低功耗远距离无线通信技术及其军事应用分析*

刘 磊，孙超山

0 引 言

低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN）是一种新兴的物联网无线通信新技术，其核心技术是低功耗远距离无线通信。与传统蜂窝网络（2G、3G、4G等）、WiFi、蓝牙、ZigBee等现有成熟商用的无线技术相比，低功耗远距离无线通信技术具有远距离、低功耗、低成本、覆盖容量大等优点[1]。远距离和覆盖容量大，意味着可以覆盖更大的面积，服务更多的用户；低功耗可以大大延长电池寿命，延长电池更换的周期；低成本收发器芯片可以有效减少部署成本。基于这些优良特性，低功耗远距离无线通信及其网络技术不仅适合于物联网终端设备，而且适用于长距离发送小数据量且使用电池供电的军事设备，如军事战场需求感知、战场搜救等后勤保障应用领域。

截至目前，业界出现了多种LPWAN技术，如 LoRa、SigFox、NWave等。 其 中，LoRa技 术是LPWAN中发展较快、相对较成熟的技术，由Semtech公司在2013年发布。LoRa技术经过Semtech、美国思科、IBM、荷兰KPN电信和韩国SK电信等组成的LoRa联盟国际组织进行全球推广后，目前已成为新物联网应用的重要基础支撑技术[2]。因此，本文以相对成熟的LoRa技术及其代表的低功耗远距离无线通信在军事上的应用为例进行分析。

1 LoRa

LoRa全称“Long Rang”，是一种基于扩频技术的低功耗远距离无线通信技术。2013年8月，Semtech公司向业界发布了一种新型的基于1 GHz以下频谱的超长距低功耗数据传输技术芯片。它主要面向远距离低功耗的物联网无线应用，接收灵敏度可达-148 dBm。与业界其他先进水平的Sub-GHz芯片相比，最高接收灵敏度改善了20 dB以上[3]。LoRa功耗极低，可以使用电池供电或者其他能量收集的方式供电。一节五号电池，理论上可供终端设备工作10年以上。同时，较低的数据速率也延长了电池寿命，增加了网络容量。

LoRa使用线性调频扩频调制技术。这种无线调制技术既保持了移频键控调制的低功耗特性，又大大增加了通信范围[4]。这种调制技术具有高时间带宽积和非常宽的频带，其中高时间带宽积可以保证无线电信号避免遭受带内和带外干扰落。LoRa调制具有六个正交扩频因子，不同扩频序列终端即使使用相同的频率同时发送信息也不会相互干扰，因此在此基础上研制的集中器/网关能够同时在同一信道上并行接收并处理多个节点数据，提高了频谱效率，也大大扩展了系统容量。

LoRa的优势在于技术方面的长距离通信能力。单个网关或基站可以覆盖整个城市或数百平方公里范围。在一个给定的位置，通信距离在很大程度上取决于环境或障碍物。链路预算通常用分贝（dB为单位）表示，是在给定的环境中决定距离的主要因素。LoRa拥有一个链路预算优于其他任何标准化的通信技术。在20 dBm发射功率下，LoRa调制的链路预算可达168 dB，使得LoRa技术更适合于低成本大规模的物联网部署。

2 LoRaWAN网络机制

LoRaWAN是LoRa联盟针对LoRa网络设备和终端兼容性定义的标准化规范，主要包含网络的通信协议和系统架构[5]。LoRaWAN的标准化保证了不同终端、网关、服务器之间的互操作性。

2.1 网络架构

许多现有部署的网络采用网状网络架构。在网状网络中，个别终端节点需转发其他节点的信息，以增加网络的通信距离和网络区域规模大小。虽然这增加了范围，但也增加了复杂性，降低了网络容量，缩短了电池寿命。然而，LoRa网络采用星形拓扑的网络结构。当实现长距离连接时，终端节点和网关可直接进行信息交互，有效减少了网络复杂性和能量损耗，保护了电池寿命。它的网络架构如图1所示。

图1 LoRaWAN网络架构

如图1所示，LoRaWAN网络架构由应用终端（内置LoRa模块）、LoRa网关（或基站）、网络服务器和业务服务器四部分组成。在LoRaWAN网络中，终端与网关不相关联。相反，一个终端传输的数据通常是由多个网关收到。每个网关将利用终端节点所接收的数据包通过回传技术（蜂窝、以太网、卫星或WiFi）转发到网络服务器。智能化和复杂性放到服务器上，服务器管理网络过滤接收的冗余数据，执行安全检查，通过最优的网关进行调度确认，并执行自适应数据速率等。如果一个节点是移动的或正在移动，不需要从网关到网关切换，这是LoRaWAN网络架构中的一个重要功能。

LoRaWAN网络架构中，各组成部分的详细功能介绍如下。

（1）应用终端：使用LoRa调制技术，实现数据远距离传输，包括物理层、MAC层和应用层的实现。

（2）LoRa网关：LoRa网关是一个透明的中继，负责连接前端终端设备和后端服务器。网关将接收的终端上行数据聚集到一个各自单独的回程连接，解决多路数据并发问题，实现数据收集和转发。终端设备采用单跳与一个或多个网关通信，且所有节点均为双向通信。由于采用了扩频技术，终端与网关之间的通信可以使用不同的频率和数据传输速率，且不会相互干扰。数据速率可根据不同传输距离和消息时延进行选择。网关和网络服务器使用标准的TCP/IP连接。

（3）网络服务器：负责数据MAC层处理，重复数据包的过滤、数据传输速率选择、网关管理和选择、安全管理等。MAC层可遵循联盟标准的LoRaWAN协议，也可以遵循各厂商制定的MAC协议。

（4）应用服务器：从网络服务器获取应用数据，分析并处理应用数据，进行应用状态展示、及时告警等。

2.2 网络容量

为了能够实现远距离星型网络，网关必须具有非常高的容量或性能，以便于从大量节点接收消息。高网络容量利用自适应的数据速率和网关中的多通道多调制收发器实现，因此可以在多信道上同时接收消息。影响容量的关键因素是并发通道数、数据速率（空中时间）、负载长度以及终端节点在固定时间内发送数据的次数。目前，芯片支持的LoRaWAN系统带宽为2 Mbit/s，包括8个固定带宽为125 kbit/s的信道，每个信道支持6种扩频因子SF7～12。当使用不同扩频因子时，信号实际上是彼此正交的。当扩频因子发生变化时，有效的数据速率也会发生变化[6]。网关利用这个特性，能够在同一时间相同信道上接收多个不同的数据速率。终端和网关的通信可选用不同的速率即不同的SF，而速率的选择需要权衡通信距离或信号强度、消息发送时间等因素，使得终端获取最大的电池寿命，并使网关容量最大化。当链路环境好时，可以使用较低的扩频因子即较大的数据速率；而当终端远离网关、链路环境较差时，可以增大扩频因子，以获取更高的灵敏度，但同时数据速率会降低。对于125 kbit/s固定带宽的信道，数据速率从250 bit/s到5 kbit/s，可以在一个相当大的范围内进行选择。这些特点使得LoRaWAN具有非常高的容量，网络也更具可扩展性。按业务模型为50 B/2 h进行上报，估算每小时成功发送的报告数，则每个LoRa网关支持约5万条上报消息，超出了目前业界对低功耗无线网络技术的容量要求。此外，可利用最少量的基础设施部署网络。当需要容量时，可以添加更多网关，变换数据速率，可扩展6～8倍网络容量。

2.3 终端设备类别

LoRa终端设备服务不同的应用，有不同的要求。为优化各种终端应用规范，LoRaWAN定义了不同的设备类别。

（1）双向终端设备（A类）：A类终端设备允许双向通信，但不能进行主动的下行发送。每次终端设备的上行传输过程会跟随两次很短的下行接收窗口。下行发送时隙是根据终端需要和很小的随机量决定的。对于终端设备仅在发送一个上行数据后需要服务器下行方向的数据这种简短的通讯应用来说，这类操作无疑是功耗最低的。A类终端设备先发送后接收，发送和接收交替进行。终端只有在发送数据后才能接收处理服务器发送的数据，而发送数据不受接收数据的限制，如图2所示。

图2 A类设备收发模式

（2）具备预设接收时隙的双向终端设备（B类）：除A类随机接收窗口外，B类设备在预设时间上开放了额外的接收窗口。为使终端设备在调度时间上打开其接收窗口，终端在调度时接收网关同步信标Beacon一次，这使得服务器知道什么时候终端设备在侦听。B类终端设备同样是先发送后接收，不同的是每次发送后按照开启了多少个接收窗口，接收多条来自网关的下行数据信息。这种使用类型功耗大于A类终端，如图3所示。

图3 B类设备收发模式

（3）具备最大接收时隙的双向终端设备（C类）：C类终端设备几乎是连续地打开接收窗口，仅在发送时关闭。能耗最高，但和服务器交互的延时低，如图4所示。

图4 C类设备收发模式

2.4 网络安全机制

LoRaWAN使用了两层安全：一是网络层安全；二是应用层安全。网络安全保证了网络节点的可靠性，而应用层安全确保了网络运营商不能访问终端用户的应用数据。

所有的终端设备需要在与网络服务器交互数据前的网络加入过程完成网络安全的密钥获取。应用终端在接入使用时需具备以下安全信息：终端设备ID（DevEUI）、应用ID（AppEUI）和AES-128应用密钥（AppKey）。其中，DevEUI是标识终端的全球唯一设备ID；AppEUI是存储在终端设备中标识终端设备的应用程序提供商（即使用者）的全球唯一应用程序ID；AppKey是一个AES-128应用程序密钥，由该应用程序的所有者分配给终端设备，是从每个应用独立的根密钥中推演出来的，而根密钥由应用程序提供者知晓和控制。当一个终端设备在加入网络时，将AppKey推演出终端设备所需的会话密钥NwkSKey和应用密钥AppSKey。其中，会话密钥NwkSKey用于保障网络层通信安全，而应用密钥AppSKey用于应用端到端的安全保障。

3 远距离无线网在军事上的应用

目前军用通信的现状，在战场信息感知末端的手段和能力还存在不足。通用电台以班、排为基础，还需要依托车辆和对讲机实现部分比例的信息感知末端覆盖。根据LoRa技术的关键特点分析得出，远距离无线网具备功耗低、距离远、容量大等特点，在丰富末端感知的技术手段方面具有巨大的应用潜力。随着军事物联网、军人标识牌等应用领域的快速发展，可以预期远距离无线网技术手段可以在后勤保障、器材及人员识别、搜救等领域实现大范围应用。

利用远距离无线网体积小、覆盖范围大的优点，可方便嵌入人员标识装置中。在具备身份识别、人员定位和心率检测等应用的基础上，增强末端的通信功能，拓展与战术信息系统等异构网络的互联互通能力，实现大群体、大范围内数据的收集与共享，满足陆域战场一定范围内的人员识别、搜索定位需求。在需要感知人员伤亡位置、时间与伤情时，可为制定医疗支援次序、后送安排提供实时信息保障；在需要感知战场物资、弹药消耗和装备器材损毁信息时，可为制定勤务支援、装备器材维修、调换优先顺序提供实时信息保障。

同时，可将基于远距离无线网的末端感知网络，作为战术后方信息系统战斗损害、战斗伤亡、物资弹药消耗、人员状态参数等数据采集和传输的前端，通过网关汇聚节点的数据，与战术通信系统对接，或与同类远距离无线网网关构建自组织网络，拓展传输覆盖范围。通过构建完整的信息传输链条，将身份、位置、伤情、损毁等信息传送到各级指挥系统，从而为制定勤务保障计划提供信息支撑。

下面将举例介绍远距离无线网在后勤保障、人员搜救领域中可能的典型应用场景，并就其技术本身分析这些应用场景的军事应用适应性还需提升的方面。

3.1 战场需求采集

战场环境下，作战单兵在执行任务过程中，当需要救援物资支持时，如负伤需要药品，作战单兵通过穿戴式远距离无线网终端发送需求，附近后勤保障人员携带便携式网关接收到作战单兵的需求后及时进行保障，从而实现精确采集战场末端保障需求，提高战场后勤保障的时效和准确性。战场需求采集典型应用场景可如图5所示。

图5 战场需求采集应用场景

战场环境下，作战单兵在执行任务过程中，若需要药品、食品或弹药等救援物资时，通过远距离无线通信请求支持的过程可表述如下。

（1）作战单兵A发送物资需求，请求送一个日份的单兵食物；作战单兵B发送物资需求，请求送一个基数的单兵衣物。

（2）附近后勤保障人员接收作战单兵的需求后，汇总需求信息，并根据现有物资实力组织保障。当现有物资实力满足战场需求时，组织物资前送；当现有物资实力无法保障战场需求时，通过战术通信网络及时上报后方指挥所，申请物资调拨。

（3）后方指挥所接收后勤保障人员的物资申请及时作出反馈，如下达处理命令、派送物资等。

3.2 战场保障对象监控

主战场环境下，后勤保障人员需要密切关注作战部队人员的伤亡情况和位置信息，监控战场保障对象。这种情况下，后勤保障人员携带便携式远距离无线网网关，接收附近作战单兵通过穿戴式终端发送的体征和位置异常数据。后勤保障人员根据网关接收到异常数据的报警后实施救治和保障，并根据需要，将数据汇总后通过战术通信网络上报后方指挥所。它的应用场景如图6所示。

图6 战场保障对象监控应用场景

战场保障对象监控信息主要包括：作战单兵的心率、脉搏、血压、体表温度；作战单兵超出保障区域位置信息；作战单兵发出的求救信号。

3.3 战场人员搜寻

战场环境下，作战部队人员在执行特殊或危险任务过程中，当出现受伤、失踪、昏迷或需要营救等情况时，作战人员发送求救信号，战场搜救人员获取到伤员求救信号后，根据相关信息组织营救，提高战场搜寻伤员的效率和准确性。应用场景如图7所示。

图7 战场保人员搜寻应用场景

搜救人员搜寻待搜寻人员的过程如下：

（1）待搜寻人员使用穿戴式远距离无线网终端发送求救信号；各搜救人员分区域使用可移动的便携式网关探测求救信号。

（2）某搜救人员探测到求救信号，使用便携式远距离无线网网关向待搜寻人员发出“求救已处理”信号；待搜寻人员的穿戴式终端接收到“求救已处理”信号后，向搜寻人员发出位置信息、生命体征信息。搜救人员接收上报待搜寻人员的位置信息、生命体征信息后，进入救治流程。

（3）搜寻人员完成搜救后，可通过卫星等通信手段向搜救中心的指挥员汇报搜救情况。

3.4 军事应用适应性

基于以上应用，目前的商用远距离无线网技术还不能满足战场需要，还需做进一步的适应性提升。

首先，要优化网络设计，提高传输性能，通过软件方式实现自组网，具备网络传输带宽按需动态调节能力，能够具有网络自组织、自恢复、自维护和自管理等功能。同时，需完善与各种异构网络的通信接口，实现与战术通信系统的多手段接入。

其次，安全问题。目前，相对成熟的远距离无线通信技术和芯片均由国外公司研发和生产，很大程度上不适合直接用于军事用途。需要在无线收发芯片或底层协议上进行自主研发，实现底层数据加密，并通过算法的实时在线加载增强安全性。

最后，通过芯片和协议的自主研发，不仅可以做到自主可控，还可以从以下两个方面增强远距离无线通信的军事适应性。第一，可拓宽通信频率范围，实现200 MHz～1 GHz的Sub-GHz可用频段，增加信道资源；第二，可增加发射功率控制和跳频功能，增强在野战条件下的适应性。

4 结 语

新兴的低功耗远距离无线通信技术已逐渐成为物联网无线接入的重要技术，目前已呈现蓬勃发展的态势，不但在人们的日常生活中具有极高的应用价值，而且具有较高的军用价值。在后勤保障领域引入低功耗远距离无线通信技术，可将前线作战的后勤保障、人员搜救、医疗维护、武器监测和作战物资管理等工作智能化，全面提升后勤保障准确性、时效性和灵敏度。同时，远距离无线通信技术也可以用于单兵作战、联合一体化作战、战场监测等系统，提升军队战斗力。

面对未来的军事应用需求，应早点规划，结合技术的发展，制定统一的标准，同时选择重点研究方向，突破新兴技术在军事应用中的适应性。在现有网络中，可加强终端设备的研制，提升使用体验，以带动低功耗远距离无线通信技术的军事应用，提高军队的总体信息化水平。

[1] 龚天平.LORA技术实现远距离、低功耗无线数据传输[J].电子世界,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.

[3] Semtech.WSG_44-Introduction-LoRa-Technology[EB/OL].(2016-12-26)[2017-10-24].https://www.semtech.com.

[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.

[6] 王阳,温向明,路兆铭等.新兴物联网技术——LoRa[J].信息通信技术,2017(01):55-59.WANG Yang,WEN Xiang-ming,LU Zhaoming,et al.Emerging Technology for the Internet of Things-LoRa[J].Information and Communications Technologies,2017(01):55-59.