【网安学术】LoRa物理层关键技术在卫星物联网中应用的可行性分析

摘要：物联网是当前最热门的信息技术之一，发展十分迅速。地面物联网虽然可以满足人口密集地区的业务需求，但在偏远地区下显得无能为力，此时可考虑基于卫星通信的物联网。然而，卫星物联网的发展刚起步，相应的组网方案及协议尚未成熟。LoRa技术是当前最火热的物联网无线通信技术之一。因此，分析了LoRa物理层的相关技术原理与协议，阐述其在卫星物联网中应用的可行性，并对比LoRa的网络架构，提出了一种LoRa与卫星通信系统结合的组网方式。

0 引 言

物联网是当前最热门的信息技术之一，近年先后涌现了一系列与之相应的无线通信技术。一类是Zigbee、WiFi、蓝牙等短距离无线通信技术，另一类是以NB-Iot和LoRa为代表的LPWAN（low-Power Wide-Area Network，低功耗广域网），即广域网通信技术。

随着物联网的业务范围不断扩大，人们对物联网的通信技术要求不断提高，第一类短距离无线通信技术显然不能满足要求，而以NB-Iot和LoRa为代表的专为低速、低功耗、远距离、面向大量连接的物联网技术LPWAN得到了迅速发展。

在人口及业务密集的地区，当前的物联网技术可以满足需求，但在人口稀少、地面通信网建设不发达的地区，现有的物联网服务显得无能为力。这时，可以考虑使用卫星作为中继的物联网业务，通过卫星链路传输信息，称为卫星物联网。目前，卫星物联网的发展相对缓慢，并没有成熟的组网方案和协议规范。

NB-Iot和LoRa技术是当前最具发展前景的两种地面低功耗广域网通信技术。LoRa相较于NB-Iot在通信速率上不占优势，拥有完善的网络协议和成熟的通信模块。由于它工作在免授权ISM频段，可以无需申请直接进行网络建设，易于自主建网，且其技术成熟，网络架构简单，成本相对较低，故而有其独特的优势[1]。

本文重点分析LoRa在物理层上的关键技术和协议，希望能够对卫星物联网的建设提供助益。

1　LoRa调制的基本参数

LoRa技术有着完善的网络架构、协议以及成熟的通信模块。其中，LoRa采用的通信模块是由美国Semtech公司生产的SX1276/77/78远程调制解调器[2]。该模块在调制解调部分配置了标准的FSK调制解调器和远距离扩频调制解调器，用户可根据实际通信环境，选择适当的模式，如OOK、FSK调制以及LoRa扩频技术。其中，LoRa扩频技术是Semtech公司申请的专利调制技术，利用线性调频信号对所调信息信号进行频谱扩展。与传统扩频技术相比，它可以增加链路预算和带内抗干扰能力，同时放松了对晶体基准震荡器的频率容限要求，从而在降低成本的基础上保证了性能。在LoRa调制模式下，最重要的参数为带宽（BW）、扩频因子（SF）以及编码速率（CR）。

每个LoRa符号由个chirps组成，且占据全部带宽BW。SF的取值为7～12，每个符号可以编码SF个比特信息。在LoRa调制中，chirp速率在数值上等于带宽BW（即每个chirp每秒每赫兹）。每当SF增加1，符号中的每个chirp所占频段便缩小1/2，持续时间扩大1倍，但这不会使传输的比特速率减半，因为每个符号会多传1比特信息。对于给定的SF，符号速率与比特速率正比于带宽BW，上述关系可以表达为：

式中，Ts 是符号周期，Rs 是符号速率，Rc 是chirp速率。

LoRa调制还将扩频技术与纠错编码技术结合，在符号中加入前向纠错码。假设传输的信息码字由4个信息比特组成，在其后加入n 个冗余比特，n 可取0、1、2、3、4，则编码速率为：

还可推出有效比特速率Rb 为：

2　LoRa数据帧

LoRa数据帧主要包括三部分：（1）前导码；（2）可选报头；（3）有效载荷。具体结构如图1所示。

其中，前导码是用于保持接收机与输入的数据同步，长度是可变的。例如，在接收密集型应用中，可以缩短前导码长度，以减少传输数据与接收机的同步时间，最小前导码长度必须满足所有通信需求。可选报头分为显示报头和隐式报头，显示报头包括有效载荷的相关信息，包括：（1）以字节数表示的有效负载长度；（2）前向纠错码率；（3）是否使用可选的16位负载CRC，报头以最大纠错编码（4/8）发送，报头含有自己的CRC用于接收机检验。当有效载荷的相关信息固定且已知时，可采用隐式报头以缩短发送时间。有效载荷长度可变，包含CRC。

3　LoRa调制原理

LoRa远程调制解调器的结构如图2所示[3]。该通信系统中的调制器用于生成线性调频信号，并被分解为同相位信号（I）和正交相位信号（Q）。该线性调频信号可用于扩展所传信息信号的频谱，之后通过混频器上变频到载波频率，再经功率放大器放大由天线传送出去。解调部分则是在接收到信号后将信号分再分解为I、Q两路传输，然后对信号进行下变频，传送至解调器中进行解调。

如图2所示，调制器可以生成线性调频信号。每个线性调频信号在初始时刻和最终时刻之间。这些信号在初始时刻具备初始瞬时频率和初始相位，在最终时刻具备最终瞬时频率和最终相位。这些信号的相位本质上是连续的。这些信号可以分成两类：未调制的线性调频信号c0(t) 和已调制的线性调频信号c1(t) 。

c0(t)的时域表达式为：

c0(t)瞬时频率函数f0(t) 为：

已调制的线性调频信号的瞬时频率f1(t) 是由未调制的线性调频信号的瞬时频率函数进行循环移位所得的，产生的信号的瞬时频率如图3所示。

由此，可以得出调制后的线性调频信号的瞬时频率函数f1(t) ：

4　LoRa信号接收同步原理

直接序列扩频（DSSS）是一种在发射端利用高速率的扩频序列扩展所传信号频谱，在接收端以相应的扩频序列进行解扩的信号传输方式。该技术在GPS系统中已经展示了在长距离环境下的优秀抗噪声性能，但该技术并不能应用于LoRa接收模块。这是因为LoRa追求结构简单，成本低廉，而已知的GPS接收机虽然具有较高的灵敏度，但其结构复杂，对弱信号的信号捕获时间长，且在发送端和接收端都有精确、稳定但极其昂贵的独立时钟系统。最重要的是，GPS接收机工作模式与LoRa提出的几种工作模式并不相同。LoRa大部分情况下不需要像GPS接收机一样长时间开启，只需在规定时间激活并同步，再传输数据即可，以有效减少功耗。LoRa采取基于线性调频信号的扩频技术，可有效降低接收机的复杂度[4-5]，具体结构如图4所示。

LoRa采取的同步技术。在发送的数据帧的头部加入前导码，这些码片是由调制器产生的未调制的线性调频信号和接收机本地产生的共轭线性调频信号的乘积，乘积经FFT输出峰值频段，处理后获得相应的频率偏置和时间偏置，具体实现原理如下。

LoRa数据帧中的前导码是未调制的线性调频信号c0(t) ，也可以表示为：

当其传输到接收端后，会存在多普勒频移 ，所得接收信号为r(t) ：

信号接收端的chirp信号生成器生成两种本地线性调频信号、，其中 为发送端与接收端存在的定时偏置，与接收信号相乘后，得：

FFT处理器将P（t） 和Q（t） 从时域转换到频域，可以测量其功率谱的峰值分别存在于Fp 、Fq ：

由此，可得：

所得频率偏置 和定时偏置 可以用于调节本地时钟的系统频率和时间偏置，使得接收机的频率与后续接收的线性调频信号的频率对准，完成同步。

5　LoRa的解调原理

接收机通过LoRa数据帧中的前导码同步校准后，读取了报头部分内容，获知了有效负载的相关信息，然后开始解调有效载荷的信息。如上文所述，有效载荷包含的数据信息由已调制的线性调频信号表示。这些线性调频信号的瞬时频率函数经过循环移位不同的值a 来对应不同的调制值。接收机需要获得a 值，再通过索引寻找与之相对应的调制值，解调出具体信息，原理如下。接收到的调制信号的瞬时频率为f1(t) ，接收信号与接收机产生的本地共轭线性调频信号与相乘，所得乘积信号的瞬时频率为f2(t) 。将乘积信号作FFT，可以检测到在瞬时频率值突变处产生一峰值，如图5所示。不同的移位值a1 和a2 得出的峰值位置不同，循环移位值可以在时域中指示调制，而峰值位置则在频域处表示调制。接收机得到不同的a 值后，经过索引查表后，解调出相应的a 值对应的调制值。

6　LoRa在卫星物联网中的可行性分析

通过对LoRa的物理层相关调制及同步技术的分析可以看出，LoRa物理层采用了适用于远距离传输的线性调频信号作为调制信号和同步信号。使用特殊的LoRa调制和简洁的同步方式，结合适用于物联网的传输协议，达到低成本、低功耗和远距离传输的效果。相较于地面通信系统，卫星通信系统有其独特的性质，LoRa相关技术不一定可以直接适用于卫星通信系统中。

LoRa在物理层采用chirp信号作为同步信号的方法已经应用在GMR-1卫星通信系统中，特点是牺牲了精度，简化了实现复杂度。卫星物联网可以考虑借鉴该同步技术。

在数字通信系统中，利用信道编码进行差错控制的方式主要有三种[6]：反馈重传（ARQ）、前向纠错（FEC）和混合纠错（HEC）。卫星通信相较于地面通信的一个特点是端与端之间存在较大的链路传播时延，采用ARQ和HEC虽然可以在一定程度上简化编译码设备，降低两端设备复杂度，但由于需要反馈信道，在用户数量较多或信道质量较差时，会引起反馈信道拥塞导致网络吞吐量下降；信道干扰严重时，系统经常处于消息重发状态，反馈确认机制会导致系统传输信息的实时性和连贯性较差。物联网业务是多用户、实时性的业务，不易采用上述两种纠错方式。前向纠错方式在采用合适的信道编码方案后，可以用尽可能小的编码冗余获得优良的差错控制性能，同时可以避免星上设备过于复杂。目前，卫星通信中，前向纠错编码是最常使用的纠错编码方式。所以，LoRa采用的前向纠错编码方式可以在卫星中使用，其数据帧格式也值得借鉴。

卫星信道是一种功率和带宽都受限的信道，同时又是非线性信道。目前，卫星通信系统中所用的调制方式有QPSK、OQPSK、π/4-QPSK、BPSK和MSK调制。其中，最常用的为QPSK。

下面将以QPSK调制为例，与LoRa调制进行对比。

功率效率。功率效率与信号包络关系密切，当相位发生180°跳变时，QPSK信号的包络必然存在过零点现象，通过HPA和TWTA等非线性器件时，会出现频谱扩展现象。LoRa调制是恒包络调制方案，在经过低功率高效放大器时，可以直接使用无需修改，但经过卫星上的高功率放大器时，会有严重的高阶互调干扰，也会出现频谱扩展。图6、图7为两种调制信号经过功率放大器的Saleh模型仿真。

频带利用率。卫星通信业务日趋繁忙，可利用的频谱资源越来越少，而国际上对频带占用率和利用率都有严格规定。一个成型系数为是a 的QPSK调制信号，其占用带宽B 为，其中Rs 为符号速率。所以，频带利用率为，。而LoRa调制信号占用带宽B 为，其中SF为扩频因子，频带利用率为。在LoRa调制的定义中，SF的大小可以从7～12。带宽一定时，以传输速率为代价对传输信息进行扩频。可见，LoRa调制的频带利用率远低于QPSK调制。

误比特率。本质上，LoRa调制是基于CSS调制方式。根据上文对CSS调制的原理进行调制解调后的误比特率仿真，对比QPSK调制方式，得到如图8所示的仿真结果。

当前，卫星通信系统追求高速数据传输性能，频谱利用率较高的QPSK调制得到了广泛应用。LoRa调制本身是针对地面中低速率的传输业务，对于带宽受限的卫星通信系统直接采用这种调制方式进行物联网通信并不经济有效。通过对误比特率的仿真对比发现，CSS调制的误比特性能不如QPSK。所以，LoRa的调制方式并不十分适合卫星物联网，优选QPSK调制方式。

7　LoRa与卫星通信的结合构想

卫星物联网的应用场景有限，主要是处于人口稀少、不易于密集建立基站的地区。例如，在偏远野外人类无法长时间活动的地区，需要通过传感器收集周边环境信息进行远程监控和分析。在这种情况下，传统的LoRa网络架构通过LoRa终端以LoRa调制或FSK调制与网关相连，而网关与LoRa服务器之间需要经过TCP/IP链路，如图9所示，但在实际场景中该链路可能无法连通。此时，可考虑在该段链路加入卫星链路，与卫星通信系统结合，形成在地面布设LoRa终端，各个终端将数据传输到卫星基站，通过卫星链路传输到地面主站，主站再通过TCP/IP链路和LoRa服务器相连，而用户则可通过网络业务远程获取这些数据，如图10所示。

此种架构在LoRa终端和卫星基站之间以LoRa调制进行信息传输，经过卫星基站的解调后，以适用于卫星链路传输的调制方式进行信息传输。这样既可以保持LoRa在地面传输低功耗、距离远的优势，又可以在无法接入因特网的地区使用卫星链路建立链接，还可以利用卫星通信系统通信容量大的特点进行数据传输。

8　结　语

本文分析了LoRa物理层的有关技术原理及协议，并对其在卫星物联网的应用可行性进行了分析，其同步技术、纠错编码方式以及帧结构设计可以借鉴LoRa物理层相关技术和协议，但LoRa的调制方式不适合卫星通信系统，可以考虑用卫星通信中最常用的QPSK调制替代。最后，通过对比LoRa的组网形式，提出了一种LoRa与卫星通信系统结合的组网构想。

参考文献：

[1] Aloÿs A,Yi J,Thomas C,et al.A Study of LoRa:Long Range & Low Power Networks for the Internet of Things[J].Sensors,2016,16(09):1466.

[2]Semtech Corporation.SX1276/77/78/79_datasheet[EB/OL].(2015-03-01)[2018-04-28].http://www.semtech.com.

[3] Semtech Corporation.Chirp Signal Processor:European,EP2975814A1[P].2016-01-20.

[4] SFORZA FRANÇOIS.Communication System:European,EP2449690A1[P].2010-07-02.

[5] Tanaka H,Minato K.A Frequency and Timing Synchronization Circuit Making Use of a Chirp Signal:European,EP0952713A2[P].1999.

[6] 郭庆,王振永,顾学迈.卫星通信系统[M].北京:电子工业出版社,2010.

作者简介：

朱鑫昱，中国人民解放军陆军工程大学硕士，主要研究方向为卫星物联网；

唐璟宇，中国人民解放军陆军工程大学博士，主要研究方向为卫星通信。

（本文选自《通信技术》2018年第九期）

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