LoRaEdge LR1120 卫星直连通信解读

前言

4月21日，Semtech发布LR1120芯片组，支持LoRa直连卫星通信。

我和大多人的想法类似，第一反应是LoRa传的真TM远，少说也有500km，简直丧心病狂。

4年前小能手写文章介绍过 第1个从太空发回的LoRa信号，Lacuna Space 采用SDR方式，通过租用低轨卫星验证了LoRa直连卫星通信的可能性。 

这几年陆续有几个团队也验证过，不过都只是验证。这次终于商用落地了。

卫星物联网可能要迈向一个新的阶段。

现在说卫星物联网的规模应用可能为时尚早，不过应该会有一些有意思的应用冒出来。

这篇文章IoT小能手就来梳理下前期两家卫星方案商的进展，对LoRa卫星物联网通信系统及关键技术点做一些延伸解读。

LoRa卫星通信服务逐渐展开

根据前期消息，已经有两家卫星通信解决方案提供商参与了进来，包括 EchoStar 和 Lacuna。

初创公司 Lacuna 的低轨 LoRa 卫星星座

Lacuna 一直以来比较活跃，小能手在 LoRa 联盟以及 TTN 大会经常看到他们的身影。

截至22年5月，Lacuna 已经发射了7颗左右的LoRa卫星，服务的区域不仅有欧洲、非洲、还有赤道轨道的东南亚及拉丁美洲。

并且还提供了相应的终端开发套件，尺寸比手掌还小，一次充电可通过卫星连接数年，为客户提供经济实惠且简化的通信。

目前已经有一部分卫星物联网应用。

Lacuna 客户生产的环境监控传感器用于印尼的泥炭地水文监测。

下图是早期与合作伙伴合作的南极帝企鹅监控传感器。

还有一些更有意思的应用，这是和乐高教育合作的漫游车，在格陵兰岛的偏僻处为一个模拟月球栖息地的项目提供地理位置信息和监控数据。

老牌公司 EchoStar 的高轨 LoRa 卫星星座

EchoStar 是一家拥有 10 颗卫星的老牌卫星通信运营商。

相比于 Lacuna 的初创团队，EchoStar 实力雄厚很多。目前就改造了其中的一台 2017 年升空的高轨卫星 EchoStar XXI，也就是上图中的 EchoStar 21 卫星。

EchoStar Mobile 通过其 EchoStar XXI 卫星在全欧洲提供连接服务。物联网传感器将数据发送到 EchoStar Mobile LoRa 模块。然后，该模块使用许可的 S 波段频率将数据发送到 EchoStar Mobile 自己的卫星。最后通过卫星网关地面站和网络基础设施发送到互联网。

EchoStar XXI 是一颗功能强大的 GEO 卫星，天线长 18 米。它采用先进的波束成形技术，可在重点地理区域提供高质量服务。该卫星工作在 S 波段，上行链路和下行链路容量为 100 Mbit/s。

LoRa卫星通信 关键技术点解读

1 卫星覆盖

可以看到 EchoStar 和 Lacuna 虽然都提供 LoRa 卫星网络覆盖，但却采用了截然不同的技术路线。

主流的卫星通信系统可分为两类：近地轨道卫星系统（LEO）和地球同步轨道卫星系统（GSO）。

• 近地轨道卫星（LEO）技术的优势在于可以提供全球无缝隙的无线信号覆盖。近地轨道上的卫星以高速（每 70 到 100 分钟即可绕地球一圈）运行在较低的轨道（500 至 1120 km）上，地面覆盖范围在 2000 到 3000 公里之间，因此需要较多的卫星来维持信号覆盖率。

• 地球同步轨道卫星（GSO）系统仅需要三至四颗卫星即可维持几乎全天候的全球信号覆盖率，从而降低发射卫星的费用。但这类卫星往往非常重（约 5 吨），因此建造和发射单颗卫星的费用较高。

EchoStar 目前用1颗卫星就实现了整个欧洲的覆盖，不过按照以往卫星电话的使用体验，可能会受到遮挡影响，需要尽量在高处使用。

Lacuna 的低轨卫星虽然单星覆盖范围较小，但是计划用更多卫星来提供更灵活的覆盖，按规划路线希望在2025年前实现一个240颗物联网星座。

2 通信时延

典型的LoRa卫星通信系统如下图。右边是常规应用，左边是LoRaWAN卫星拓展的应用。

LoRaWAN设备在偏远地区可以直接向LoRaWAN卫星网关发送消息，之后卫星将消息中继转发给地面站，由地面站完成后续传输。

因此，通信时延主要取决于终端上行消息到地面站接收下行消息的时间差。

由于地球同步轨道上的卫星因为位置相对固定，地面站一般就部署在服务区域，所以其通信时延会短一些。

而近地轨道卫星就得看地面站的部署密度了，LEO是在绕地球高速移动。Laucna 的LoRa卫星绕地球一圈大概是100分钟左右，现阶段地面站比较稀疏的话，可能要几分钟到几十分钟才能收到数据。

3 网络容量

看介绍，两家卫星服务商的星地链路都采用了 LR-FHSS 通信，相比现有的 LoRa 通信，网络容量大大提高了。

2020 年，LoRa 联盟引入了新的区域参数，支持LoRa跳频扩频 (LR-FHSS) 参数。正是因为加了这个技术，才让LoRa卫星商用成为可能。

为什么 LR-FHSS 对于LoRa卫星物联网如此重要？

在 FHSS 中，发射器以随机序列在带宽中可用的窄带频率之间“跳跃”。具体的，发射器在窄带信道中发送短脉冲数据，然后跳到另一个信道进行下一次传输。类似地，接收器被调度到一个频率以接收脉冲数据，并根据序列调度到下一个频率。

在 LR-FHSS 中，只要发送的数据使用信道带宽内的频率发送，就可以在接收端解调而无需知道序列。

如图所示，在150KHz带宽中，灰色底纹的传统LoRa传输占用了整个信道带宽，致使其他在此期间发送的数据包都冲突了，而黑色线条和蓝色线条使用LR-FHSS的设备采用随机序列跳频同时成功发送。

在实际运行过程中，LR-FHSS将终端节点发送的每个数据包分解成小块（每块大约 50 毫秒长），并在定义的频率带宽（包括 137kHz、336kHz 和 1.523MHz，取决于地区）上随机扩散。

可以这么说，LR-FHSS 显著增加了 LoRaWAN 网络容量并使得通信更加可靠。

这种能力允许同时使用多个发射器并同时接收数百个数据。并且由于序列近似随机，因此干扰的可能性较小。

一旦应用到卫星通信中，LR-FHSS 的意义就体现出来。一旦设备的射频可以覆盖如此远的距离，那干扰将无法避免，只能上 LR-FHSS。

已有的LoRa卫星应用中，下行仍使用常规LoRa通信，而上行改用 LR-FHSS。

有兴趣的同学可以试试，目前的 LR1110 以及 LR1120 都支持LR-FHSS，以及收发器芯片SX1261、SX1262，V2.1网关参考设计也都支持LR-FHSS。

4 终端功耗

下图是 Lacuna 提供的开发套件，采用电池供电。

甚至于用植物产生的微小电量也能完成对太空的数据传输。图为 Plant-e 的植物能量收集设备，它利用活植物产生的电力将有关空气湿度、土壤湿度、温度、电池电压和电极电位的 LoRaWAN 信息直接传输到 Lacuna 的卫星。

由于 EchoStar 使用的是高轨卫星，可能对终端的发射功率会要求高一些。

在中国可以体验吗

最后想来聊聊如何体验。

今年初 Semtech 已经和腾讯云合作，LoRa Edge 地理定位服务现可通过腾讯云物联网开发平台为客户提供服务。不过这个服务主要是 LoRaEdge 的 GNSS 位置导航信息云端解析。

卫星应用最大的不确定性可能还是在运营风险。其实不只是在中国，全球各国频率协调、地面设备建设及落地运营等方面都存在较多不确定性。只要卫星信号要在某个国家落地，就需要向当地进行频率申报、完成频率协调。

这几年眼看国外星链计划、One Web星座发展等如火如荼，国内也有不少部门和企业，如航天科技、航天科工、中国电科等在积极布局低轨卫星星座。不过大家的卫星建设实施率都很低，多少有点重复投资及内耗。2021年4月成立了国家卫星网络通信集团公司，由领头羊来协调规划国内的资源投入，整合带动整个卫星产业链。

短期内估计得试试别的选项，非LR1120的S-Band，而是无需授权的ISM频段，可以做一些试验验证。

小能手了解到有几颗试验卫星就会经过太平洋，可以覆盖我们的东部区域。下图中的 FossaSat-2E6 就是其中一颗，相同轨道上还有好几颗卫星，有时间可以玩一玩。

FOSSASAT-2E 卫星是由 FOSSA Systems 制造的 2P（10x5x5cm，600g）皮卫星，提供 IoT LoRa 连接，计划到 2024 年组成一个 80 颗卫星的星座，主要用于科学实验。

End

That's all.

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