低功耗遠距離無線通信技術及其軍事應用分析*

劉 磊，孫超山

0 引 言

低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network，LPWAN）是一種新興的物聯網無線通信新技術，其核心技術是低功耗遠距離無線通信。與傳統蜂窩網絡（2G、3G、4G等）、WiFi、藍牙、ZigBee等現有成熟商用的無線技術相比，低功耗遠距離無線通信技術具有遠距離、低功耗、低成本、覆蓋容量大等優點[1]。遠距離和覆蓋容量大，意味著可以覆蓋更大的面積，服務更多的用戶；低功耗可以大大延長電池壽命，延長電池更換的周期；低成本收發器芯片可以有效減少部署成本。基于這些優良特性，低功耗遠距離無線通信及其網絡技術不僅適合于物聯網終端設備，而且適用于長距離發送小數據量且使用電池供電的軍事設備，如軍事戰場需求感知、戰場搜救等后勤保障應用領域。

截至目前，業界出現了多種LPWAN技術，如 LoRa、SigFox、NWave等。 其 中，LoRa技 術是LPWAN中發展較快、相對較成熟的技術，由Semtech公司在2013年發布。LoRa技術經過Semtech、美國思科、IBM、荷蘭KPN電信和韓國SK電信等組成的LoRa聯盟國際組織進行全球推廣后，目前已成為新物聯網應用的重要基礎支撐技術[2]。因此，本文以相對成熟的LoRa技術及其代表的低功耗遠距離無線通信在軍事上的應用為例進行分析。

1 LoRa

LoRa全稱“Long Rang”，是一種基于擴頻技術的低功耗遠距離無線通信技術。2013年8月，Semtech公司向業界發布了一種新型的基于1 GHz以下頻譜的超長距低功耗數據傳輸技術芯片。它主要面向遠距離低功耗的物聯網無線應用，接收靈敏度可達-148 dBm。與業界其他先進水平的Sub-GHz芯片相比，最高接收靈敏度改善了20 dB以上[3]。LoRa功耗極低，可以使用電池供電或者其他能量收集的方式供電。一節五號電池，理論上可供終端設備工作10年以上。同時，較低的數據速率也延長了電池壽命，增加了網絡容量。

LoRa使用線性調頻擴頻調制技術。這種無線調制技術既保持了移頻鍵控調制的低功耗特性，又大大增加了通信范圍[4]。這種調制技術具有高時間帶寬積和非常寬的頻帶，其中高時間帶寬積可以保證無線電信號避免遭受帶內和帶外干擾落。LoRa調制具有六個正交擴頻因子，不同擴頻序列終端即使使用相同的頻率同時發送信息也不會相互干擾，因此在此基礎上研制的集中器/網關能夠同時在同一信道上并行接收并處理多個節點數據，提高了頻譜效率，也大大擴展了系統容量。

LoRa的優勢在于技術方面的長距離通信能力。單個網關或基站可以覆蓋整個城市或數百平方公里范圍。在一個給定的位置，通信距離在很大程度上取決于環境或障礙物。鏈路預算通常用分貝（dB為單位）表示，是在給定的環境中決定距離的主要因素。LoRa擁有一個鏈路預算優于其他任何標準化的通信技術。在20 dBm發射功率下，LoRa調制的鏈路預算可達168 dB，使得LoRa技術更適合于低成本大規模的物聯網部署。

2 LoRaWAN網絡機制

LoRaWAN是LoRa聯盟針對LoRa網絡設備和終端兼容性定義的標準化規范，主要包含網絡的通信協議和系統架構[5]。LoRaWAN的標準化保證了不同終端、網關、服務器之間的互操作性。

2.1 網絡架構

許多現有部署的網絡采用網狀網絡架構。在網狀網絡中，個別終端節點需轉發其他節點的信息，以增加網絡的通信距離和網絡區域規模大小。雖然這增加了范圍，但也增加了復雜性，降低了網絡容量，縮短了電池壽命。然而，LoRa網絡采用星形拓撲的網絡結構。當實現長距離連接時，終端節點和網關可直接進行信息交互，有效減少了網絡復雜性和能量損耗，保護了電池壽命。它的網絡架構如圖1所示。

圖1 LoRaWAN網絡架構

如圖1所示，LoRaWAN網絡架構由應用終端（內置LoRa模塊）、LoRa網關（或基站）、網絡服務器和業務服務器四部分組成。在LoRaWAN網絡中，終端與網關不相關聯。相反，一個終端傳輸的數據通常是由多個網關收到。每個網關將利用終端節點所接收的數據包通過回傳技術（蜂窩、以太網、衛星或WiFi）轉發到網絡服務器。智能化和復雜性放到服務器上，服務器管理網絡過濾接收的冗余數據，執行安全檢查，通過最優的網關進行調度確認，并執行自適應數據速率等。如果一個節點是移動的或正在移動，不需要從網關到網關切換，這是LoRaWAN網絡架構中的一個重要功能。

LoRaWAN網絡架構中，各組成部分的詳細功能介紹如下。

（1）應用終端：使用LoRa調制技術，實現數據遠距離傳輸，包括物理層、MAC層和應用層的實現。

（2）LoRa網關：LoRa網關是一個透明的中繼，負責連接前端終端設備和后端服務器。網關將接收的終端上行數據聚集到一個各自單獨的回程連接，解決多路數據并發問題，實現數據收集和轉發。終端設備采用單跳與一個或多個網關通信，且所有節點均為雙向通信。由于采用了擴頻技術，終端與網關之間的通信可以使用不同的頻率和數據傳輸速率，且不會相互干擾。數據速率可根據不同傳輸距離和消息時延進行選擇。網關和網絡服務器使用標準的TCP/IP連接。

（3）網絡服務器：負責數據MAC層處理，重復數據包的過濾、數據傳輸速率選擇、網關管理和選擇、安全管理等。MAC層可遵循聯盟標準的LoRaWAN協議，也可以遵循各廠商制定的MAC協議。

（4）應用服務器：從網絡服務器獲取應用數據，分析并處理應用數據，進行應用狀態展示、及時告警等。

2.2 網絡容量

為了能夠實現遠距離星型網絡，網關必須具有非常高的容量或性能，以便于從大量節點接收消息。高網絡容量利用自適應的數據速率和網關中的多通道多調制收發器實現，因此可以在多信道上同時接收消息。影響容量的關鍵因素是并發通道數、數據速率（空中時間）、負載長度以及終端節點在固定時間內發送數據的次數。目前，芯片支持的LoRaWAN系統帶寬為2 Mbit/s，包括8個固定帶寬為125 kbit/s的信道，每個信道支持6種擴頻因子SF7～12。當使用不同擴頻因子時，信號實際上是彼此正交的。當擴頻因子發生變化時，有效的數據速率也會發生變化[6]。網關利用這個特性，能夠在同一時間相同信道上接收多個不同的數據速率。終端和網關的通信可選用不同的速率即不同的SF，而速率的選擇需要權衡通信距離或信號強度、消息發送時間等因素，使得終端獲取最大的電池壽命，并使網關容量最大化。當鏈路環境好時，可以使用較低的擴頻因子即較大的數據速率；而當終端遠離網關、鏈路環境較差時，可以增大擴頻因子，以獲取更高的靈敏度，但同時數據速率會降低。對于125 kbit/s固定帶寬的信道，數據速率從250 bit/s到5 kbit/s，可以在一個相當大的范圍內進行選擇。這些特點使得LoRaWAN具有非常高的容量，網絡也更具可擴展性。按業務模型為50 B/2 h進行上報，估算每小時成功發送的報告數，則每個LoRa網關支持約5萬條上報消息，超出了目前業界對低功耗無線網絡技術的容量要求。此外，可利用最少量的基礎設施部署網絡。當需要容量時，可以添加更多網關，變換數據速率，可擴展6～8倍網絡容量。

2.3 終端設備類別

LoRa終端設備服務不同的應用，有不同的要求。為優化各種終端應用規范，LoRaWAN定義了不同的設備類別。

（1）雙向終端設備（A類）：A類終端設備允許雙向通信，但不能進行主動的下行發送。每次終端設備的上行傳輸過程會跟隨兩次很短的下行接收窗口。下行發送時隙是根據終端需要和很小的隨機量決定的。對于終端設備僅在發送一個上行數據后需要服務器下行方向的數據這種簡短的通訊應用來說，這類操作無疑是功耗最低的。A類終端設備先發送后接收，發送和接收交替進行。終端只有在發送數據后才能接收處理服務器發送的數據，而發送數據不受接收數據的限制，如圖2所示。

圖2 A類設備收發模式

（2）具備預設接收時隙的雙向終端設備（B類）：除A類隨機接收窗口外，B類設備在預設時間上開放了額外的接收窗口。為使終端設備在調度時間上打開其接收窗口，終端在調度時接收網關同步信標Beacon一次，這使得服務器知道什么時候終端設備在偵聽。B類終端設備同樣是先發送后接收，不同的是每次發送后按照開啟了多少個接收窗口，接收多條來自網關的下行數據信息。這種使用類型功耗大于A類終端，如圖3所示。

圖3 B類設備收發模式

（3）具備最大接收時隙的雙向終端設備（C類）：C類終端設備幾乎是連續地打開接收窗口，僅在發送時關閉。能耗最高，但和服務器交互的延時低，如圖4所示。

圖4 C類設備收發模式

2.4 網絡安全機制

LoRaWAN使用了兩層安全：一是網絡層安全；二是應用層安全。網絡安全保證了網絡節點的可靠性，而應用層安全確保了網絡運營商不能訪問終端用戶的應用數據。

所有的終端設備需要在與網絡服務器交互數據前的網絡加入過程完成網絡安全的密鑰獲取。應用終端在接入使用時需具備以下安全信息：終端設備ID（DevEUI）、應用ID（AppEUI）和AES-128應用密鑰（AppKey）。其中，DevEUI是標識終端的全球唯一設備ID；AppEUI是存儲在終端設備中標識終端設備的應用程序提供商（即使用者）的全球唯一應用程序ID；AppKey是一個AES-128應用程序密鑰，由該應用程序的所有者分配給終端設備，是從每個應用獨立的根密鑰中推演出來的，而根密鑰由應用程序提供者知曉和控制。當一個終端設備在加入網絡時，將AppKey推演出終端設備所需的會話密鑰NwkSKey和應用密鑰AppSKey。其中，會話密鑰NwkSKey用于保障網絡層通信安全，而應用密鑰AppSKey用于應用端到端的安全保障。

3 遠距離無線網在軍事上的應用

目前軍用通信的現狀，在戰場信息感知末端的手段和能力還存在不足。通用電臺以班、排為基礎，還需要依托車輛和對講機實現部分比例的信息感知末端覆蓋。根據LoRa技術的關鍵特點分析得出，遠距離無線網具備功耗低、距離遠、容量大等特點，在豐富末端感知的技術手段方面具有巨大的應用潛力。隨著軍事物聯網、軍人標識牌等應用領域的快速發展，可以預期遠距離無線網技術手段可以在后勤保障、器材及人員識別、搜救等領域實現大范圍應用。

利用遠距離無線網體積小、覆蓋范圍大的優點，可方便嵌入人員標識裝置中。在具備身份識別、人員定位和心率檢測等應用的基礎上，增強末端的通信功能，拓展與戰術信息系統等異構網絡的互聯互通能力，實現大群體、大范圍內數據的收集與共享，滿足陸域戰場一定范圍內的人員識別、搜索定位需求。在需要感知人員傷亡位置、時間與傷情時，可為制定醫療支援次序、后送安排提供實時信息保障；在需要感知戰場物資、彈藥消耗和裝備器材損毀信息時，可為制定勤務支援、裝備器材維修、調換優先順序提供實時信息保障。

同時，可將基于遠距離無線網的末端感知網絡，作為戰術后方信息系統戰斗損害、戰斗傷亡、物資彈藥消耗、人員狀態參數等數據采集和傳輸的前端，通過網關匯聚節點的數據，與戰術通信系統對接，或與同類遠距離無線網網關構建自組織網絡，拓展傳輸覆蓋范圍。通過構建完整的信息傳輸鏈條，將身份、位置、傷情、損毀等信息傳送到各級指揮系統，從而為制定勤務保障計劃提供信息支撐。

下面將舉例介紹遠距離無線網在后勤保障、人員搜救領域中可能的典型應用場景，并就其技術本身分析這些應用場景的軍事應用適應性還需提升的方面。

3.1 戰場需求采集

戰場環境下，作戰單兵在執行任務過程中，當需要救援物資支持時，如負傷需要藥品，作戰單兵通過穿戴式遠距離無線網終端發送需求，附近后勤保障人員攜帶便攜式網關接收到作戰單兵的需求后及時進行保障，從而實現精確采集戰場末端保障需求，提高戰場后勤保障的時效和準確性。戰場需求采集典型應用場景可如圖5所示。

圖5 戰場需求采集應用場景

戰場環境下，作戰單兵在執行任務過程中，若需要藥品、食品或彈藥等救援物資時，通過遠距離無線通信請求支持的過程可表述如下。

（1）作戰單兵A發送物資需求，請求送一個日份的單兵食物；作戰單兵B發送物資需求，請求送一個基數的單兵衣物。

（2）附近后勤保障人員接收作戰單兵的需求后，匯總需求信息，并根據現有物資實力組織保障。當現有物資實力滿足戰場需求時，組織物資前送；當現有物資實力無法保障戰場需求時，通過戰術通信網絡及時上報后方指揮所，申請物資調撥。

（3）后方指揮所接收后勤保障人員的物資申請及時作出反饋，如下達處理命令、派送物資等。

3.2 戰場保障對象監控

主戰場環境下，后勤保障人員需要密切關注作戰部隊人員的傷亡情況和位置信息，監控戰場保障對象。這種情況下，后勤保障人員攜帶便攜式遠距離無線網網關，接收附近作戰單兵通過穿戴式終端發送的體征和位置異常數據。后勤保障人員根據網關接收到異常數據的報警后實施救治和保障，并根據需要，將數據匯總后通過戰術通信網絡上報后方指揮所。它的應用場景如圖6所示。

圖6 戰場保障對象監控應用場景

戰場保障對象監控信息主要包括：作戰單兵的心率、脈搏、血壓、體表溫度；作戰單兵超出保障區域位置信息；作戰單兵發出的求救信號。

3.3 戰場人員搜尋

戰場環境下，作戰部隊人員在執行特殊或危險任務過程中，當出現受傷、失蹤、昏迷或需要營救等情況時，作戰人員發送求救信號，戰場搜救人員獲取到傷員求救信號后，根據相關信息組織營救，提高戰場搜尋傷員的效率和準確性。應用場景如圖7所示。

圖7 戰場保人員搜尋應用場景

搜救人員搜尋待搜尋人員的過程如下：

（1）待搜尋人員使用穿戴式遠距離無線網終端發送求救信號；各搜救人員分區域使用可移動的便攜式網關探測求救信號。

（2）某搜救人員探測到求救信號，使用便攜式遠距離無線網網關向待搜尋人員發出“求救已處理”信號；待搜尋人員的穿戴式終端接收到“求救已處理”信號后，向搜尋人員發出位置信息、生命體征信息。搜救人員接收上報待搜尋人員的位置信息、生命體征信息后，進入救治流程。

（3）搜尋人員完成搜救后，可通過衛星等通信手段向搜救中心的指揮員匯報搜救情況。

3.4 軍事應用適應性

基于以上應用，目前的商用遠距離無線網技術還不能滿足戰場需要，還需做進一步的適應性提升。

首先，要優化網絡設計，提高傳輸性能，通過軟件方式實現自組網，具備網絡傳輸帶寬按需動態調節能力，能夠具有網絡自組織、自恢復、自維護和自管理等功能。同時，需完善與各種異構網絡的通信接口，實現與戰術通信系統的多手段接入。

其次，安全問題。目前，相對成熟的遠距離無線通信技術和芯片均由國外公司研發和生產，很大程度上不適合直接用于軍事用途。需要在無線收發芯片或底層協議上進行自主研發，實現底層數據加密，并通過算法的實時在線加載增強安全性。

最后，通過芯片和協議的自主研發，不僅可以做到自主可控，還可以從以下兩個方面增強遠距離無線通信的軍事適應性。第一，可拓寬通信頻率范圍，實現200 MHz～1 GHz的Sub-GHz可用頻段，增加信道資源；第二，可增加發射功率控制和跳頻功能，增強在野戰條件下的適應性。

4 結 語

新興的低功耗遠距離無線通信技術已逐漸成為物聯網無線接入的重要技術，目前已呈現蓬勃發展的態勢，不但在人們的日常生活中具有極高的應用價值，而且具有較高的軍用價值。在后勤保障領域引入低功耗遠距離無線通信技術，可將前線作戰的后勤保障、人員搜救、醫療維護、武器監測和作戰物資管理等工作智能化，全面提升后勤保障準確性、時效性和靈敏度。同時，遠距離無線通信技術也可以用于單兵作戰、聯合一體化作戰、戰場監測等系統，提升軍隊戰斗力。

面對未來的軍事應用需求，應早點規劃，結合技術的發展，制定統一的標準，同時選擇重點研究方向，突破新興技術在軍事應用中的適應性。在現有網絡中，可加強終端設備的研制，提升使用體驗，以帶動低功耗遠距離無線通信技術的軍事應用，提高軍隊的總體信息化水平。

[1] 龔天平.LORA技術實現遠距離、低功耗無線數據傳輸[J].電子世界,2016(10):115-116.GONG Tian-ping.LORA Technology for Wireless Data Transmission with Long-distance and Low-power Consumption[J].Electronics World,2016(10):115-116.

[2] Sornin N,Luis M,Eirich T,et al.Lora WANTM Specification V1.0[C].1st All Members Meeting and Open House.SanRamon,2015.

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[4] Semtech.LoRaadvantage vs FSKvs Sigfox vs LTE-M[EB/OL].(2016-12-26)[2017-10-24].https://www.semtech.com.

[5] Technical Marketing Workgroup 1.0,A Technical Overview of LoRaand LoRaWAN?[Z].LoRaAlliance,2015.

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