2. LPWAN技术概览：LoRa、NB-IoT、Sigfox的物理层与MAC层对比
做物联网项目，选无线技术就像选工具。锤子、螺丝刀、扳手，各有各的用处。LPWAN领域，LoRa、NB-IoT、Sigfox这三家，基本就是主流选手了。
我这些年做过的项目，从智能水表到农业传感器，几乎都绕不开它们。今天咱们就掰开揉碎，看看这三兄弟在物理层和MAC层到底有啥区别。
2.1 物理层：谁在底层更硬核？
物理层，说白了就是信号怎么发、怎么收。这是最底层的功夫，决定了你的设备能传多远、抗不抗干扰。
2.1.1 LoRa：扩频技术的扛把子
LoRa用的是CSS（Chirp Spread Spectrum）调制。嗯，这个名字听着唬人，其实原理不复杂——就是把信号在很宽的频带上“铺开”。
我个人习惯把LoRa比作“大声喊话”。你嗓门大，别人在嘈杂环境里也能听清。代价呢？喊一次话的时间长，数据速率就慢。
核心参数：
- 工作频段：Sub-1GHz（如868MHz欧洲、915MHz北美、470-510MHz中国）
- 调制方式：CSS（啁啾扩频）
- 数据速率：0.3 kbps ~ 50 kbps
- 接收灵敏度：-148 dBm（SF12时）
我在项目中遇到过一个问题：SF（扩频因子）选大了，传输距离确实远，但一个包要发好几秒。电池扛不住啊！后来我学乖了，动态调整SF，近距离用SF7，远距离用SF12。这叫“看菜下饭”。
2.1.2 NB-IoT：蜂窝家族的瘦身版
NB-IoT是3GPP标准，说白了就是4G/5G的“精简版”。它用了窄带技术，带宽只有180kHz。
你想想看，一个标准LTE载波是20MHz，NB-IoT只占其中一小块。这就像把高速公路上的一个车道划出来，专门跑小货车。
| 参数 | NB-IoT |
|---|---|
| 带宽 | 180 kHz |
| 调制方式 | BPSK / QPSK |
| 数据速率 | 下行~250 kbps，上行~20 kbps |
| 接收灵敏度 | -129 dBm |
NB-IoT有个好处：它复用现有基站。你不需要自己搭网关，运营商帮你搞定。但代价是——你得交SIM卡费。我有个客户，一年下来流量费比设备本身还贵。
2.1.3 Sigfox：极简主义的代表
Sigfox走的是另一个极端。它用超窄带（UNB）技术，每个信道只有100Hz宽。
为什么这么窄？因为窄带信号能量集中，穿透力强。但代价也很明显——数据速率极低，只有100 bps左右。
避坑指南：
我曾经在农业项目中试过Sigfox。传感器每15分钟上报一次土壤湿度，每次只传4个字节。嗯，够用。但后来想加个固件升级功能，发现根本传不了——100 bps传个几百KB的固件，得传好几个小时。
2.2 MAC层：谁在管“谁先说话”？
MAC层解决的是“多设备怎么共享信道”的问题。说白了，就是一群设备都在喊，谁先喊？谁后喊？喊完怎么确认？
2.2.1 LoRaWAN：ALOHA的变种
LoRaWAN的MAC层用的是纯ALOHA协议。设备想发就发，不检测信道是否空闲。
这听起来很粗暴，对吧？但实际效果还不错。为什么？因为LoRa的扩频增益高，不同SF的信号可以同时传输而不互相干扰。这叫“码分多址”。
我建议你记住这个公式：
信道容量 = 信道数 × 每个信道的吞吐量LoRaWAN有8个信道（中国频段），每个信道又分6个SF。理论上，48个设备可以同时发而不冲突。但实际项目中，我一般按30%的负载率设计。
注意：
ALOHA协议有个“吞吐量天花板”。当信道利用率超过18%时，冲突率会急剧上升。我见过一个项目，终端设备太多，网关收包率掉到30%以下。最后只能加网关、分频段。
2.2.2 NB-IoT：蜂窝式的调度
NB-IoT的MAC层是“调度型”的。设备不能随便发，得先向基站申请资源。
流程是这样的：
- 设备发送“随机接入前导码”
- 基站分配上行资源
- 设备在指定时频资源上发送数据
这种方式的优点是：几乎无冲突。缺点是：每次通信前都要“握手”，功耗和时延都上去了。
我记得有个智能路灯项目，要求响应时间小于2秒。NB-IoT的调度延迟加上核心网处理，经常超时。后来我们改用了CoAP的非确认模式，才勉强达标。
2.2.3 Sigfox：极简到极致
Sigfox的MAC层更简单。设备发完就走，不监听、不确认、不重传。
它用了“频率跳变”和“时间分集”来对抗冲突。每个数据包在3个不同频率上各发一次，接收端只要收到任意一个就算成功。
这种设计的好处是：设备功耗极低，协议栈极简。坏处是：可靠性靠“概率”。
实测数据：
我在一个覆盖测试中统计过：Sigfox的单包成功率约70%，三次重发后提升到97%。嗯，够用。但如果你要传关键数据（比如报警信号），建议加应用层确认。
2.3 三张表看懂核心差异
说了这么多，咱们用表格总结一下：
| 维度 | LoRa | NB-IoT | Sigfox |
|---|---|---|---|
| 物理层调制 | CSS扩频 | BPSK/QPSK窄带 | UNB超窄带 |
| MAC层协议 | ALOHA（无调度） | 调度型（有资源分配） | 纯随机（无确认） |
| 数据速率 | 0.3~50 kbps | 20~250 kbps | 100 bps |
| 覆盖范围 | 城市2~5km，农村15km | 城市1~3km，农村10km | 城市3~10km，农村30km |
| 设备成本 | 低（$2~5） | 中（$5~10） | 极低（$1~2） |
| 网络成本 | 需自建网关 | 运营商网络 | 运营商网络 |
2.4 怎么选？我的实战经验
选技术，不能只看参数表。我总结了三句话：
- 要自己控制网络？ 选LoRa。你可以在工厂、农场、园区里自己搭网关，数据不出园区。
- 要运营商级覆盖？ 选NB-IoT。全国漫游、基站现成，适合移动资产追踪。
- 要极低成本、极低功耗？ 选Sigfox。但前提是数据量极小，且能接受偶尔丢包。
我的建议：
如果你刚开始做LPWAN项目，我建议从LoRa入手。为什么？因为你可以用开发板自己搭环境，调试方便。NB-IoT和Sigfox都得找运营商开卡，流程繁琐。等把LoRa玩透了，再考虑其他技术。
好了，这一章就到这里。物理层和MAC层的差异，决定了上层协议怎么设计。下一章，咱们聊聊数据压缩——毕竟LPWAN的带宽这么金贵，怎么把数据“挤一挤”再传，才是真功夫。
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