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直接连接卫星通信。

我的想法和大多数人相似。第一反应是LoRa传的真TM远，少说也有500km，简直疯狂。

四年前介绍了小能手写文章 第一个从太空发回的LoRa信号，Lacuna Space 采用SDR通过租用低轨卫星方法LoRa直接连接卫星通信的可能性。

这几年有几个团队也验证过，只是验证过。这一次，商业终于落地了。

卫星物联网可能会进入一个新的阶段。

现在说卫星物联网的规模应用可能很早，但应该会出现一些有趣的应用。

这篇文章IoT小专家将梳理前期两家卫星方案提供商的进展情况LoRa对卫星物联网通信系统及关键技术点进行一些延伸解读。

LoRa逐步开展卫星通信服务

据前期消息，已有两家卫星通信解决方案提供商参与，包括 EchoStar 和 Lacuna。

初创公司 Lacuna 的低轨 LoRa 卫星星座

Lacuna 一直活跃，小专家在 LoRa 联盟以及 TTN 他们经常出现在会议上。

截至22年5月，Lacuna 已发射约7颗LoRa卫星不仅服务于欧洲、非洲，还服务于东南亚和拉丁美洲的赤道轨道。

还提供了相应的终端开发套件，尺寸小于手掌。一次充电可通过卫星连接多年，为客户提供经济简化的通信。

卫星物联网已经有一些应用。

Lacuna 印尼泥炭地水文监测采用客户生产的环境监测传感器。

下图是南极帝企鹅监控传感器，早期与合作伙伴合作。

还有一些更有趣的应用程序，它们是与乐高教育合作的漫游车，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 卫星老牌卫星通信运营商。

相比于 Lacuna 初创团队，EchoStar 实力要强得多。目前，其中一个已经改造 2017 年升空的高轨卫星 EchoStar XXI，也就是上图 EchoStar 21 卫星。

EchoStar Mobile 通过其 EchoStar XXI 卫星在欧洲提供连接服务。物联网传感器将数据发送到 EchoStar Mobile LoRa 模块。然后，该模块使用许可证 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 强大的功能 GEO 卫星，天线长 18 米。采用先进的波束成形技术，可在重点地理区域提供优质服务。卫星工作 S 波段、上下链路容量为 100 Mbit/s。

LoRa卫星通信 解读关键技术点

1 卫星覆盖

可以看到 EchoStar 和 Lacuna 虽然都提供 LoRa 卫星网络覆盖，但采用了完全不同的技术路线。

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

• 近地轨道卫星（LEO）该技术的优点是可以提供全球无缝无线信号覆盖。近地轨道上的卫星高速（每次） 70 到 100 在较低的轨道(500 至 1120 km）上，地面覆盖范围在 2000 到 3000 在公里之间，需要更多的卫星来维持信号覆盖。

• 地球同步轨道卫星（GSO）该系统只需要三到四颗卫星来维持几乎全天候的全球信号覆盖率，从而降低发射卫星的成本。但这种卫星通常很重（大约 5 因此，单颗卫星的建造和发射成本较高。

EchoStar 目前，整个欧洲是用一颗卫星覆盖的，但根据以往卫星电话的使用经验，可能会受到遮挡的影响，需要尽量在高处使用。

Lacuna 虽然低轨道卫星的单星覆盖范围很小，但它计划使用更多的卫星来提供更灵活的覆盖，并希望在2025年之前实现240个物联网星座。

2 通信时延

典型的LoRa卫星通信系统如下图所示。常规应用在右边，常规应用在左边。LoRaWAN应用卫星扩展。

LoRaWAN偏远地区的设备可地区LoRaWAN卫星网关发送消息后，卫星将消息中继转发给地面站，地面站完成后续传输。

因此，通信延迟主要取决于从终端上行消息到地面站接收下行消息的时差。

由于地球同步轨道上的卫星位置相对固定，地面站一般部署在服务区，因此通信延迟较短。

近地轨道卫星取决于地面站的部署密度，LEO绕地球高速移动。Laucna 的LoRa卫星绕地球大约需要100分钟。如果现阶段地面站稀疏，收到数据可能需要几分钟到几十分钟。

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 与现有相比，通信 LoRa 通信、网络容量大大提高。

2020 年，LoRa 联盟引入了新的区域参数来支持LoRa跳频扩频 (LR-FHSS) 参数。正是因为这种技术，才让LoRa商用卫星成为可能。

为什么 LR-FHSS 对于LoRa卫星物联网如此重要？

在 FHSS 在中间，发射器在带宽中可用的窄带频率之间以随机序列跳跃。具体来说，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，接收器被调度到接收脉冲数据的频率，并根据序列调度到下一个频率。

在 LR-FHSS 在中间，只要发送的数据通过信道带宽的频率发送，就可以在接收端解调而不知道序列。

如图所示，150KHz在带宽中，传统的灰色底纹LoRa传输占据了整个信道带宽，导致在此期间发送的其他数据包发生冲突，使用黑线和蓝线LR-FHSS设备采用随机序列跳频成功发送。

在实际操作过程中，LR-FHSS将终端节点发送的每个数据包分解成小块(每个块) 50 毫秒长)，定义频率带宽(包括 137kHz、336kHz 和 1.523MHz，随机扩散取决于区域)。

可以说，LR-FHSS 显着增加了 LoRaWAN 网络容量使通信更加可靠。

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

一旦应用于卫星通信，LR-FHSS 它的意义得到了体现。一旦设备的射频能覆盖这么远的距离，干扰是不可避免的，只能上 LR-FHSS。

已有的LoRa常规卫星应用中，下行仍在使用LoRa通信，上行改用 LR-FHSS。

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

4 终端功耗

下图是 Lacuna 电池供电提供的开发套件。

即使是植物产生的微小电量也能完成太空的数据传输。 Plant-e 对于植物能量收集设备，它利用活植物产生的电力将空气湿度、土壤湿度、温度、电池电压和电极电位相关 LoRaWAN 直接传输信息 Lacuna 的卫星。

由于 EchoStar 使用高轨卫星可能需要更高的终端发射功率。

能在中国体验吗？

最后，我想谈谈如何体验。

今年初 Semtech 与腾讯云合作，LoRa Edge 地理定位服务现在可以通过腾讯云物联网开发平台为客户提供服务。但这项服务主要是 LoRaEdge 的 GNSS 位置导航信息云分析。

卫星应用程序最大的不确定性可能仍然是操作风险。事实上，不仅在中国，而且在频率协调、地面设备建设和着陆运行方面也存在更多的不确定性。只要卫星信号想要在一个国家着陆，就需要向当地申报和完成频率协调。

近年来，我看到了外星链计划，One Web星座发展如火如荼，航天科技、航天科技、中国电子科技等国内部门和企业也在积极布局低轨道卫星星座。然而，每个人的卫星建设实施率都很低，有点重复投资和内部消耗。2021年4月，国家卫星网络通信集团成立，领导协调规划国内资源投资，整合推动整个卫星产业链。

短期内估计要尝试其他选项，而不是LR1120的S-Band，但不需要授权ISM频段，可以做一些测试验证。

小专家了解到，几颗试验卫星将通过太平洋覆盖我们的东部区域。 FossaSat-2E6 就是其中一颗，同一条轨道上有几颗卫星，有时间可以玩。

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 主要用于科学实验的卫星星座。

End

That's all.

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