LPWAN物联网之Sigfox技术案例分享 Sigfox协议、Sigfox调制方式详解

LPWAN是低功耗广域网的简称，其主要的目的是实现物联网设备（如电池运行的传感器）之间以低比特率进行远程通信。LPWAN协议采用Sub GHz频段进行无线电传输。其实LPWAN协议的竞争还是相当激烈的。目前主流的LPWAN通信协议主要是LoRa, NB-IoT, Sigfox等。

LoRa, NB-IoT和Sigfox区别

上述的三种LPWAN物联网协议具有共同的特点：远距离，低功耗，小数据传输，低传输速率强抗干扰特性。但是三种协议又各有优劣，下表列出了一些简单的对比项。

从上图的对比可以得出一些结论:

1)Sigfox相比NB-IoT和LoRa协议具有更窄的调制带宽，因此其可以连接的设备数量更多，传输距离更长。并且具有低成本，低功耗以及数据传输稳定的特点。

2)Sigfox和LoRa都工作在不需要授权的Sub-GHz频段（具体频段由相应的国家和地区规定），对于开发者来说更加灵活。

3)与目前在国内受到主推的NB-IoT相比，Sigfox提供了云端服务，终端设备可以通过Uplink设备交互实现数据直接上云。省去了终端设备与运营商之间的沟通。

上面我们对现在主流的LPWAN通信协议进行了比较，综合来看三种主流的协议各有优劣。那么接下来这篇文章主要针对Sigfox通信协议进行技术详解以及NXP的Sigfox解决方案介绍。

Sigfox协议详解

Sigfox使用带宽为192Khz的ISM公共频段进行上行或者下行空中数据传输。协议使用超窄带信息调制技术。每条message占用100Hz的带宽，其数据传输速率为100bits或者600bits每秒。具体的传输速率的选择需要根据不同地区的规定来设置。

下表是Sigfox不同频率的分区，上行和下行频率的带宽均为192Khz。Sigfox官方根据不同地区将使用的无线电传输频率范围划分成7个无线电频率区(Radio Configuration)，每个频率区有不同的使用规定。

用户可以在Sigfox的官网查询Sigfox服务覆盖的地区和相应地区的无线电频率分区。如下图所示，为Sigfox目前可以提供服务的地区。其中Sigfox在中国香港和中国台湾提供服务，无线电频率分区属于RC4。

欧洲属于RC1区，RC1区有传输占空比的限制，根据欧洲的法规，运行在该无线电频率区的设备在一天之内无线电发射时间需限制在1%的占空比内。也就是说一小时之内允许设备发射的时长为36秒，如果Sigfox数据包长度为8到12bytes,一个小时之内只能发射最多6个数据包，一天之内最多发射140个数据包。同样具有占空比限制的区域还有RC3/RC6/RC7。

RC2和RC4区有跳频通讯要求，运行在该区域的无线电设备需要在三个不同的频段发射三次同一条Message。一条12byte大小的message传输时间为2.08s，Sigfox基站需要扫描监控整个192Khz带宽并对接收到的message进行解调操作。

此外，RC3和RC5区要求通讯支持LBT(Listen Before Talk)。所谓先听后发是指设备在发射前需要先监听信道是否空闲(扫描200KHz信道，确保信道中没有大于-80dB的信号)，确保信道处于空闲状态方可发射信号。

Sigfox调制方式

Sigfox上行通信使用差分二进制相移键控调制（D-BPSK）方式。如下图所示，为差分二进制相移键控调制的原理即利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息。

Sigfox上行调制中加入了码元整形（symbol shaping）,一条Sigfox message中包含若干个二进制码元。在message包的第一个码元之前和最后一个码元之后加入了不含有调制信息的一段额外的无线电传输信号。

如下图所示为一个message信号的波形，包含了第一个bit之前和最后一个bit之后的码元整形。

Sigfox下行通信调制采用高斯频移键控调制(GFSK), GFSK是将输入数据经高斯低通滤波器预调制滤波后，再进行FSK调制。

Sigfox数据帧结构

上行数据帧

下图所示为Sigfox上行数据帧的封装流程，用户应用层发送需要传递的数据，Sigfox的MAC/Link层添加数据长度，设备ID，message count的部分参数以及加密操作，最后phy层对数据添加前导码和包类型。

如下图所示，为Sigfox上行数据包的帧结构：

UL-PR是一个19bits的前导值，默认为0b1010101010101010101。

FT表示数据帧类型，占用13bits大小。提供两种message类型，请参考下表。

LI（length indictor）表示长度标识，是一个2bits的值，LI的值需要严格与下表对应。

REP (Repeated Flag)是一个1bit的重复标志位，默认设置为0x0。

MC (Message Counter)用来做message包的计数，每发送一个message包，MC值就会默认加1。设备可以通过检查数据包来判断是否有丢包现象。MC的最大值为4096。

ID(identifier)表示Sigfox设备的ID号，32位大小，需要注意的是EP identifier需要做大小端数据转置之后写到ID field。

UL message content是Sigfox用户应用层需要传输的message数据。

UL-AUTH (Uplink Authentication)是用来对前面数据内容进行加密操作，需要注意的是其大小是由下表规定的。

Uplink error detection field (UL-CRC)用来对数据包进行16位CRC运算

下行数据帧结构

下图所示为Sigfox下行数据帧的封装流程：

如下图所示，为Sigfox下行数据包的帧结构：

Sigfox下行数据帧结构:

DL-Pr是一个91bits是0和1交错的前导值，最低位和最高位都是1。

FT表示数据帧类型，占用13bits大小，默认值为0b1001000100111。

Downlink error correction (ECC)的作用是根据下图发送纠错码。

DL message是Sigfox downlink设备用户应用层需要传输的message数据。

Downlink authentication (DL-AUTH)的作用是使用AES128对MAC层的数据进行加密操作。

Downlink error detection (DL-CRC)用来对数据包进行8位CRC运算。

Sigfox通信时序

Sigfox通信的时序根据不同频率分区的限制要求以及上行通信和双向通信有不同的时序标准。不同频率分区的限制主要有三种，分别是占空比，跳频以及先听后发。

下图为上行通信传输时具有占空比要求的单帧数据传输时序。需要满足1h内信号发射占空比为1%：

下图为上行通信传输时具有跳频要求的单帧数据传输时序：

下图为上行通信传输时具有先听后发要求的单帧数据传输时序。Sigfox设备发射之前需要监听200khz的频率确保信道为空闲状态：

下图为双向通信传输时具有跳频要求的单帧数据传输时序：

在Sigfox的标准中还给出了基于不同限制条件的多帧传输上行和双向通信时序，大致和上述时序类似。

NXP Sigfox解决方案

上面对Sigfox协议及标准进行了介绍，NXP针对Sigfox协议和标准也有一整套的解决方案，具体的方案框图请参考下图：

MCX A132 + OL2385 Sigfox框图：

MCX A132 + OL2385解决方案实物图：

MCX A132是NXP MCX系列MCU中具有低成本，低功耗特性的一款MCU。

OL2385是NXP推出的Sub-GHz的前端模块，支持频率范围160Mhz到960Mhz。并且提供完整的Sigfox的固件。

NXP

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