Sub-1GHz

一、技术介绍

Sub - 1GHz 指的是工作频率低于 1GHz 的无线通信技术。在无线通信的频谱中，低于 1GHz 的频段有着独特的优势和特点。与常见的 2.4GHz 频段相比，Sub - 1GHz 频段的波长更长，这使得它在传播过程中具有更好的绕射和穿透能力。

在实际应用中，Sub - 1GHz 技术能够实现更远的通信距离。例如，在一些开阔的农村或山区环境中，使用 Sub - 1GHz 技术的设备可以轻松实现数公里甚至数十公里的通信，这对于一些需要大范围覆盖的应用场景，如远程抄表、智能农业等非常重要。

同时，Sub - 1GHz 技术还具有较低的功耗。由于其工作频率较低，设备在发射和接收信号时消耗的能量相对较少，这使得采用该技术的设备可以使用电池长时间供电，减少了频繁更换电池的麻烦，特别适用于一些难以频繁维护的应用场景，如野外环境监测设备。

二、常见分类

（一）LoRa（Long Range）

1. 特点
   • LoRa 是一种基于扩频技术的远距离无线传输方案。它具有非常出色的远距离通信能力，在理想环境下，通信距离可以达到数十公里。
   • 其功耗较低，适合电池供电的设备长期运行。例如，一些基于 LoRa 的智能抄表设备，可以使用电池工作数年而无需更换。
2. 应用场景
   • 广泛应用于智能农业领域，用于监测土壤湿度、温度、光照等环境参数。通过在农田中布置多个 LoRa 传感器节点，可以将数据实时传输到监控中心，实现对农田环境的精准监测和管理。
   • 在智能城市建设中，LoRa 可用于路灯控制、垃圾桶满溢监测等。例如，通过在路灯上安装 LoRa 模块，可以实现远程控制路灯的开关和亮度调节，达到节能的目的。

（二）SigFox

1. 特点
   • SigFox 是一种低功耗广域网络（LPWAN）技术，专注于提供低成本、低数据速率的通信服务。它采用了超窄带技术，能够在有限的频谱资源下实现大量设备的连接。
   • 网络部署成本相对较低，适合大规模物联网应用的快速推广。
2. 应用场景
   • 在资产跟踪领域，SigFox 可以用于跟踪货物、车辆等的位置信息。例如，物流企业可以在货物上安装 SigFox 定位设备，实时了解货物的运输状态和位置。
   • 用于环境监测，如空气质量监测、水位监测等。通过在不同地点布置 SigFox 传感器节点，可以实时收集环境数据并上传到云端进行分析。

（三）ZigBee（Sub - 1GHz 频段）

1. 特点
   • ZigBee 是一种短距离、低功耗的无线通信技术，在 Sub - 1GHz 频段也有应用。它具有自组网能力，多个 ZigBee 设备可以自动组成一个网络，实现设备之间的互联互通。
   • 通信速率相对较低，但对于一些对数据传输速率要求不高的应用场景已经足够，如智能家居中的一些简单控制设备。
2. 应用场景
   • 在智能家居领域，ZigBee 可以用于连接各种智能设备，如智能开关、智能插座、门窗传感器等。用户可以通过手机 APP 远程控制这些设备，实现家居的智能化管理。
   • 工业自动化领域，用于一些小型设备之间的通信和控制，如传感器与执行器之间的信息交互。

（四）NB - IoT（Narrow Band Internet of Things）

1. 特点
   • NB - IoT 是一种基于蜂窝网络的窄带物联网技术，工作在 Sub - 1GHz 频段。它具有广覆盖、大连接、低功耗等特点。
   • 能够直接部署在现有的 GSM、UMTS 或 LTE 网络上，便于运营商进行网络升级和扩展。
2. 应用场景
   • 智能抄表方面，NB - IoT 可以实现电表、水表、燃气表等的远程抄表，提高抄表效率和准确性。
   • 在智能停车领域，通过在停车位上安装 NB - IoT 传感器，可以实时监测停车位的使用情况，并将信息上传到停车管理系统，方便车主查找空闲停车位。

三、技术原理

（一）信号传播原理

Sub - 1GHz 频段的信号传播主要基于电磁波传播理论。由于其频率较低，波长较长，一般在几十厘米到数米之间。根据电磁波的传播特性，低频信号在传播过程中具有更好的绕射和穿透能力。

当信号遇到障碍物时，较长的波长使得信号能够绕过障碍物继续传播，而不像高频信号那样容易被障碍物阻挡。例如，在城市环境中，Sub - 1GHz 信号可以绕过建筑物、树木等障碍物，实现较远距离的通信。

同时，低频信号在穿透障碍物时，衰减相对较小。比如，在室内环境中，Sub - 1GHz 信号可以更容易地穿透墙壁等障碍物，到达室内的设备，而 2.4GHz 信号在穿透墙壁时会有较大的衰减。

（二）调制解调原理

不同的 Sub - 1GHz 技术采用了不同的调制解调方式。

1. LoRa 的扩频调制
   • LoRa 采用了 Chirp 扩频调制技术。在发送端，原始数据被编码后，通过将其调制到一个线性调频信号上进行传输。这个线性调频信号的频率会在一个较宽的频带内线性变化。
   • 在接收端，通过匹配滤波器将接收到的信号与本地产生的线性调频信号进行相关运算，从而恢复出原始数据。这种扩频调制方式使得 LoRa 信号具有较强的抗干扰能力，能够在复杂的电磁环境中稳定传输。
2. SigFox 的超窄带调制
   • SigFox 采用超窄带调制技术，它将信号带宽压缩到非常窄的范围内。在发送端，数据被调制到一个极窄的载波上进行传输。
   • 由于信号带宽窄，使得 SigFox 能够在有限的频谱资源下实现大量设备的连接，同时也降低了信号的干扰。在接收端，通过精确的频率跟踪和信号解调技术，恢复出原始数据。
3. ZigBee 的调制方式
   • ZigBee 在 Sub - 1GHz 频段通常采用二进制相移键控（BPSK）或四相相移键控（QPSK）调制方式。在 BPSK 调制中，二进制数据通过改变载波的相位来表示，例如，用 0 度相位表示“0”，180 度相位表示“1”。
   • 在 QPSK 调制中，每两个二进制数据比特被映射到一个载波的四个相位之一，从而提高了数据传输速率。接收端通过检测载波的相位变化来恢复原始数据。
4. NB - IoT 的调制方式
   • NB - IoT 采用了单载波频分多址（SC - FDMA）和正交频分多址（OFDMA）技术。SC - FDMA 主要用于上行链路，它将输入的数据分成多个子载波，通过对这些子载波进行调制和复用，实现数据的传输。
   • OFDMA 用于下行链路，它将可用的频谱资源划分为多个正交的子载波，每个子载波可以独立地传输数据。接收端通过解调和复用技术，将接收到的信号恢复为原始数据。

（三）组网原理

不同的 Sub - 1GHz 技术在组网方式上也有所不同。

1. LoRaWAN 组网
   • LoRaWAN 是基于 LoRa 技术的一种广域物联网协议。它采用星型拓扑结构，由终端设备、网关和网络服务器组成。
   • 终端设备（如传感器、执行器等）通过 LoRa 无线通信与网关进行数据传输。网关负责接收终端设备发送的数据，并将其转发到网络服务器。网络服务器对数据进行处理和管理，并将控制指令发送给终端设备。
2. SigFox 组网
   • SigFox 网络采用了类似蜂窝网络的架构，由基站、核心网络和应用服务器组成。
   • 终端设备与附近的基站进行通信，基站将接收到的数据传输到核心网络，核心网络对数据进行处理和转发，最终将数据发送到应用服务器。应用服务器为用户提供数据存储、分析和管理等服务。
3. ZigBee 组网
   • ZigBee 支持多种组网拓扑结构，包括星型、树型和网状网络。在星型网络中，有一个协调器设备，其他终端设备直接与协调器进行通信。
   • 在树型和网状网络中，设备之间可以通过多跳的方式进行通信，增加了网络的覆盖范围和可靠性。当一个设备需要发送数据时，它可以通过邻居设备将数据转发到目标设备。
4. NB - IoT 组网
   • NB - IoT 基于现有的蜂窝网络架构，由 NB - IoT 终端、基站（eNodeB）、核心网和应用服务器组成。
   • NB - IoT 终端通过无线信号与基站进行通信，基站将数据传输到核心网，核心网对数据进行处理和转发，最终将数据发送到应用服务器。应用服务器为用户提供各种物联网应用服务。

四、发展历史

（一）早期探索阶段（20 世纪末 - 21 世纪初）

在 20 世纪末，随着物联网概念的逐渐兴起，人们开始关注低功耗、远距离的无线通信技术。研究人员发现，Sub - 1GHz 频段具有适合物联网应用的特点，如良好的传播特性和较低的功耗。一些早期的研究机构和企业开始对 Sub - 1GHz 频段的无线通信技术进行探索和实验。

（二）技术诞生阶段（2010 年左右）

2010 年前后，一些重要的 Sub - 1GHz 技术相继诞生。例如，LoRa 技术由法国公司 Cycleo 研发，后来被 Semtech 公司收购并推广。LoRa 技术以其出色的远距离通信能力和低功耗特性，迅速引起了物联网行业的关注。

同年，SigFox 公司开始大力推广其超窄带物联网技术，致力于为全球范围内的物联网应用提供低成本、低数据速率的通信解决方案。

（三）标准制定与发展阶段（2013 - 2015 年）

在这一阶段，随着 Sub - 1GHz 技术的不断发展，相关的标准和协议也逐渐完善。例如，LoRa Alliance 于 2015 年成立，致力于推广 LoRaWAN 标准，统一 LoRa 技术的应用规范，促进 LoRa 技术在全球范围内的大规模应用。

同时，3GPP 也开始对 NB - IoT 技术进行标准化工作，为 NB - IoT 技术的商业化推广奠定了基础。

（四）商业化应用阶段（2016 年至今）

从 2016 年开始，Sub - 1GHz 技术进入了大规模商业化应用阶段。各大运营商纷纷开始部署 NB - IoT 网络，为智能抄表、智能停车、智能物流等领域的应用提供了网络支持。

LoRa 技术也在全球范围内得到了广泛的应用，特别是在智能农业、工业监控等领域。SigFox 网络也在一些国家和地区实现了商用，为各类物联网应用提供了通信服务。

五、应用场景

（一）智能抄表

1. 电表抄表 在传统的电表抄表方式中，需要人工定期到现场读取电表数据，效率低下且容易出现误差。采用 Sub - 1GHz 技术的智能电表可以实现远程自动抄表。 例如，使用 NB - IoT 或 LoRa 技术的电表，能够实时将用电量数据传输到电力公司的服务器。电力公司可以通过后台系统实时监控用户的用电情况，及时发现异常用电行为，提高了抄表效率和准确性，同时也降低了运营成本。
2. 水表和燃气表抄表 对于水表和燃气表，同样可以采用 Sub - 1GHz 技术实现远程抄表。在一些老旧小区，由于管道布局复杂，人工抄表难度较大。而安装了具有 Sub - 1GHz 通信功能的水表和燃气表后，数据可以自动上传到管理部门的系统中。 例如，通过 SigFox 技术，水表和燃气表可以定期将用水量和用气量数据发送到相关部门，避免了人工抄表的繁琐和误差，提高了资源管理的效率。

（二）智能农业

1. 环境监测 在农业生产中，了解土壤湿度、温度、光照等环境参数对于农作物的生长至关重要。通过在农田中布置多个基于 Sub - 1GHz 技术的传感器节点，可以实时监测这些环境参数。 例如，使用 LoRa 传感器节点，可以将土壤湿度数据传输到监控中心。农民可以通过手机 APP 或电脑端实时查看农田的环境状况，根据数据及时进行灌溉、施肥等操作，实现精准农业。
2. 畜牧养殖 在畜牧养殖领域，Sub - 1GHz 技术可以用于监测牲畜的健康状况和位置信息。例如，在牲畜身上佩戴具有 ZigBee 或 LoRa 通信功能的项圈，项圈可以实时监测牲畜的体温、运动状态等信息，并将数据传输到养殖管理人员的手机或电脑上。 如果牲畜的健康状况出现异常，系统可以及时发出警报，方便养殖人员及时采取措施。同时，通过定位功能，养殖人员可以实时了解牲畜的位置，防止牲畜走失。

（三）智能城市

1. 路灯控制 在城市照明系统中，采用 Sub - 1GHz 技术可以实现路灯的智能化控制。通过在路灯上安装 LoRa 或 NB - IoT 模块，路灯可以根据环境光线强度自动调节亮度。 例如，在深夜行人较少时，路灯可以自动降低亮度，达到节能的目的。同时，管理部门可以通过远程控制中心实时监控路灯的工作状态，及时发现故障并进行维修，提高了路灯的管理效率。
2. 垃圾桶满溢监测 在城市垃圾管理中，及时了解垃圾桶的满溢情况对于合理安排垃圾清运车辆非常重要。通过在垃圾桶上安装 SigFox 或 LoRa 传感器，可以实时监测垃圾桶的满溢状态。 当垃圾桶快满时，传感器会将信息发送到垃圾管理部门的系统中，垃圾管理部门可以根据这些信息合理安排清运车辆的路线和时间，提高了垃圾清运的效率，减少了垃圾外溢对环境的影响。

（四）工业自动化

1. 设备监控 在工业生产中，对各种设备的运行状态进行实时监控是保证生产安全和效率的关键。采用 Sub - 1GHz 技术，如 ZigBee 或 LoRa，可以在设备上安装传感器，实时监测设备的温度、压力、振动等参数。 当设备出现异常时，传感器会及时将信息发送到监控中心，管理人员可以及时采取措施进行维修和调整，避免设备故障对生产造成影响。
2. 物流跟踪 在工业物流领域，Sub - 1GHz 技术可以用于货物的跟踪和管理。例如，在货物运输过程中，通过在货物包装上安装 NB - IoT 或 LoRa 定位设备，可以实时了解货物的位置和运输状态。 物流企业可以通过后台系统实时监控货物的运输情况，及时调整运输路线和安排，提高物流效率和货物的安全性。

（五）智能家居

1. 智能开关和插座 在智能家居系统中，智能开关和插座是常见的设备。采用 ZigBee 或 Sub - 1GHz 频段的无线通信技术，用户可以通过手机 APP 远程控制开关和插座的通断。 例如，用户在外出时可以通过手机关闭家中的电器设备，避免不必要的能源浪费。同时，智能插座还可以实时监测电器的用电量，为用户提供能源使用情况的统计和分析。
2. 门窗传感器和烟雾报警器 门窗传感器和烟雾报警器是保障家庭安全的重要设备。通过 Sub - 1GHz 技术，这些设备可以与智能家居系统进行通信。 当门窗被打开或烟雾报警器检测到烟雾时，设备会及时将信息发送到用户的手机上，同时可以触发智能家居系统的其他联动设备，如打开灯光、关闭燃气阀门等，提高家庭的安全性。

Sub - 1GHz 技术以其独特的优势和广泛的应用场景，在物联网领域发挥着越来越重要的作用。随着技术的不断发展和创新，相信 Sub - 1GHz 技术将为更多的行业和领域带来变革和发展。