基于LPWAN和低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合

雙煒 李波 邱昊 孫維忠 呂佳歡

摘要：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的最終愿景是實(shí)現(xiàn)全區(qū)域，無間斷的萬物互聯(lián)。然而，目前依賴于電信基礎(chǔ)設(shè)施的物聯(lián)網(wǎng)解決方案均不能提供真正意義上的全球覆蓋。因此，憑借衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在覆蓋性方面無可比擬的優(yōu)勢，物聯(lián)網(wǎng)終端通過低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來與應(yīng)用服務(wù)端建立連接將是一種極具吸引力的解決方案。本文中我們首先分析了LPWAN（低功耗廣域網(wǎng)）與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)融合的需求，對Sigfox、NB-IOT和LoRa三種主流的LPWAN技術(shù)進(jìn)行了分析對比，并著重介紹了LoRaWAN的技術(shù)細(xì)節(jié)，然后針對LoRaWAN的特點(diǎn)討論了兩種與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)融合的方案，并分析了每種方案可能的優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)對建議。最后，我們根據(jù)現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)和對技術(shù)趨勢的判斷，介紹了未來的研究方向。

關(guān)鍵詞：LPWAN ；低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò) ；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合

一、引言

根據(jù)市場調(diào)研與咨詢機(jī)構(gòu)Machina Research最新數(shù)據(jù)，到2025年末，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)將增至270億臺。同期，物聯(lián)網(wǎng)市場總收入將從2015年的7500億美元增至3萬億美元，其中的1.3萬億美元將通過設(shè)備和應(yīng)用付費(fèi)等方式直接來自用戶。剩余部分則將來自產(chǎn)業(yè)鏈上下游，包括應(yīng)用開發(fā)、系統(tǒng)集成、服務(wù)托管和數(shù)據(jù)資產(chǎn)化等增值業(yè)務(wù)[1]。

對于大部分物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言，較長的通信距離、極低的功耗和生產(chǎn)成本是必須滿足的約束條件。而要同時滿足這些條件，將會面臨諸多挑戰(zhàn)。比如，藍(lán)牙和NFC（近場通信）技術(shù)，盡管能夠做到較低的功耗和可接受的成本，但僅適用于近距離場景。基于LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)的NB-IoT技術(shù)能夠提供更長的通信距離，但卻無法滿足低功耗和低成本的需求[2]。

近年來，LPWAN（低功耗廣域網(wǎng)）技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域帶來了一種更優(yōu)的解決方案，其在通信距離、功耗和成本方面做到了更全面的優(yōu)化。LPWAN技術(shù)非常適用于一些低傳輸速率、對于丟包和延時不敏感的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。比如環(huán)境監(jiān)控（降雨、積雪情況通告），智慧農(nóng)業(yè)（監(jiān)控泥土濕度、谷物的生長情況），工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控（天然氣管道、通信電纜）以及物流追蹤等都是其主要的應(yīng)用領(lǐng)域。然而，上述這些應(yīng)用場景，很多時候需要部署在環(huán)境惡劣、無移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域。在這種情況下，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用，可在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)回傳（Backhaul）方式上減少對于電信基礎(chǔ)設(shè)施的依賴。

基于衛(wèi)星的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有覆蓋性上的天然優(yōu)勢，可在特殊區(qū)域（極地、沙漠和海洋）充分發(fā)揮作用。并且對于部署在偏遠(yuǎn)地區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建網(wǎng)成本大幅低于地面電信網(wǎng)絡(luò)。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，由LEO（低軌道）衛(wèi)星組成的網(wǎng)絡(luò)相比于無法覆蓋兩極、傳播延遲和路徑損耗更大的GEO（同步軌道）衛(wèi)星，具有終端尺寸小、更低的通信延遲和傳播損耗等優(yōu)勢。此外，近年來，微小衛(wèi)星技術(shù)得到了迅速發(fā)展，特別是Cubesat（立方星）標(biāo)準(zhǔn)的提出，大幅降低了制造和發(fā)射LEO衛(wèi)星的成本。

因此，將LPWAN與LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)融合是一種有效的解決方案。能以更低的成本將更多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中。

二、LPWAN

LPWAN旨在實(shí)現(xiàn)較長通信距離（幾十公里）的基礎(chǔ)上，盡量控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的成本和功耗，以維持超長的待機(jī)時間（5～10年），降低維護(hù)成本。

目前LPWAN技術(shù)中最受關(guān)注的是Sigfox[3]、NB-IOT[4]和LoRa[5]。三種技術(shù)的主要指標(biāo)如表1所示。

Sigfox技術(shù)使用超窄帶（0.1kHz）BPSK調(diào)制方式，工作在非授權(quán)的ISM頻段，發(fā)射功率可達(dá)22dbm，接收靈敏度-126dbm，數(shù)據(jù)傳輸速率通常在0.1～0.6kbps，頻率補(bǔ)償能力為±30Hz。同時，其MAC層協(xié)議對于延時容忍性較好。然而，Sigfox本質(zhì)上是一個私有網(wǎng)絡(luò)，其終端與基站間獨(dú)立組網(wǎng)，并且基站的部署需要得到Sigfox授權(quán)。因此，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)若要與與Sigfox網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)難度較大。

NB-IOT是一種基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的LPWAN技術(shù)，由3GPP提出并主導(dǎo)，并且現(xiàn)已集成在4G和5G網(wǎng)絡(luò)中。這項(xiàng)技術(shù)使用窄帶QPSK調(diào)制，工作于授權(quán)頻段，最大發(fā)射功率23dbm，靈敏度為-125dbm，下行速率25Kbps，上行速率66Kbps，最大峰值速率可達(dá)250Kbps。NB-IOT的物理層/MAC層協(xié)議對于延時和多普勒頻移都比較敏感，必須對其做出調(diào)整才能適用于星地通信場景。

LoRa是Semtech公司提出的一種物理層通信技術(shù)。它使用一種特殊的CSS（啁啾擴(kuò)頻）[6]調(diào)制技術(shù)，相比于其他調(diào)制技術(shù)CSS抗干擾和阻塞的能力更強(qiáng)，并且其工作于非授權(quán)的ISM頻段，關(guān)于LoRa的技術(shù)細(xì)節(jié)將第三小節(jié)展開說明。

除此之外，LoRa聯(lián)盟還提出了基于LoRa物理層的LoRaWAN的鏈路層協(xié)議，針對終端設(shè)備的功耗做出了進(jìn)一步優(yōu)化，目前已有多個制造商推出了LoRa模組和網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，具有良好的商業(yè)生態(tài)。

近年來，LoRa也引起了衛(wèi)星通信服務(wù)商的廣泛關(guān)注。已有研究機(jī)構(gòu)使用攜帶LoRa模塊的熱氣球在平流層進(jìn)行試驗(yàn)證明了其通信距離可達(dá)832km[7]。2020年底，Lacuna Space公司宣布將發(fā)射使用LoRa技術(shù)的LEO星座來提供全球覆蓋，并于最近發(fā)射的攜帶LoRa網(wǎng)關(guān)的試驗(yàn)衛(wèi)星[8]。今年初，F(xiàn)ossa System公司也發(fā)射了帶有LoRa模塊的衛(wèi)星PocketQube[9]，驗(yàn)證了與地面LoRa模組的通信能力。

本文接下來的部分將圍繞LoRa技術(shù)討論與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合的方法。

三、LoRa與LoRaWAN

LoRa的核心技術(shù)是一種被稱為CSS（啁啾擴(kuò)頻）的調(diào)制技術(shù)，它使用隨時間線性變化的頻率來編碼信息。由于啁啾脈沖的線性特性，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的頻率偏移可等效為定時偏移，在接收解碼時比較容易消除。使得這種調(diào)制技術(shù)的頻偏補(bǔ)償能力較強(qiáng)，對于多普勒頻移具有較好的適應(yīng)能力。LoRa發(fā)射端和接收端之間的頻率偏移可以達(dá)到帶寬的20%也不會影響接收性能，這個優(yōu)點(diǎn)有助于降低LoRa終端的成本，即使采用了低成本的晶振，LoRa接收機(jī)也能夠鎖定接收到的啁啾頻率，并且靈敏度可達(dá)到-130dBm左右。

并且由于LoRa協(xié)議中一個符號的持續(xù)時間Ts比典型的FHSS（跳頻擴(kuò)頻）系統(tǒng)產(chǎn)生的突發(fā)干擾信號更長，因此由這類干擾產(chǎn)生的錯誤可以很好地通過FEC（前項(xiàng)糾錯編碼）來進(jìn)行糾正?？梢奀SS調(diào)制抗干擾能力優(yōu)于傳統(tǒng)（比如FSK）調(diào)制方案，使得LoRa非常適合低功耗和遠(yuǎn)程傳輸應(yīng)用。

LoRa物理層的主要參數(shù)包括：BW（帶寬），SF（擴(kuò)頻因子）和CR（編碼速率）。Rb（傳輸速率）可由公式（1）計(jì)算得出。

（1）

例如：設(shè)置BW=125KHz，SF=7，CR=4/5，可計(jì)算出Rb=5.5Kbps。

此外，LoRa在數(shù)據(jù)傳輸過程中會使用ADR（速率自適應(yīng)）技術(shù)，根據(jù)終端與網(wǎng)關(guān)間的信道條件自動調(diào)整這幾項(xiàng)參數(shù)，使鏈路余量足夠的前提下吞吐量達(dá)到最大。這些參數(shù)的配置同時也會影響接收靈敏度，比如選擇的帶寬越高，靈敏度就越低，而SF越大，靈敏度越高。

LoRaWAN是通信協(xié)議中的MAC層技術(shù)，由LoRa聯(lián)盟負(fù)責(zé)維護(hù)，其為LoRa提供了媒體接入控制和管理的能力。LoRa和LoRaWAN共同組成了LoRa協(xié)議棧，其結(jié)構(gòu)如圖1。

LoRaWAN協(xié)議棧中定義了A/B/C三類終端：均具備雙向通信能力，區(qū)別僅在于對下行業(yè)務(wù)的接收策略不同，具體內(nèi)容可見文獻(xiàn)[5]。

典型的LoRa網(wǎng)絡(luò)采用的是星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示，在不考慮回傳方式的情況下，主要包含三類主要設(shè)備：

（1）LoRa終端：通常是配備傳感器和LoRa通信模塊的低功耗設(shè)備，使用LoRa協(xié)議與LoRa網(wǎng)關(guān)通信。

（2）LoRa網(wǎng)關(guān)：網(wǎng)關(guān)的主要功能是對數(shù)據(jù)進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)發(fā)來自終端的原始LoRa格式的數(shù)據(jù)幀，并通過IP回傳鏈路以更大的吞吐量轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。其中以太網(wǎng)、4G/5G蜂窩網(wǎng)以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)都可以被選為回傳方案。

（3）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器負(fù)責(zé)對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行去重，解碼其中的內(nèi)容供用戶使用，以及根據(jù)用戶需求生成數(shù)據(jù)包，以相反的路徑發(fā)送給LoRa終端。

LPWAN網(wǎng)絡(luò)在市區(qū)內(nèi)可覆蓋1～10公里，偏遠(yuǎn)地區(qū)可覆蓋10～30公里。與傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)不同，LoRa終端與網(wǎng)絡(luò)通信時并不需要與特定網(wǎng)關(guān)進(jìn)行綁定，一個LoRa系統(tǒng)中可以同時部署多個網(wǎng)關(guān)，同樣的一份數(shù)據(jù)也可能同時被多個網(wǎng)關(guān)接收和轉(zhuǎn)發(fā)。

四、LoRaWAN與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的融合

LPWAN與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的融合是一種很有市場前景的解決方案，這種混合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)潛力已被業(yè)界認(rèn)可，大量的科研機(jī)構(gòu)和工業(yè)巨頭正在著手于星地組網(wǎng)技術(shù)和互操作等方面的研究。

在本文中，我們考慮使用LEO網(wǎng)絡(luò)作為LoRaWAN數(shù)據(jù)的回傳方式，承接起LoRaWAN網(wǎng)關(guān)與應(yīng)用服務(wù)之間的數(shù)據(jù)橋梁。根據(jù)LoRaWAN設(shè)備與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的融合方式，可以分為直接型和間接型兩類。

（一）直接融合方式

直接融合方式指的是將LoRa網(wǎng)關(guān)部署在衛(wèi)星上，終端直接接入衛(wèi)星的融合方式。由于通信距離遠(yuǎn)、衛(wèi)星相對于終端的移動速度很快，這種融合方式首先需要考慮的是星地通信鏈路的余量是否足夠，以及多普勒效應(yīng)是否會影響信號的收發(fā)。

根據(jù)Semtech公司提供的技術(shù)資料，其商用芯片的主要參數(shù)如表2所示，其中SX1276/77/78/79是為終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的，SX1310是為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的。

基于以上參數(shù)，若將LoRa網(wǎng)關(guān)（SX1310）部署在衛(wèi)星上，可估算出星地之間的可靠通信距離，鏈路預(yù)算如表3所示。為將問題簡化，計(jì)算結(jié)果基于以下前提：終端和網(wǎng)關(guān)均使用0dBi增益的全向天線，除去自由空間傳播損耗之外，其余各類損耗之和為8dB。我們給出了三種不同的參數(shù)配置組合，以得出不同的傳輸速率Rb和對應(yīng)的通信距離，結(jié)果表明在傳輸速率Rb=0.293Kbps的情況下，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)1170km，可滿足大部分低軌衛(wèi)星的需求。

此外，SX1310即使不做特殊配置，或提供額外的補(bǔ)償、追蹤措施，仍可支持對隨機(jī)頻偏達(dá)±11.3KHz、頻率變化率為±150Hz/s的穩(wěn)定捕獲[10]。顯然，在克服多普勒頻移方面，SX1310能夠滿足與低軌衛(wèi)星通信的需求。需要注意的是，直接融合方式可能存在的問題，比如：

1.星上LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的接入能力

CSS調(diào)制使用了正交擴(kuò)頻因子，使得采用不同擴(kuò)頻因子的數(shù)據(jù)包可同時在同一信道中傳輸而互不干擾，而SX1310僅包含8個接收信道，因此最多只能同時解調(diào)8個數(shù)據(jù)包，而LoRaWAN協(xié)議中，采用了類似ALOHA的隨機(jī)接入方式，終端可以在任意時刻發(fā)送消息而無需檢測信道環(huán)境。這種接入方式效率很高，但是隨著接入流量的增加，網(wǎng)絡(luò)吞吐量會逐漸降低，雖然使用速率自適應(yīng)或者調(diào)節(jié)發(fā)送占空比的方式可以在一定程度上改善吞吐量，但是總體下降的趨勢不會改變。

當(dāng)衛(wèi)星將作為接入網(wǎng)關(guān)時，每顆衛(wèi)星需要同時管理和控制海量終端的接入，數(shù)據(jù)包碰撞的概率也會遠(yuǎn)大于普通場景。為此我們考慮可以結(jié)合ALOHA與TDMA的優(yōu)勢，對接入?yún)f(xié)議進(jìn)行優(yōu)化，尤其是針對特定區(qū)域內(nèi)同類型終端成群組出現(xiàn)的情況，使得每個群組按照時分復(fù)用的方式交錯發(fā)送數(shù)據(jù)，終端僅在發(fā)送時隙到來時被喚醒，其余時間處于休眠狀態(tài)。相比于基本的ALOHA方式，這種結(jié)合了時分和隨機(jī)接入的方式，可以在數(shù)據(jù)流量很大的時候減少沖突，提高接入成功率。但同時也需要注意，TDMA對于時間同步要求很高，而使用高精度的同步模塊會增加設(shè)備的生產(chǎn)成本。

2.網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換問題

LoRa網(wǎng)關(guān)的主要功能是對原始LoRa消息進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)以及實(shí)現(xiàn)對回傳網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換。在基于地面基礎(chǔ)設(shè)施的回傳方案下，網(wǎng)關(guān)會將數(shù)據(jù)封裝到TCP/IP協(xié)議中。而將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)作為回傳方案時，需要結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧進(jìn)行設(shè)計(jì)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中通常采用的是私有通信協(xié)議而非標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，所以對于將LoRa網(wǎng)關(guān)直接部署到衛(wèi)星上的做法，將使LoRaWAN協(xié)議棧失去一部分通用性，有悖于LoRa聯(lián)盟秉持的技術(shù)開放性的宗旨。

（二）間接融合方式

間接融合方式指的是LoRa終端不直接通過LoRa網(wǎng)關(guān)接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，而需要通過一臺額外的LoRa-衛(wèi)星中繼網(wǎng)關(guān)將LoRa報(bào)文封裝在衛(wèi)星系統(tǒng)的傳輸協(xié)議中進(jìn)行二次轉(zhuǎn)發(fā)。這種方式使得地面LoRa網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可獨(dú)立運(yùn)行，是一種典型的混合型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

為了更直觀地說明這種融合方式，圖3中的低軌衛(wèi)星系統(tǒng)可以銥星系統(tǒng)（Iridium）為類比對象，該衛(wèi)星系統(tǒng)可提供最大128Kbps的數(shù)據(jù)傳輸能力，同時也提供支持SBD（突發(fā)短報(bào)文）業(yè)務(wù)的終端設(shè)備（類比為中繼網(wǎng)關(guān)），比如9602/9602N和9523銥星通信模組。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示，主要包括以下組成部分：

1.終端設(shè)備（含傳感器和LoRa模塊），數(shù)據(jù)傳輸方式需符合LoRa標(biāo)準(zhǔn)。

2.地面LoRaWAN網(wǎng)關(guān)。

3.內(nèi)置MQTT代理的LoRaWAN-低軌衛(wèi)星中繼網(wǎng)關(guān)。中繼網(wǎng)關(guān)的主要任務(wù)是將來自LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為合適的格式，以適用于衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)。

4.低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

5.衛(wèi)星信關(guān)站，用于接收衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)、分離出原始用戶所需內(nèi)容并轉(zhuǎn)發(fā)到Internet。

6.應(yīng)用服務(wù)器，用于搜集、提取有用數(shù)據(jù)并最終交付給用戶。

我們按照從終端到應(yīng)用服務(wù)器的數(shù)據(jù)采集流程定義了傳輸過程中的幾個主要步驟：

1.終端LoRaWAN終端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（溫度、壓力等傳感器數(shù)據(jù)），采集到的數(shù)據(jù)以原始LoRa報(bào)文格式發(fā)送給LoRaWAN網(wǎng)關(guān)。

2. LoRaWAN網(wǎng)關(guān)對多個接入節(jié)點(diǎn)傳來的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)給LoRaWAN-低軌衛(wèi)星中繼網(wǎng)關(guān)（此處兩個網(wǎng)關(guān)可使用電纜直連，以提高數(shù)據(jù)傳輸帶寬。這里可選擇MQTT[11]作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，以保障傳輸?shù)目煽啃裕?/p>

3.中繼網(wǎng)關(guān)完成協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，將收到的內(nèi)容封裝成指定數(shù)據(jù)包格式發(fā)送給衛(wèi)星。

4.數(shù)據(jù)包通過低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行逐跳轉(zhuǎn)發(fā)，直到可下傳的衛(wèi)星信關(guān)站，信關(guān)站將用戶數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)包中解碼、提取然后封裝為TCP/IP報(bào)文發(fā)送到Internet，最終達(dá)到應(yīng)用服務(wù)器。

這種方案相比于直接融合的方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.由于LoRaWAN網(wǎng)關(guān)并不與衛(wèi)星直接通信，而是通過中繼網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后再發(fā)送，因此無需更改LoRa協(xié)議棧即可與現(xiàn)有LoRa網(wǎng)絡(luò)兼容。

2.星座網(wǎng)絡(luò)與地面LoRa網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立。物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商可選用不同衛(wèi)星運(yùn)營商來提供回傳服務(wù)，只需針對不同衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)選用配套的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品即可。

3.隨著LoRa終端數(shù)量的增加，可通過增加LoRaWAN網(wǎng)關(guān)數(shù)量的方式來提高地面段的接入能力，對應(yīng)的中繼網(wǎng)關(guān)也可以通過軟硬件升級的方式來進(jìn)行擴(kuò)容，這樣做的實(shí)現(xiàn)難度和成本會遠(yuǎn)低于直接接入方式。

對于間接融合方式，已知的不足之處是相比于直接融合的方式需要購買額外的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，增加了組網(wǎng)成本，也提高了總能耗。并且，由于整個傳輸過程中增加了數(shù)據(jù)處理的步驟，傳輸延時會有一定程度的增加。

同時還需要注意的是，在這種混合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)交換方式的優(yōu)化能夠極大地提高傳輸效率，對于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)而言，最常用的是采用鍵值對交換格式（比如JSON格式），已有研究指出Protobuf格式能夠大幅度縮減報(bào)文的字節(jié)數(shù)[12]，更適用于衛(wèi)星鏈路資源受限的情況。

五、結(jié)束語

本文從擴(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍的需求入手，首先介紹了低功耗廣域網(wǎng)的相關(guān)概念，分析了Sigfox、NB-IOT和LoRa幾種LPWAN技術(shù)的差異，并從協(xié)議的角度著重分析了LoRaWAN的技術(shù)特點(diǎn)，然后通過對兩類融合方式的對比，分析了LoRaWAN與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的可行性、每種方案的優(yōu)缺點(diǎn)以及值得注意的問題。

對于本文所述內(nèi)容的后續(xù)工作，我們聚焦于：

1.網(wǎng)關(guān)之間報(bào)文傳輸格式的優(yōu)化，比如報(bào)文內(nèi)容的壓縮算法。

2.中繼網(wǎng)關(guān)對于協(xié)議轉(zhuǎn)換效率的研究。

3.從系統(tǒng)級半物理仿真開始，逐步推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)品的研制工作。

作者單位：雙煒? ?李波? ?邱昊? ?孫維忠? ?呂佳歡? ? 航天行云科技有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[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]肖學(xué)玲，肖遠(yuǎn)軍. 基于LoRa與5GNB-IoT物聯(lián)網(wǎng)混合組網(wǎng)的應(yīng)用[J]. 集成電路應(yīng)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.