Sub-1GHz(低于1GHz)组网协议在物联网(IoT)应用中具有显著优势，尤其是在需要长距离、低功耗和强抗干扰能力的场景中。Sub-1GHz频段通常包括315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz等频率，这些频段在全球不同地区有不同的使用规定。
Sub-1GHz无线通信技术广泛应用于物联网、智能家居、智能城市、工业自动化等领域，支持多种协议，如Thread、Zigbee、BLE5.3、IEEE 802.15.4g、6LoWPAN、MIOTY、Wireless M-Bus、Wi-SUN、KNX RF、Amazon Sidewalk等。这些协议使得Sub-1GHz能够灵活地满足各种应用需求，包括低功耗Mesh网络、传感器网络以及大规模设备连接。
Sub-1GHz频段的主要特点包括：
- 长距离传输：Sub-1GHz频段的信号具有较强的穿透能力，能够在没有电缆布线的情况下覆盖广阔的区域，适合于大规模的无线网络部署。
- 低功耗：由于其较低的频率，Sub-1GHz设备在运行时的功耗较低，非常适合电池供电的物联网设备。
- 抗干扰能力强：Sub-1GHz频段较少受到其他无线设备(如Wi-Fi和蓝牙)的干扰，因此在复杂的电磁环境中也能保持稳定的通信。
- 多种调制方式：Sub-1GHz支持多种调制方式，如OOK、ASK、(G)FSK、4(G)FSK、MSK等，可以根据具体应用场景选择合适的调制方式以优化性能。
此外，Sub-1GHz还支持专有无线协议，这种协议可以根据特定应用需求进行优化，实现超低功耗和超远距离连接。然而，需要注意的是，Sub-1GHz没有统一的全球协议栈，如果需要组网，则可能需要开发一套自己的组网协议，这可能会增加开发难度和成本。
Sub-1GHz组网协议凭借其长距离、低功耗和强抗干扰能力，在物联网领域得到了广泛应用，并且支持多种成熟的通信协议，使其成为构建大规模无线网络的理想选择。
一、 Sub-1GHz组网协议在全球不同地区的使用规定和频率分配情况是什么?
Sub-1GHz组网协议在全球不同地区的使用规定和频率分配情况如下：
1. 全球免费ISM频段：
全球范围内，433 MHz频段被广泛使用，且通常为免费频段。
北美和澳大利亚使用915 MHz频段，而欧洲使用868 MHz频段。
2. 具体国家/地区的频率分配：
在北美，Sub-1GHz频段包括315 MHz、433 MHz和915 MHz。
欧洲主要使用868 MHz频段，但也有部分国家使用433 MHz频段。
印度则使用433 MHz和865-867 MHz频段。
3. 特定国家的Sub-1GHz频段：
在日本，Sub-1GHz频段为916.5-927.5 MHz。
在中国、韩国和新加坡，也有特定的频道划分。
4. 移动通信中的Sub-1GHz频段：
在移动通信领域，低于1GHz的频谱带对于扩大网络覆盖、确保服务连续性以及提升室内环境的服务质量至关重要。
全球有507家运营商在169个国家/地区持有许可证，允许使用低于1GHz的频谱启动LTE或5G服务。
5. 其他Sub-1GHz频段：
Sub-1GHz频段还包括769–935 MHz、315 MHz等。
这些频段通常用于工业、科学和医学应用，并且在全球范围内免费提供。
二、 Sub-1GHz频段上实现低功耗Mesh网络的方法?
在Sub-1GHz频段上实现低功耗Mesh网络的具体技术和方法涉及多个方面，包括硬件选择、网络拓扑设计、协议栈应用以及功耗管理等。以下是详细的分析和解答：
1. 硬件选择：
射频收发器：选择高性能、低成本的Sub-1GHz射频收发器是关键。例如，BC3603是一款适用于315MHz、433MHz、470MHz、868MHz和915MHz频段的Sub-1GHz OOK/GFSK射频收发器，其在433MHz频段下接收模式电流消耗仅为5.9mA，提供+19dBm的TX输出功率，并且具有低噪声、低IF接收器，能够在2kbps数据速率下达到-120dBm的灵敏度。
接收模块：BCM-2302-SP1是一款超低功耗、高性能的Sub-1GHz低IF OOK接收模块，支持315MHz、433.92MHz和868.35MHz频段的无线应用，其在深度睡眠模式下的工作电流仅为0.5μA，在接收模式下的典型值为3.2mA。
2. 网络拓扑设计：
Mesh网络拓扑：Mesh网络通过多跳互连和网状自组网拓扑特性，能够实现任意节点间直接建立信道，并通过子节点中继信号来扩大覆盖范围。这种拓扑结构不仅提高了网络的健壮性，还增强了网络的灵活性和可靠性。
边界路由和全功能节点：在Mesh网络中，通常至少有一个根节点和边界路由，根节点负责协调整个网络的管理事务，而边界路由则使网络与外网建立IPv6通信。全功能节点作为普通节点和信号中继节点，低功耗节点则由电池供电，通常处于睡眠状态，仅在有事务发生时工作。
3. 协议栈应用：
6LoWPAN协议栈：6LoWPAN是一种基于IPv6协议的无线Mesh网络协议栈，支持多跳互连和网状自组网拓扑特性。它能够实现任意节点间直接建立信道，并通过子节点中继信号来扩大覆盖范围。此外，6LoWPAN还支持低功耗和通信安全，所有节点间通信采用AES-128加密技术保证信息传输安全。
IEEE 802.15.4技术规范：该技术规范专注于定义与设备的低成本、低功耗通信技术。基于此规范的网络节点都能支持超低功耗，一节电池可维持节点运行两年以上。
4. 功耗管理：
动态路由管理：动态路由管理特性使Mesh网络能够自修复节点变化，从而保持网络的稳定性和可靠性。
超低功耗设计：例如，ST的S2-LP收发器在Sub-1GHz频段上具有超低电流消耗(接收器7 mA，发送器10 mA @ +10 dBm)，并且支持数百公里远距离连接，适用于多种无线应用。
链路层功能：额外的链路层功能如RSSI用于频道评估、自动确认和自动重传、WOT和WOR等，有助于降低主机MCU的负载，同时保持无线通信链接。
在Sub-1GHz频段上实现低功耗Mesh网络需要综合考虑硬件选择、网络拓扑设计、协议栈应用以及功耗管理等多个方面。
三、 Sub-1GHz频段支持的专有无线协议有哪些
Sub-1GHz频段支持的专有无线协议主要包括ST的S2-LP、CMT2300A、CMT2380F29和CMT2310A等。这些协议通过多种技术手段优化以实现超低功耗和超远距离连接。
1. ST S2-LP
ST推出的S2-LP是一款专为智能连接设备设计的超低功耗、超远距离Sub-1GHz无线收发器。其主要特点包括：
- 超低功耗：关闭电流仅为2.5 nA，支持长达10年无需更换电池的使用时间。
- 高灵敏度：接收灵敏度高达-130 dBm，确保在远距离下仍能稳定通信。
- 灵活的网络拓扑：支持点对点、星型和网状网络拓扑结构，适用于建筑和工厂自动化、智能电网、警报和安防以及物联网等应用场景。
- 全球网络兼容性：可连接Sigfox全球网络，为数亿传感器提供可靠、经济高效的通信解决方案。
2. CMT2300A
CMT2300A是一款高性能、多功能的Sub-1GHz射频收发器，其优化措施包括：
- 多种调制方式：支持OOK、(G)FSK和(G)MSK调制解调方式，数据速率可达300kbps。
- 低功耗模式：具备超低功耗接收模式，睡眠电流极低，仅需8.5mA电流即可达到-121 dBm灵敏度。
- 灵活的Duty Cycle模式：通过配置寄存器实现超低功耗运行，包括五种RX Duty Cycle模式和三种TX Duty Cycle模式。
- 多种数据包格式及编解码方式：支持直通及包模式，可配置包处理机及64-Byte FIFO，不归零、曼切斯特、数据白化编解码和前向纠错。
3. CMT2380F29
CMT2380F29是一款基于ARM Cortex-M0内核的超低功耗Sub-1GHz无线收发器，其优化措施包括：
- 高集成度：内置29.5kB闪存，支持加密存储和超过10万次的循环寿命，数据保留时间长达10年。
- 多种通信接口：支持UART、SPI和I2C接口，以及高速ADC和比较器等模拟接口。
- 低功耗管理：支持运行模式、停止模式和电源关闭模式，时钟频率最高可达48MHz。
- 高效的RF特性：工作频率范围为127-1020MHz，调制方式包括(G)FSK、(G)MSK和OOK，数据速率0.5-300kbps，灵敏度-121dBm @ 434MHz。
4. CMT2310A
CMT2310A是一款高性能的Sub-1GHz射频收发器，其优化措施包括：
- 多种调制方式：支持OOK、(G)FSK和4(G)FSK调制解调，数据率从0.1至1000 kbps。
- 快速稳定的自动频率校正：具备三种时钟恢复系统(CDR)，有效信号监测和跳频控制功能。
- 超低功耗接收模式：支持多种超低功耗接收模式，具有快速稳定的自动频率校正和天线分集功能。
这些Sub-1GHz频段的专有无线协议通过灵活选择物理层特性(如输出传输功率、调制方案、数据速率和信道带宽)，并开发专有协议，实现了超低功耗和超远距离连接。
四、 大规模无线网络Sub-1GHz组网协议的解决方案
在构建大规模无线网络时，Sub-1GHz组网协议面临的主要挑战和解决方案如下：
1. 主要挑战
Sub-1 GHz频段的可用频谱非常有限，这导致了频谱效率成为系统设计中的主要关注点。例如，IEEE 802.11ah标准在设计物理层时参考了IEEE 802.11ac，以提高系统吞吐量。
在Sub-1 GHz频段上运行的多种技术(如IEEE 802.15.4g和IEEE 802.11ah)之间存在严重的干扰问题。这些技术由于基本协议差异和信道访问参数差异，导致共存时的干扰问题。例如，IEEE 802.11ah的能量检测空闲信道评估(ED-CCA)机制在低功耗周期场景下表现不佳，尤其是在支持1 MHz信道的情况下。
许多Sub-1 GHz LPWAN技术仍处于早期发展阶段，缺乏对服务质量、漫游和服务管理的优化。
随着物联网设备数量的增加，不同技术之间的共存变得越来越复杂。例如，IEEE 802.15.4g和IEEE 802.11ah在S1G频段上的共存需要解决信道访问效率低下的问题。
2. 解决方案
TGah(Task Group ah)设计了新的物理层，并在MAC层进行了改进，以增加系统吞吐量。此外，由于新系统将操作在完全不同的频段上，因此可以定义一些新的紧凑帧格式来减少协议开销。
IEEE 802.19.3工作组被提议成立，以制定标准实现IEEE 802.15.4g和IEEE 802.11ah在Sub-1 GHz频段上的共存。提出了基于主动载波感知的CSMA/CA机制，用于减少IEEE 802.11ah流量干扰下的CSMA/CA失败数据包丢弃，并保持与传统IEEE 802.15.4g CSMA/CA机制的互操作性。
提出了一种自适应退避程序，以提高IEEE 802.15.4设备与IEEE 802.11设备共存时的包传输率。
这些技术旨在解决IEEE 802.15.4g和IEEE 802.11ah网络的共存问题，并提出了一种创新的混合CSMA/CA机制，以应对IEEE 802.11ah设备对信道访问的更积极竞争。
研究需要进一步探索使用LPWAN芯片或专用设备进行频谱感知技术的有效性，以识别干扰水平和干扰技术。此外，通过网络内优化、跨技术共存与合作以及管理功能的虚拟化，可以提升LPWAN网络性能。
Sub-1GHz组网协议面临的主要挑战包括频谱稀缺性、干扰问题、服务质量管理和跨技术共存与合作。
五、 Sub-1GHz与高频段(如2.4GHz和5GHz)无线通信技术相比优势和局限性
Sub-1GHz无线通信技术在物联网(IoT)应用中相较于高频段(如2.4GHz和5GHz)具有显著的优势和局限性。
1. 优势：
- 更好的传输范围和穿透能力：Sub-1GHz频段的信号在自由空间和障碍物(如建筑物、树木等)中的传播损失较小，因此能够实现更长的传输距离和更强的穿透能力。这使得Sub-1GHz频段特别适合需要覆盖大范围或需要穿透障碍物的应用场景，例如室内环境、医院和办公室等。
- 较少的干扰：Sub-1GHz频段相对于2.4GHz频段来说，使用较少，因此干扰较少，通信可靠性更高。这对于需要稳定连接的IoT应用尤为重要。
- 低功耗和长电池寿命：Sub-1GHz频段的设备通常设计为低功耗，适合于需要长时间运行且更换电池不便的物联网设备。例如，智能手表和其他可穿戴设备可以利用Sub-1GHz频段实现低功耗的无线通信。
- 无需许可频谱：Sub-1GHz频段通常属于无需许可的频谱，这意味着设备可以更容易地部署而无需复杂的许可程序。
2. 局限性：
- 带宽限制：Sub-1GHz频段的可用带宽较窄，例如在美国，Sub-1GHz频段的带宽仅为26MHz。这限制了数据传输速率，可能不适合需要高数据速率的应用场景。
- 数据传输速率较低：由于带宽的限制，Sub-1GHz频段的数据传输速率通常低于2.4GHz和5GHz频段。这意味着在需要快速数据传输的应用中，Sub-1GHz可能不是最佳选择。
- 未来可能面临干扰问题：随着越来越多的IoT网络迁移到Sub-1GHz频段，这些频段可能会面临类似的干扰问题。如果管理不当，这些频段可能会变得拥挤并影响通信质量。
Sub-1GHz无线通信技术在物联网应用中具有传输范围广、穿透能力强、低功耗和无需许可频谱等优势，但同时也存在带宽有限和数据传输速率较低等局限性。
