技术 | 适用于发展中的工业设备的Sub-GHz无线通信

Powering Industrial Innovations -半导体助推工业设备创新～下一代智能仪表、安防系统和智慧社会需要什么样的无线通信LSI？～










智能仪表、火灾报警器和安防系统等服务我们生活的各种设备，已经开始使用一种被称为“Sub-GHz无线通信”的无线通信技术进行无线连接。与Wi-Fi®和Bluetooth®相比，Sub-GHz无线通信具有“通信距离远”、“功耗低”、“穿越障碍物能力强”、“支持多跳通信”等特点，作为实现物联网社会整体的智能化的关键技术而备受瞩目。
本文将介绍Sub-GHz无线通信的机制、与其他无线通信技术的比较以及具体的应用案例等内容，并探讨该技术对未来社会的影响。
*Wi-Fi是Wi-Fi Alliance的商标或注册商标。
*Bluetooth是Bluetooth SIG的商标或注册商标。
目录
1. Sub-GHz无线通信的四大特点
2. Sub-GHz无线通信标准
3. Sub-GHz无线通信存在的课题
4. Sub-GHz开创的未来1：下一代智能仪表
5. Sub-GHz开创的未来2：满足发展中的安防系统需求
6. Sub-GHz开创的未来3：智慧社会的发展
7. 总结
Sub-GHz无线通信的四大特点
Sub-GHz无线通信是一种工作频段低于1GHz的无线通信技术。尽管其普遍认知度不及Wi-Fi®和Bluetooth®，但Sub-GHz无线通信正越来越多地被用于服务我们生活各个领域的应用中。


Sub-GHz无线通信之所以被称为“物联网社会的关键技术”，是因其具备超越传统Wi-Fi®和Bluetooth®的四大特点。
1. 远距离通信
Sub-GHz无线通信的第一个特点是可以进行远距离通信。无线电波的频率越低，越容易穿越障碍物，受墙壁、地板等的影响越小，因此，有利于远距离传输。Sub-GHz无线通信的频率非常低，低于1GHz，因此比起Wi-Fi®和Bluetooth®等所用的2.4GHz频段和5GHz频段，更适合远距离通信，预计通信距离达到数十km，即使在市区也可达到数km的通信距离。
2. 低功耗
Sub-GHz无线通信很大的一个优点在于其频率低，通信所需的功率小，因而功耗低。该技术尤其适用于电池供电的设备，电池寿命是使用Wi-Fi®和Bluetooth®等技术时的数倍至数十倍。
3. 穿越障碍物能力强
Sub-GHz频段的无线电波很容易穿越障碍物，不容易受墙壁和地板等的影响，可以实现稳定通信。另外，这种通信还不会干扰当前被广为使用的2.4GHz频段的现有设备（如Wi-Fi®、Bluetooth®和微波炉）。


4. 支持多跳通信
Sub-GHz频段的另一个主要特点是支持通过中继器进行通信的“多跳通信”。利用多跳通信，可以进一步延长通信距离，在无线电波难以到达的场所也可实现通信。另外，多跳通信还具有安装成本更低（安装中继器比设立基站更便宜）、抗灾害能力更强（即使基站在灾害中损坏，只要有中继器依旧可以通信）等优势，因此其应用越来越广泛，相应地Sub-GHz无线通信的应用范围也随之扩大。


Sub-GHz无线通信标准
Sub-GHz无线通信有多种标准，每种标准都有不同的特点，需要根据应用需求来选择适合的标准。例如，当需要高速、高可靠性的通信时使用“Wi-SUN®”，当需要以非常低的功耗远距离通信时使用“Sigfox®”，当需要灵活的网络配置和远距离通信时使用“LoRaWAN®”，当需要以低功耗近距离通信时使用“Zigbee®”。
*Wi-SUN是Wi-SUN Alliance的商标或注册商标。
*Sigfox是UNABIZ的商标或注册商标。
*LoRaWAN是Semtech Corporation的商标或注册商标。
*Zigbee是Connectivity Standards Alliance的商标或注册商标。
Sub-GHz无线通信存在的课题
尽管Sub-GHz无线通信是一种潜力很大的技术，但与Wi-Fi®和Bluetooth®等无线通信技术相比，其数据传输速度较慢，加之可用频段因国家而异，因此存在诸如很难在全球范围普及等课题。
要想更方便、更安心地使用Sub-GHz无线通信技术，就需要攻克这些课题。如今，随着使用Sub-GHz无线通信的应用（如智能仪表和火灾报警器等）需要更新换代，相应的技术也在不断进步。
Sub-GHz开创的未来1
下一代智能仪表
Sub-GHz无线通信的典型应用之一是智能仪表。通过使用智能仪表，电力公司可以简化抄表工作、提高效率、适当调整电力供需、优化电网运行，用户可以看到自己的用电量，有利于省电并减少电费。
智能仪表优势显著、使用方便，但其设备寿命从开始运行起大约只有10年。很多国家已经到了用下一代智能仪表更新换代的时候了。


下一代智能仪表需要同时实现高速通信和低功耗，而且要符合国际标准。使这些需求成为可能的是更先进的Sub-GHz无线通信LSI。
其中，Sigfox®是一种专注于低成本、低功耗和远距离通信的LPWA（Low Power Wide Area）技术，作为下一代智能仪表所采用的通信标准越来越受到关注，因此对于支持Sigfox®的Sub-GHz无线通信LSI产品的需求也与日俱增。
Sigfox®是在全球70多个国家使用、可实现无缝跨境通信、而且价格低廉的通信标准，非常适用于需要连接大量设备的物联网应用。
ROHM正在扩充支持Sigfox®的Sub-GHz无线通信LSI产品阵容。例如，利用了ROHM的LAPIS TECHNOLOGY™、且支持Sigfox®的Sub-GHz无线通信LSI“ML7425”是一款接收灵敏度高、可选晶振范围宽（XTAL或TCXO）的无线通信LSI，目前已经获得国内外众多客户的高度好评。


Sub-GHz开创的未来2
满足发展中的安防系统需求
不仅智能仪表，火灾报警器和安防系统也会因故障或电池电量耗尽而需要更换。与此同时，下一代产品已经蜂拥而至。由于火灾报警器和安防系统直接关乎生命，因此对更先进系统的需求不断增长，预计未来相应的需求还会继续增加。
传统的火灾报警器只能检测火灾，安防系统只能检测入侵，功能比较单一，很难与其他系统联动和共享信息。另外，还存在容易受烟雾和虫类等影响而误动作、安装和运行成本高的课题。
于是，攻克了这些课题的新一代安防系统纷纷登场。例如，新一代火灾报警器不仅可以检测烟雾，还可以检测一氧化碳（CO），有些产品还配备了检测温度、湿度、占用率、环境光等的传感器，有些产品还具有检测漏水、玻璃破碎等功能。一些综合安防系统，无需电路布线施工即可安装，而且可通过智能手机轻松操作的产品也在不断涌现。
通过将这些新一代安防系统与智能家居系统等互联，将可能实现更安全、更先进的应用，并可以大大减少危害，同时，还有望通过AI（人工智能）来防止误动作、通过物联网技术来降低成本。
同样，这里的关键技术也是先进的Sub-GHz无线通信LSI。传统的有线式产品已被不需要布线的无线式产品所取代，因此可以说，产品不仅要功耗更低，而且必须能够高速、高频度地获取数据并保持更稳定的通信。
前面提到过的Sub-GHz无线通信LSI“ML7425”具有能够高速接收并处理多个无线信道的功能。这非常适合需要快速处理总机与多个从机之间通信的应用，比如在家用安防系统中实现家庭网关（总机）与各种终端（家电、门窗传感器等）之间的反复通信等。此外，高速处理可以减少CPU负载，从而降低系统功耗，并能够尽快将CPU资源分配给其他处理。


另外，如果实现了高速通信，就能够在短时间内处理数据通信，因此可以降低无线射频（RF）的总功率，控制无线电的微控制器（MCU）等器件也可以快速进入睡眠状态，从而有助于降低系统整体的功耗，还有助于采用容量更小的电池、实现小型化、进一步降低产品成本和延长产品寿命。
对此，ROHM目前正在开发一种消耗电流超低的无线SoC（System on a Chip），该产品将支持更广的频段并满足世界各国的标准要求，支持在全球范围应用。
该产品采用业界超小封装（6mm x 6mm），实现了业界超低消耗电流，而且支持Sigfox® Monarch（外围元器件常数通用、配备高输出PA、支持RC1～RC7），非常适用于包括下一代安防系统和基础设施监控用途在内的、需要电池供电的各种应用。


Sub-GHz开创的未来3
智慧社会的发展
Sub-GHz无线通信的应用不仅局限于智能仪表和安防系统。作为一种有助于整个社会智能化的重要技术，Sub-GHz无线通信有望为各种服务做出贡献。
例如，使用Sub-GHz无线通信的应用已经在智慧城市、智慧工厂、智慧物流和智慧农业等领域得到应用。除此之外，还可应用在与安防系统联动的针对老年人的高级看护服务、基础设施监测和灾难响应等众多领域，预计未来其应用范围会进一步扩大。


总结
除了本文列举的领域外，Sub-GHz无线通信还被广泛应用于IoT（Internet of Things）、M2M（Machine to Machine）和无线传感器网络等众多领域。未来，ROHM将利用LAPIS TECHNOLOGY™继续开发各种满足客户需求的Sub-GHz无线通信LSI产品，敬请期待。
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