双炜 李波 邱昊 孙维忠 吕佳欢
摘要：物联网应用的最终愿景是实现全区域，无间断的万物互联。然而，目前依赖于电信基础设施的物联网解决方案均不能提供真正意义上的全球覆盖。因此，凭借卫星网络在覆盖性方面无可比拟的优势，物联网终端通过低轨卫星网络来与应用服务端建立连接将是一种极具吸引力的解决方案。本文中我们首先分析了LPWAN（低功耗广域网）与卫星网络融合的需求，对Sigfox、NB-IOT和LoRa三种主流的LPWAN技术进行了分析对比，并着重介绍了LoRaWAN的技术细节，然后针对LoRaWAN的特点讨论了两种与卫星网络融合的方案，并分析了每种方案可能的优缺点以及应对建议。最后，我们根据现有的研究基础和对技术趋势的判断，介绍了未来的研究方向。
关键词：LPWAN ；
低轨卫星网络 ；
异构网络融合
一、引言
根据市场调研与咨询机构Machina Research最新数据，到2025年末，全球物联网设备数将增至270亿台。同期，物联网市场总收入将从2015年的7500亿美元增至3万亿美元，其中的1.3万亿美元将通过设备和应用付费等方式直接来自用户。剩余部分则将来自产业链上下游，包括应用开发、系统集成、服务托管和数据资产化等增值业务[1]。
对于大部分物联网应用而言，较长的通信距离、极低的功耗和生产成本是必须满足的约束条件。而要同时满足这些条件，将会面临诸多挑战。比如，蓝牙和NFC（近场通信）技术，尽管能够做到较低的功耗和可接受的成本，但仅适用于近距离场景。基于LTE蜂窝网络的NB-IoT技术能够提供更长的通信距离，但却无法满足低功耗和低成本的需求[2]。
近年来，LPWAN（低功耗广域网）技术为物联网领域带来了一种更优的解决方案，其在通信距离、功耗和成本方面做到了更全面的优化。LPWAN技术非常适用于一些低传输速率、对于丢包和延时不敏感的物联网应用。比如环境监控（降雨、积雪情况通告），智慧农业（监控泥土湿度、谷物的生长情况），工业基础设施监控（天然气管道、通信电缆）以及物流追踪等都是其主要的应用领域。然而，上述这些应用场景，很多时候需要部署在环境恶劣、无移动网络覆盖的区域。在这种情况下，卫星网络能够发挥关键作用，可在物联网数据回传（Backhaul）方式上减少对于电信基础设施的依赖。
基于卫星的物联网系统具有覆盖性上的天然优势，可在特殊区域（极地、沙漠和海洋）充分发挥作用。并且对于部署在偏远地区的物联网应用，卫星物联网系统的建网成本大幅低于地面电信网络。在卫星网络中，由LEO（低轨道）卫星组成的网络相比于无法覆盖两极、传播延迟和路径损耗更大的GEO（同步轨道）卫星，具有终端尺寸小、更低的通信延迟和传播损耗等优势。此外，近年来，微小卫星技术得到了迅速发展，特别是Cubesat（立方星）标准的提出，大幅降低了制造和发射LEO卫星的成本。
因此，将LPWAN与LEO卫星网络融合是一种有效的解决方案。能以更低的成本将更多的物联网设备连接到网络中。
二、LPWAN
LPWAN旨在实现较长通信距离（几十公里）的基础上，尽量控制网络设备的成本和功耗，以维持超长的待机时间（5～10年），降低维护成本。
目前LPWAN技术中最受关注的是Sigfox[3]、NB-IOT[4]和LoRa[5]。三种技术的主要指标如表1所示。
Sigfox技术使用超窄带（0.1kHz）BPSK调制方式，工作在非授权的ISM频段，发射功率可达22dbm，接收灵敏度-126dbm，数据传输速率通常在0.1～0.6kbps，频率补偿能力为±30Hz。同时，其MAC层协议对于延时容忍性较好。然而，Sigfox本质上是一个私有网络，其终端与基站间独立组网，并且基站的部署需要得到Sigfox授权。因此，卫星网络若要与与Sigfox网络进行融合，实现难度较大。
NB-IOT是一种基于蜂窝网络的LPWAN技术，由3GPP提出并主导，并且现已集成在4G和5G网络中。这项技术使用窄带QPSK调制，工作于授权频段，最大发射功率23dbm，灵敏度为-125dbm，下行速率25Kbps，上行速率66Kbps，最大峰值速率可达250Kbps。NB-IOT的物理层/MAC层协议对于延时和多普勒频移都比较敏感，必须对其做出调整才能适用于星地通信场景。
LoRa是Semtech公司提出的一种物理层通信技术。它使用一种特殊的CSS（啁啾扩频）[6]调制技术，相比于其他調制技术CSS抗干扰和阻塞的能力更强，并且其工作于非授权的ISM频段，关于LoRa的技术细节将第三小节展开说明。
除此之外，LoRa联盟还提出了基于LoRa物理层的LoRaWAN的链路层协议，针对终端设备的功耗做出了进一步优化，目前已有多个制造商推出了LoRa模组和网关产品，具有良好的商业生态。
近年来，LoRa也引起了卫星通信服务商的广泛关注。已有研究机构使用携带LoRa模块的热气球在平流层进行试验证明了其通信距离可达832km[7]。2020年底，Lacuna Space公司宣布将发射使用LoRa技术的LEO星座来提供全球覆盖，并于最近发射的携带LoRa网关的试验卫星[8]。今年初，Fossa System公司也发射了带有LoRa模块的卫星PocketQube[9]，验证了与地面LoRa模组的通信能力。
本文接下来的部分将围绕LoRa技术讨论与卫星网络进行融合的方法。
三、LoRa与LoRaWAN
LoRa的核心技术是一种被称为CSS（啁啾扩频）的调制技术，它使用随时间线性变化的频率来编码信息。由于啁啾脉冲的线性特性，接收机和发射机之间的频率偏移可等效为定时偏移，在接收解码时比较容易消除。使得这种调制技术的频偏补偿能力较强，对于多普勒频移具有较好的适应能力。LoRa发射端和接收端之间的频率偏移可以达到带宽的20%也不会影响接收性能，这个优点有助于降低LoRa终端的成本，即使采用了低成本的晶振，LoRa接收机也能够锁定接收到的啁啾频率，并且灵敏度可达到-130dBm左右。
并且由于LoRa协议中一个符号的持续时间Ts比典型的FHSS（跳频扩频）系统产生的突发干扰信号更长，因此由这类干扰产生的错误可以很好地通过FEC（前项纠错编码）来进行纠正。可见CSS调制抗干扰能力优于传统（比如FSK）调制方案，使得LoRa非常适合低功耗和远程传输应用。
LoRa物理层的主要参数包括：BW（带宽），SF（扩频因子）和CR（编码速率）。Rb（传输速率）可由公式（1）计算得出。
（1）
例如：设置BW=125KHz，SF=7，CR=4/5，可计算出Rb=5.5Kbps。
此外，LoRa在数据传输过程中会使用ADR（速率自适应）技术，根据终端与网关间的信道条件自动调整这几项参数，使链路余量足够的前提下吞吐量达到最大。这些参数的配置同时也会影响接收灵敏度，比如选择的带宽越高，灵敏度就越低，而SF越大，灵敏度越高。
LoRaWAN是通信协议中的MAC层技术，由LoRa联盟负责维护，其为LoRa提供了媒体接入控制和管理的能力。LoRa和LoRaWAN共同组成了LoRa协议栈，其结构如图1。
LoRaWAN协议栈中定义了A/B/C三类终端：均具备双向通信能力，区别仅在于对下行业务的接收策略不同，具体内容可见文献[5]。
典型的LoRa网络采用的是星型拓扑结构，如图2所示，在不考虑回传方式的情况下，主要包含三类主要设备：
（1）LoRa终端：通常是配备传感器和LoRa通信模块的低功耗设备，使用LoRa协议与LoRa网关通信。
（2）LoRa网关：网关的主要功能是对数据进行透明转发和协议转换，转发来自终端的原始LoRa格式的数据帧，并通过IP回传链路以更大的吞吐量转发到网络服务器。其中以太网、4G/5G蜂窝网以及卫星网络都可以被选为回传方案。
（3）网络服务器：网络服务器负责对收到的数据进行去重，解码其中的内容供用户使用，以及根据用户需求生成数据包，以相反的路径发送给LoRa终端。
LPWAN网络在市区内可覆盖1～10公里，偏远地区可覆盖10～30公里。与传统的蜂窝网络不同，LoRa终端与网络通信时并不需要与特定网关进行绑定，一个LoRa系统中可以同时部署多个网关，同样的一份数据也可能同时被多个网关接收和转发。
四、LoRaWAN与卫星网络的融合
LPWAN与卫星网络的融合是一种很有市场前景的解决方案，这种混合异构网络的商业潜力已被业界认可，大量的科研机构和工业巨头正在着手于星地组网技术和互操作等方面的研究。
在本文中，我们考虑使用LEO网络作为LoRaWAN数据的回传方式，承接起LoRaWAN网关与应用服务之间的数据桥梁。根据LoRaWAN设备与卫星网络的融合方式，可以分为直接型和间接型两类。
（一）直接融合方式
直接融合方式指的是将LoRa网关部署在卫星上，终端直接接入卫星的融合方式。由于通信距离远、卫星相对于终端的移动速度很快，这种融合方式首先需要考虑的是星地通信链路的余量是否足够，以及多普勒效应是否会影响信号的收发。
根据Semtech公司提供的技术资料，其商用芯片的主要参数如表2所示，其中SX1276/77/78/79是为终端节点设计的，SX1310是为网关节点设计的。
基于以上参数，若将LoRa网关（SX1310）部署在卫星上，可估算出星地之间的可靠通信距离，链路预算如表3所示。为将问题简化，计算结果基于以下前提：终端和网关均使用0dBi增益的全向天线，除去自由空间传播损耗之外，其余各类损耗之和为8dB。我们给出了三种不同的参数配置组合，以得出不同的传输速率Rb和对应的通信距离，结果表明在传输速率Rb=0.293Kbps的情况下，通信距离最远可达1170km，可满足大部分低轨卫星的需求。
此外，SX1310即使不做特殊配置，或提供额外的补偿、追踪措施，仍可支持对随机频偏达±11.3KHz、频率变化率为±150Hz/s的稳定捕获[10]。显然，在克服多普勒频移方面，SX1310能够满足与低轨卫星通信的需求。需要注意的是，直接融合方式可能存在的问题，比如：
1.星上LoRaWAN网关的接入能力
CSS调制使用了正交扩频因子，使得采用不同扩频因子的数据包可同时在同一信道中传输而互不干扰，而SX1310仅包含8个接收信道，因此最多只能同时解调8个数据包，而LoRaWAN协议中，采用了类似ALOHA的随机接入方式，终端可以在任意时刻发送消息而无需检测信道环境。这种接入方式效率很高，但是随着接入流量的增加，网络吞吐量会逐渐降低，虽然使用速率自适应或者调节发送占空比的方式可以在一定程度上改善吞吐量，但是总体下降的趋势不会改变。
当卫星将作为接入网关时，每颗卫星需要同时管理和控制海量终端的接入，数据包碰撞的概率也会远大于普通场景。为此我们考虑可以结合ALOHA与TDMA的优势，对接入协议进行优化，尤其是针对特定区域内同类型终端成群组出现的情况，使得每个群组按照时分复用的方式交错发送数据，终端仅在发送时隙到来时被唤醒，其余时间处于休眠状态。相比于基本的ALOHA方式，这种结合了时分和随机接入的方式，可以在数据流量很大的时候减少冲突，提高接入成功率。但同时也需要注意，TDMA对于时间同步要求很高，而使用高精度的同步模块会增加设备的生产成本。
2.网关的协议转换问题
LoRa网关的主要功能是对原始LoRa消息进行透明轉发以及实现对回传网络传输协议的转换。在基于地面基础设施的回传方案下，网关会将数据封装到TCP/IP协议中。而将卫星网络作为回传方案时，需要结合卫星网络的协议栈进行设计，卫星网络中通常采用的是私有通信协议而非标准化协议，所以对于将LoRa网关直接部署到卫星上的做法，将使LoRaWAN协议栈失去一部分通用性，有悖于LoRa联盟秉持的技术开放性的宗旨。
（二）間接融合方式
间接融合方式指的是LoRa终端不直接通过LoRa网关接入卫星网络，而需要通过一台额外的LoRa-卫星中继网关将LoRa报文封装在卫星系统的传输协议中进行二次转发。这种方式使得地面LoRa网络与卫星网络可独立运行，是一种典型的混合型异构网络。
为了更直观地说明这种融合方式，图3中的低轨卫星系统可以铱星系统（Iridium）为类比对象，该卫星系统可提供最大128Kbps的数据传输能力，同时也提供支持SBD（突发短报文）业务的终端设备（类比为中继网关），比如9602/9602N和9523铱星通信模组。
系统网络架构如图3所示，主要包括以下组成部分：
1.终端设备（含传感器和LoRa模块），数据传输方式需符合LoRa标准。
2.地面LoRaWAN网关。
3.内置MQTT代理的LoRaWAN-低轨卫星中继网关。中继网关的主要任务是将来自LoRaWAN网关的数据转换为合适的格式，以适用于卫星数据服务。
4.低轨卫星网络。
5.卫星信关站，用于接收卫星下传数据、分离出原始用户所需内容并转发到Internet。
6.应用服务器，用于搜集、提取有用数据并最终交付给用户。
我们按照从终端到应用服务器的数据采集流程定义了传输过程中的几个主要步骤：
1.终端LoRaWAN终端进行数据采集（温度、压力等传感器数据），采集到的数据以原始LoRa报文格式发送给LoRaWAN网关。
2. LoRaWAN网关对多个接入节点传来的用户数据进行透明转发给LoRaWAN-低轨卫星中继网关（此处两个网关可使用电缆直连，以提高数据传输带宽。这里可选择MQTT[11]作为数据传输协议，以保障传输的可靠性）。
3.中继网关完成协议间的转换，将收到的内容封装成指定数据包格式发送给卫星。
4.数据包通过低轨卫星网络进行逐跳转发，直到可下传的卫星信关站，信关站将用户数据从数据包中解码、提取然后封装为TCP/IP报文发送到Internet，最终达到应用服务器。
这种方案相比于直接融合的方式具有以下优点：
1.由于LoRaWAN网关并不与卫星直接通信，而是通过中继网关进行转换后再发送，因此无需更改LoRa协议栈即可与现有LoRa网络兼容。
2.星座网络与地面LoRa网络独立。物联网服务商可选用不同卫星运营商来提供回传服务，只需针对不同卫星网络选用配套的网关产品即可。
3.随着LoRa终端数量的增加，可通过增加LoRaWAN网关数量的方式来提高地面段的接入能力，对应的中继网关也可以通过软硬件升级的方式来进行扩容，这样做的实现难度和成本会远低于直接接入方式。
对于间接融合方式，已知的不足之处是相比于直接融合的方式需要购买额外的网关设备，增加了组网成本，也提高了总能耗。并且，由于整个传输过程中增加了数据处理的步骤，传输延时会有一定程度的增加。
同时还需要注意的是，在这种混合异构网络中，数据交换方式的优化能够极大地提高传输效率，对于物联网数据而言，最常用的是采用键值对交换格式（比如JSON格式），已有研究指出Protobuf格式能够大幅度缩减报文的字节数[12]，更适用于卫星链路资源受限的情况。
五、结束语
本文从扩大物联网应用范围的需求入手，首先介绍了低功耗广域网的相关概念，分析了Sigfox、NB-IOT和LoRa几种LPWAN技术的差异，并从协议的角度着重分析了LoRaWAN的技术特点，然后通过对两类融合方式的对比，分析了LoRaWAN与卫星网络相结合的可行性、每种方案的优缺点以及值得注意的问题。
对于本文所述内容的后续工作，我们聚焦于：
1.网关之间报文传输格式的优化，比如报文内容的压缩算法。
2.中继网关对于协议转换效率的研究。
3.从系统级半物理仿真开始，逐步推进相关产品的研制工作。
作者单位：双炜 李波 邱昊 孙维忠 吕佳欢 航天行云科技有限公司
参 考 文 献
[1]Ericsson， “Cellular networks for massive IoT- enabling low power wide area applications，” White paper， Jan. 2018 Available：https：//www.ericsson.com/assets/local/publications/whitepapers/wp_iot.pdf， accessed Mar. 28， 2018.
[2]肖学玲，肖远军. 基于LoRa与5GNB-IoT物联网混合组网的应用[J]. 集成电路应用， 2020， v.37;No.327（12）：18-19.
[3]Sigfox.Sigfox：
The Global Communicator Service Provider. Accessed：Nov.2019.[Online].Available：https：//www.sigfox.com/en
[4]3GPP.Release13.Accessed：Nov.2019.[Online].Available：https：//www.3gpp.org/release-13
[5]LoRaAlliance.LoRaAlliance.Accessed：Nov.2019.[Online].Available：https：//LoRa-alliance.org/
[6]Springer A ， Gugler W ， Huemer M ， et al. Spread spectrum communications using chirp signals[C]// EUROCOMM 2000. Information Systems for Enhanced Public Safety and Security. IEEE/AFCEA. IEEE， 2000.
[7]The Things Network. LoRa World Record Broken：
832km/517mi Using25mw.Accessed：Nov.2019.[Online].Available：https：//www.thethingsnetwork.org/article/LoRaWAN-world-record-broken-twice-in-single-experiment-1
[8]LacunaSpace.Lacuna. Accessed：
Nov. 2019.[Online].Available：https：//www.lacuna.space/
[9]Fossa Systems. LoRa Ground Station Development Kit. Accessed：Mar.2020.[Online].Available：https：//fossa.systems/product/LoRa-ground-station-development-kit/
[10]http：//www.semtech.com/
[11]Asim M . A Survey on Application Layer Protocols for Internet of Things （IoT）. 2017.
[12]Lysogor I I ， Voskov L S ， Efremov S G . Survey of data exchange formats for heterogeneous LPWAN-satellite IoT networks[C]// Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies.