远距离射频通信的技术选项，但这些因素对大多数其他类型电池供电的射频节点也有效。水表和燃气表通常称为流量计，它们是由电池驱动的，通常具有10年至20年的电池寿命要求。长电池寿命为网络架构的选择带来严格的限制。为了能够保证电池寿命，这些计量表大多使用星形网络拓扑，因为将这些计量表用作中继器/路由器会使电池寿命不确定，为电池寿命要求带来挑战。

在部署中，网络包含许多计量表和很少的集中器来收集计量数据。集中器通常是比计量表更昂贵的节点，因为较少的量使其可能具有更高级的无线电(例如软件定义无线电)、高电流低噪声放大器(LNA)(通常由电源供电)、更好的天线技术、SAW滤波器等。要获得宽覆盖范围，还必须将集中器放置在有利于射频的好位置。这些类型的基站位置通常需要相对高昂的年费；因此集中器的数量需要尽可能少。在星形网络拓扑中，射频链路的覆盖范围越大，需要的集中器便越少。

给定的输出功率(通常由政府射频法规定义)，射频链路的范围由数据速率决定，即速率越低，覆盖范围就越大，因为接收器的灵敏度得到提高。当然，也存在一定的折衷，因为极低的速率意味着很长的无线电传播时间，这会进而缩短电池寿命。具有很长的电报还会增大与其他无线系统发生干扰/冲突的可能性。因此，在实际的安装中，远距离系统通常使用合理的低数据速率，通常低至1kbps左右，以便使范围与传输时间之间达到最佳的平衡。业内广泛接受适用于远距离和合理的低数据速率的窄带技术，因为它可使范围与传输时间之间达到最佳平衡。

窄带系统被定义为具有低于25kHz的带宽，由于低带内接收噪声(窄接收滤波器可清除大多数噪声)，因此可提供出色的链路预算。通常使用12.5kHz通道间隔以及10kHz接收带宽。此类系统的示例包括警察和安全无线电、海上通信系统、社会警报以及用于欧洲计量应用的新的169MHz无线M-bus(wM-Bus)标准。对于wM-Bus，选择了169MHz窄带以实现最大的水表和燃气表覆盖范围，从而可以使用极少的集中器来实现固定网络部署。

如上所述，该范围在根本上是由数据速率决定的。窄带通信的替代方案是使用宽带高数据速率通信并添加编码增益。使用编码增益不会提高灵敏度或增大范围；它只是另一种表示数据的方法。在网络数据速率/吞吐量相同的情况下，窄带和编码增益系统将具有相似的覆盖范围。通过示例最容易加以说明。

射频系统的一个重要参数是接收带宽(RXBW)。在设置系统的本底噪声时，接收带宽是一个主要因素；PdBm=–174+10log10(RXBW)，即，本底噪声随接收带宽而变化(–174dBm是在室温情况下1Hz带宽中的本底热噪声)。使用该公式，我们可以计算不同通道的本底噪声：

1MHz通道：PdBm=–174+10log10(1MHz)=–114dBm

100kHz通道：PdBm=–174+10log10(100kHz)=–124dBm

10kHz通道：PdBm=–174+10log10(10kHz)=–134dBm

如上所述，RXBW增加10倍可使本底噪声增加10dB。要获得与未编码的12.5kHz窄带系统相同的覆盖范围，必须为100kHz系统使用10dB编码增益，为1MHz系统使用20dB编码增益。该示例显示编码增益不会在窄带系统上提高灵敏度；它只是另一种表示数据的方法。添加更多编码增益不会有任何帮助，因为需要降低网络数据速率或增加RXBW以便与信号相适应。在对远距离射频通信系统进行折衷时，需要了解此基本关系，这一点很重要。

使用编码增益解决方案的主要缺点是频谱效率非常低。以上示例很清楚地显示了这一点。将使用窄带在10kHz通道中发送1kbps信号与使用编码增益在100kHz通道中发送相同的1kbps信号进行比较。当您以编码发送大量冗余数据以补偿更高的本底噪声时，频谱浪费是很明显的。很容易看到，在用于编码的相同100kHz带宽中，有用于10条窄带通道的空间。因此，网络容量是编码增益解决方案的一个主要缺点。

通过扩频以更高的接收灵敏度换取更低的频谱效率(更高的带宽)是与追求更佳频谱利用率的法规要求和全球行业惯例相违背的。无线连接需求的增长导致全球范围对射频频谱需求的增长。政府和监管机构正不断增加对提高无线电系统频谱效率的压力。

低至12.5kHz的窄带和甚至低至6.25kHz的超窄带射频通道都是用于提高频谱效率的成熟可靠的解决方案。

FCC窄带规定：2013年1月1日，所有在150–512MHz范围的无线电频带运行的公共安全和商业工业陆地移动无线电系统必须使用最低的12.5kHz相当效率技术运行，即每个12.5kHz通道的吞吐量至少为9.6kbps。

该规定是FCC确保更有效的频谱使用和更佳的频谱访问努力的结果，这在美国有效地禁止了使用低于512MHz的频率的编码增益方案。欧洲和其他地区也呈现出类似的趋势，以正式强制实施频谱效率。

由于使用了编码增益，因此有可能在同一通道中具有多个正交码，但只有编码增益在这些编码之间提供保护。在上面的示例中具有10dB编码增益，这会针对同一通道中的其他计量表提供低于10dB的保护。基于SimpleLink™低于1GHzCC1120SmartRF收发器的窄带系统提供来自相邻/邻近通道高达65dB的保护–与使用编码增益相比有55dB的差异。55dB在现实生活部署中可带来显著的稳健性和兼容性差异，进而可以在存在干扰的情况下将灵敏度提高55dB。

图1比较了两种情形，第一种情形中没有干扰，第二种情形中有干扰。可以看到，较弱的兼容属性可直接导致覆盖范围减小。

考虑下面图1中的示例，可以在同一带宽中以100kHz编码系统运行10个窄带系统，但由于干扰，很快会遇到主要通信问题，即使尝试仅在同一带宽中运行两个编码系统也是如此。

此外，长时间的编码传输导致其容易受到干扰信号的影响(传输冲突)。由于系统在宽带宽以低速率运行，因此可以很容易以数学方式显示系统对一个窄带干扰体有很强的稳健性。下方左侧的图2中显示了该情形。即使存在窄带干扰体(红色)，编码信号(灰色)也能够运行。由于使用了宽带宽，因此这不是特别相关的情形。可以在下面的图2中看到，由于使用的带宽很宽并且数据速率很低(即无线电传播时间很长)，因此与大量窄带干扰体发生冲突的可能性很大，如左侧的图2中所示。该情形无法通过编码增益加以解决，会显著缩小编码系统的实际覆盖范围。

图2.宽带编码系统与窄带干扰

由于两种情形的网络数据速率/吞吐量是相同的，因此数据包的负载部分将具有相似的长度。但是，接收器中所见的信号完全不同。考虑图3中的眼图。

图3.眼图未编码与编码信号

左侧的图是窄带信号，可以在其中看到张开的眼睛清晰地区分了数据包中的0和1，即“眼睛是张开的”。通过TICC1120/CC1200SmartRF收发器的高性能WaveMatch技术，能够可靠地接收该信号，并且仅需四位前导码。

右侧的图是使用编码增益的系统的相同眼图。和预期一样，信号不可见，因为信号被隐埋在本底噪声之下。要从该信号中提取任何有意义的信息，首先需要准确地与编码方案同步，以便获取所需的编码增益。勿庸置疑，这需要很长的前导码或前导序列才能实现实际数据接收。使用具有高编码增益的方案时，前导序列绝对是报文最主要的部分，会进一步降低频谱效率。

下面是编码和未编码数据包情形中实际数据包的对比。

长前导序列对电池寿命具有很强的负面影响，因为必须传输大量冗余信息使接收器从本底噪声之下找到所需的信号。编码率和前导序列长度之间不呈线性比例关系。例如，为获取更佳的灵敏度而将编码率加倍或将网络数据速率减半会以远大于二的因数增加前导序列的长度，从而进一步降低频谱效率和电池寿命。

CC1120/CC1200SmartRF收发器是基于远距离通信移频键控(FSK)窄带技术的标准化开放解决方案主流生态系统的一部分。窄带技术是众所周知的成熟技术，受多家供应商多规模生产支持，这对于长期供应、产品进化和系统价格水平非常重要。

图4.数据包格式，P=前导码，S=同步字/SFD

本文集中介绍了用于远距离通信的窄带与编码宽带系统。正如本文和下面的对比图中所展示的：

说明：本文主要内容参考TI官方资料。