅占10%，而且前向纠错保证在50%的数据子包受到干扰情况下可以正常接收数据包，因此电报拆分具有非常高的抗干扰性和系统容量。

单个基站每天能够处理超过100万条消息。此外，在工业物联网等效场景中，电报拆分已被证明在消息传递性和网络可靠性方面大大优于LoRa中的宽带线性调频扩频。

除了服务质量之外，电报拆分同时提供了能耗优势。每个子数据包传输后，节点进入“睡眠模式”的无传输时间明显更长。较短的发射时间（36个符号）和较长间隔时间（330个符号或以上）可最大限度地降低功耗，同时让电池有时间恢复，从而显著延长电池寿命。

与相干解调相结合的子数据包空中接口的时间短，进一步减小了多普勒衰落效应。即使某些子数据包遭受深度衰减，前向纠错也能确保受到的影响最小。Telegram Splitting系统可以连接以高达120 km/h速度移动的终端节点[5]，大大优于SIGFOX和LoRa。

本文分析了SIGFOX、LoRa、MIOTY物理层技术的各自特点。MIOTY相较于LoRa、SIGFOX，在物理层信号方面优点突出：降低冲突、针对电池优化发射、抗多普勒、抗多径等，因此MIOTY在系统容量、节电、速率方面代表新一代LPWAN的高水平，为工业和商业市场中的大规模物联网部署提供了强大、可扩展和节能的架构。

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