LoRa物理層關(guān)鍵技術(shù)在衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的可行性分析*

朱鑫昱，唐璟宇

（中國人民解放軍陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210007）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前最熱門的信息技術(shù)之一，近年先后涌現(xiàn)了一系列與之相應(yīng)的無線通信技術(shù)。一類是Zigbee、WiFi、藍(lán)牙等短距離無線通信技術(shù)，另一類是以NB-Iot和LoRa為代表的LPWAN（low-Power Wide-Area Network，低功耗廣域網(wǎng)），即廣域網(wǎng)通信技術(shù)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)范圍不斷擴大，人們對物聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)要求不斷提高，第一類短距離無線通信技術(shù)顯然不能滿足要求，而以NB-Iot和LoRa為代表的專為低速、低功耗、遠(yuǎn)距離、面向大量連接的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)LPWAN得到了迅速發(fā)展。在人口及業(yè)務(wù)密集的地區(qū)，當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以滿足需求，但在人口稀少、地面通信網(wǎng)建設(shè)不發(fā)達(dá)的地區(qū)，現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)顯得無能為力。這時，可以考慮使用衛(wèi)星作為中繼的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，通過衛(wèi)星鏈路傳輸信息，稱為衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)。目前，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展相對緩慢，并沒有成熟的組網(wǎng)方案和協(xié)議規(guī)范。

NB-Iot和LoRa技術(shù)是當(dāng)前最具發(fā)展前景的兩種地面低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)。LoRa相較于NBIot在通信速率上不占優(yōu)勢，擁有完善的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和成熟的通信模塊。由于它工作在免授權(quán)ISM頻段，可以無需申請直接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，易于自主建網(wǎng)，且其技術(shù)成熟，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡單，成本相對較低，故而有其獨特的優(yōu)勢[1]。

本文重點分析LoRa在物理層上的關(guān)鍵技術(shù)和協(xié)議，希望能夠?qū)πl(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)提供助益。

1 LoRa調(diào)制的基本參數(shù)

LoRa技術(shù)有著完善的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、協(xié)議以及成熟的通信模塊。其中，LoRa采用的通信模塊是由美國Semtech公司生產(chǎn)的SX1276/77/78遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器[2]。該模塊在調(diào)制解調(diào)部分配置了標(biāo)準(zhǔn)的FSK調(diào)制解調(diào)器和遠(yuǎn)距離擴頻調(diào)制解調(diào)器，用戶可根據(jù)實際通信環(huán)境，選擇適當(dāng)?shù)哪Ｊ剑鏞OK、FSK調(diào)制以及LoRa擴頻技術(shù)。其中，LoRa擴頻技術(shù)是Semtech公司申請的專利調(diào)制技術(shù)，利用線性調(diào)頻信號對所調(diào)信息信號進(jìn)行頻譜擴展。與傳統(tǒng)擴頻技術(shù)相比，它可以增加鏈路預(yù)算和帶內(nèi)抗干擾能力，同時放松了對晶體基準(zhǔn)震蕩器的頻率容限要求，從而在降低成本的基礎(chǔ)上保證了性能。在LoRa調(diào)制模式下，最重要的參數(shù)為帶寬（BW）、擴頻因子（SF）以及編碼速率（CR）。

每個LoRa符號由2SF個chirps組成，且占據(jù)全部帶寬BW。SF的取值為7～12，每個符號可以編碼SF個比特信息。在LoRa調(diào)制中，chirp速率在數(shù)值上等于帶寬BW（即每個chirp每秒每赫茲）。每當(dāng)SF增加1，符號中的每個chirp所占頻段便縮小1/2，持續(xù)時間擴大1倍，但這不會使傳輸?shù)谋忍厮俾蕼p半，因為每個符號會多傳1比特信息。對于給定的SF，符號速率與比特速率正比于帶寬BW，上述關(guān)系可以表達(dá)為：

式中，Ts是符號周期，Rs是符號速率，Rc是chirp速率。

LoRa調(diào)制還將擴頻技術(shù)與糾錯編碼技術(shù)結(jié)合，在符號中加入前向糾錯碼。假設(shè)傳輸?shù)男畔⒋a字由4個信息比特組成，在其后加入n個冗余比特，n可取0、1、2、3、4，則編碼速率為：

還可推出有效比特速率Rb為：

2 LoRa數(shù)據(jù)幀

LoRa數(shù)據(jù)幀主要包括三部分：（1）前導(dǎo)碼；（2）可選報頭；（3）有效載荷。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LoRa數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

其中，前導(dǎo)碼是用于保持接收機與輸入的數(shù)據(jù)同步，長度是可變的。例如，在接收密集型應(yīng)用中，可以縮短前導(dǎo)碼長度，以減少傳輸數(shù)據(jù)與接收機的同步時間，最小前導(dǎo)碼長度必須滿足所有通信需求。可選報頭分為顯示報頭和隱式報頭，顯示報頭包括有效載荷的相關(guān)信息，包括：（1）以字節(jié)數(shù)表示的有效負(fù)載長度；（2）前向糾錯碼率；（3）是否使用可選的16位負(fù)載CRC，報頭以最大糾錯編碼（4/8）發(fā)送，報頭含有自己的CRC用于接收機檢驗。當(dāng)有效載荷的相關(guān)信息固定且已知時，可采用隱式報頭以縮短發(fā)送時間。有效載荷長度可變，包含CRC。

3 LoRa調(diào)制原理

LoRa遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器的結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。該通信系統(tǒng)中的調(diào)制器用于生成線性調(diào)頻信號，并被分解為同相位信號（I）和正交相位信號（Q）。該線性調(diào)頻信號可用于擴展所傳信息信號的頻譜，之后通過混頻器上變頻到載波頻率，再經(jīng)功率放大器放大由天線傳送出去。解調(diào)部分則是在接收到信號后將信號分再分解為I、Q兩路傳輸，然后對信號進(jìn)行下變頻，傳送至解調(diào)器中進(jìn)行解調(diào)。

如圖2所示，調(diào)制器可以生成線性調(diào)頻信號。每個線性調(diào)頻信號在初始時刻和最終時刻之間。這些信號在初始時刻具備初始瞬時頻率和初始相位，在最終時刻具備最終瞬時頻率和最終相位。這些信號的相位本質(zhì)上是連續(xù)的。這些信號可以分成兩類：未調(diào)制的線性調(diào)頻信號 c0( t)和已調(diào)制的線性調(diào)頻信號c1(t)。

c0(t)的時域表達(dá)式為：

c0( t)瞬時頻率函數(shù)F0( t)為：

圖2 LoRa遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器

已調(diào)制的線性調(diào)頻信號的瞬時頻率f1(t)是由未調(diào)制的線性調(diào)頻信號的瞬時頻率函數(shù)進(jìn)行循環(huán)移位所得的，產(chǎn)生的信號的瞬時頻率如圖3所示。

圖3 瞬時頻率

由此，可以得出調(diào)制后的線性調(diào)頻信號的瞬時頻率函數(shù)f1(t)：

其中，a為循環(huán)位移變量。不同的a值對應(yīng)不同的調(diào)制值，生成的已調(diào)線性調(diào)頻信號的調(diào)制值由具體編碼方式所得。

4 LoRa信號接收同步原理

直接序列擴頻（DSSS）是一種在發(fā)射端利用高速率的擴頻序列擴展所傳信號頻譜，在接收端以相應(yīng)的擴頻序列進(jìn)行解擴的信號傳輸方式。該技術(shù)在GPS系統(tǒng)中已經(jīng)展示了在長距離環(huán)境下的優(yōu)秀抗噪聲性能，但該技術(shù)并不能應(yīng)用于LoRa接收模塊。這是因為LoRa追求結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，而已知的GPS接收機雖然具有較高的靈敏度，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對弱信號的信號捕獲時間長，且在發(fā)送端和接收端都有精確、穩(wěn)定但極其昂貴的獨立時鐘系統(tǒng)。最重要的是，GPS接收機工作模式與LoRa提出的幾種工作模式并不相同。LoRa大部分情況下不需要像GPS接收機一樣長時間開啟，只需在規(guī)定時間激活并同步，再傳輸數(shù)據(jù)即可，以有效減少功耗。LoRa采取基于線性調(diào)頻信號的擴頻技術(shù)，可有效降低接收機的復(fù)雜度[4-5]，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 接收機結(jié)構(gòu)

LoRa采取的同步技術(shù)。在發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的頭部加入前導(dǎo)碼，這些碼片是由調(diào)制器產(chǎn)生的未調(diào)制的線性調(diào)頻信號和接收機本地產(chǎn)生的共軛線性調(diào)頻信號的乘積，乘積經(jīng)FFT輸出峰值頻段，處理后獲得相應(yīng)的頻率偏置Δf和時間偏置Δt，具體實現(xiàn)原理如下。

LoRa數(shù)據(jù)幀中的前導(dǎo)碼是未調(diào)制的線性調(diào)頻信號c0(t)，也可以表示為：

當(dāng)其傳輸?shù)浇邮斩撕螅瑫嬖诙嗥绽疹l移Δf，所得接收信號為r(t)：

信號接收端的chirp信號生成器生成兩種本地線性調(diào)頻信號ejπμ0(t+Δt)2、e-jπμ0(t+Δt)2，其中 Δt為發(fā)送端與接收端存在的定時偏置，與接收信號相乘后，得：

FFT處理器將P(t)和Q(t)從時域轉(zhuǎn)換到頻域，可以測量其功率譜的峰值分別存在于Fp、Fq：

由此，可得：

[5]邢悅，詹奕嘉：《國際關(guān)系：理論、歷史與現(xiàn)實》，復(fù)旦大學(xué)出版社，2008年10月第1版，第38頁.

所得頻率偏置Δf和定時偏置Δt可以用于調(diào)節(jié)本地時鐘的系統(tǒng)頻率和時間偏置，使得接收機的頻率與后續(xù)接收的線性調(diào)頻信號的頻率對準(zhǔn)，完成同步。

5 LoRa的解調(diào)原理

接收機通過LoRa數(shù)據(jù)幀中的前導(dǎo)碼同步校準(zhǔn)后，讀取了報頭部分內(nèi)容，獲知了有效負(fù)載的相關(guān)信息，然后開始解調(diào)有效載荷的信息。如上文所述，有效載荷包含的數(shù)據(jù)信息由已調(diào)制的線性調(diào)頻信號表示。這些線性調(diào)頻信號的瞬時頻率函數(shù)經(jīng)過循環(huán)移位不同的值a來對應(yīng)不同的調(diào)制值。接收機需要獲得a值，再通過索引尋找與之相對應(yīng)的調(diào)制值，解調(diào)出具體信息，原理如下。接收到的調(diào)制信號的瞬時頻率為f1(t)，接收信號與接收機產(chǎn)生的本地共軛線性調(diào)頻信號與相乘，所得乘積信號的瞬時頻率為f2(t)。將乘積信號作FFT，可以檢測到在瞬時頻率值突變處產(chǎn)生一峰值，如圖5所示。不同的移位值a1和a2得出的峰值位置不同，循環(huán)移位值可以在時域中指示調(diào)制，而峰值位置則在頻域處表示調(diào)制。接收機得到不同的a值后，經(jīng)過索引查表后，解調(diào)出相應(yīng)的a值對應(yīng)的調(diào)制值。

圖5 經(jīng)過FFT產(chǎn)生峰值

6 LoRa在衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中的可行性分析

通過對LoRa的物理層相關(guān)調(diào)制及同步技術(shù)的分析可以看出，LoRa物理層采用了適用于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)木€性調(diào)頻信號作為調(diào)制信號和同步信號。使用特殊的LoRa調(diào)制和簡潔的同步方式，結(jié)合適用于物聯(lián)網(wǎng)的傳輸協(xié)議，達(dá)到低成本、低功耗和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男ЧＯ噍^于地面通信系統(tǒng)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)有其獨特的性質(zhì)，LoRa相關(guān)技術(shù)不一定可以直接適用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。

LoRa在物理層采用chirp信號作為同步信號的方法已經(jīng)應(yīng)用在GMR-1衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，特點是犧牲了精度，簡化了實現(xiàn)復(fù)雜度。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)可以考慮借鑒該同步技術(shù)。

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，利用信道編碼進(jìn)行差錯控制的方式主要有三種[6]：反饋重傳（ARQ）、前向糾錯（FEC）和混合糾錯（HEC）。衛(wèi)星通信相較于地面通信的一個特點是端與端之間存在較大的鏈路傳播時延，采用ARQ和HEC雖然可以在一定程度上簡化編譯碼設(shè)備，降低兩端設(shè)備復(fù)雜度，但由于需要反饋信道，在用戶數(shù)量較多或信道質(zhì)量較差時，會引起反饋信道擁塞導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降；信道干擾嚴(yán)重時，系統(tǒng)經(jīng)常處于消息重發(fā)狀態(tài)，反饋確認(rèn)機制會導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸信息的實時性和連貫性較差。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)是多用戶、實時性的業(yè)務(wù)，不易采用上述兩種糾錯方式。前向糾錯方式在采用合適的信道編碼方案后，可以用盡可能小的編碼冗余獲得優(yōu)良的差錯控制性能，同時可以避免星上設(shè)備過于復(fù)雜。目前，衛(wèi)星通信中，前向糾錯編碼是最常使用的糾錯編碼方式。所以，LoRa采用的前向糾錯編碼方式可以在衛(wèi)星中使用，其數(shù)據(jù)幀格式也值得借鑒。

衛(wèi)星信道是一種功率和帶寬都受限的信道，同時又是非線性信道。目前，衛(wèi)星通信系統(tǒng)中所用的調(diào)制方式有QPSK、OQPSK、π/4-QPSK、BPSK和MSK調(diào)制。其中，最常用的為QPSK。

下面將以QPSK調(diào)制為例，與LoRa調(diào)制進(jìn)行對比。

功率效率。功率效率與信號包絡(luò)關(guān)系密切，當(dāng)相位發(fā)生180°跳變時，QPSK信號的包絡(luò)必然存在過零點現(xiàn)象，通過HPA和TWTA等非線性器件時，會出現(xiàn)頻譜擴展現(xiàn)象。LoRa調(diào)制是恒包絡(luò)調(diào)制方案，在經(jīng)過低功率高效放大器時，可以直接使用無需修改，但經(jīng)過衛(wèi)星上的高功率放大器時，會有嚴(yán)重的高階互調(diào)干擾，也會出現(xiàn)頻譜擴展。圖6、圖7為兩種調(diào)制信號經(jīng)過功率放大器的Saleh模型仿真。

圖6 QPSK信號頻譜對比

圖7 線性調(diào)頻信號頻譜對比

頻帶利用率。衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)日趨繁忙，可利用的頻譜資源越來越少，而國際上對頻帶占用率和利用率都有嚴(yán)格規(guī)定。一個成型系數(shù)為是α的QPSK調(diào)制信號，其占用帶寬B為B=(1+α)Rs，其中Rs為符號速率。所以，頻帶利用率為0＜α＜1。而LoRa調(diào)制信號占用帶寬B為其中SF為擴頻因子，頻帶利用率為在LoRa調(diào)制的定義中，SF的大小可以從7～12。帶寬一定時，以傳輸速率為代價對傳輸信息進(jìn)行擴頻。可見，LoRa調(diào)制的頻帶利用率遠(yuǎn)低于QPSK調(diào)制。

誤比特率。本質(zhì)上，LoRa調(diào)制是基于CSS調(diào)制方式。根據(jù)上文對CSS調(diào)制的原理進(jìn)行調(diào)制解調(diào)后的誤比特率仿真，對比QPSK調(diào)制方式，得到如圖8所示的仿真結(jié)果。

圖8 CSS與QPSK調(diào)制誤比特率對比

當(dāng)前，衛(wèi)星通信系統(tǒng)追求高速數(shù)據(jù)傳輸性能，頻譜利用率較高的QPSK調(diào)制得到了廣泛應(yīng)用。LoRa調(diào)制本身是針對地面中低速率的傳輸業(yè)務(wù)，對于帶寬受限的衛(wèi)星通信系統(tǒng)直接采用這種調(diào)制方式進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)通信并不經(jīng)濟(jì)有效。通過對誤比特率的仿真對比發(fā)現(xiàn)，CSS調(diào)制的誤比特性能不如QPSK。所以，LoRa的調(diào)制方式并不十分適合衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)，優(yōu)選QPSK調(diào)制方式。

7 LoRa與衛(wèi)星通信的結(jié)合構(gòu)想

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景有限，主要是處于人口稀少、不易于密集建立基站的地區(qū)。例如，在偏遠(yuǎn)野外人類無法長時間活動的地區(qū)，需要通過傳感器收集周邊環(huán)境信息進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和分析。在這種情況下，傳統(tǒng)的LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通過LoRa終端以LoRa調(diào)制或FSK調(diào)制與網(wǎng)關(guān)相連，而網(wǎng)關(guān)與LoRa服務(wù)器之間需要經(jīng)過TCP/IP鏈路，如圖9所示，但在實際場景中該鏈路可能無法連通。此時，可考慮在該段鏈路加入衛(wèi)星鏈路，與衛(wèi)星通信系統(tǒng)結(jié)合，形成在地面布設(shè)LoRa終端，各個終端將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫l(wèi)星基站，通過衛(wèi)星鏈路傳輸?shù)降孛嬷髡荆髡驹偻ㄟ^TCP/IP鏈路和LoRa服務(wù)器相連，而用戶則可通過網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)遠(yuǎn)程獲取這些數(shù)據(jù)，如圖10所示。

此種架構(gòu)在LoRa終端和衛(wèi)星基站之間以LoRa調(diào)制進(jìn)行信息傳輸，經(jīng)過衛(wèi)星基站的解調(diào)后，以適用于衛(wèi)星鏈路傳輸?shù)恼{(diào)制方式進(jìn)行信息傳輸。這樣既可以保持LoRa在地面?zhèn)鬏數(shù)凸摹⒕嚯x遠(yuǎn)的優(yōu)勢，又可以在無法接入因特網(wǎng)的地區(qū)使用衛(wèi)星鏈路建立鏈接，還可以利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)通信容量大的特點進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖9 LoRa網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖10 LoRa與衛(wèi)星通信系統(tǒng)結(jié)合

8 結(jié) 語

本文分析了LoRa物理層的有關(guān)技術(shù)原理及協(xié)議，并對其在衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用可行性進(jìn)行了分析，其同步技術(shù)、糾錯編碼方式以及幀結(jié)構(gòu)設(shè)計可以借鑒LoRa物理層相關(guān)技術(shù)和協(xié)議，但LoRa的調(diào)制方式不適合衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可以考慮用衛(wèi)星通信中最常用的QPSK調(diào)制替代。最后，通過對比LoRa的組網(wǎng)形式，提出了一種LoRa與衛(wèi)星通信系統(tǒng)結(jié)合的組網(wǎng)構(gòu)想。