LoRaWAN协议在基于低地球轨道的大规模机器类通信架构中的无缝集成

论文信息

1. 中英文标题
   • 英文标题：Seamless Integration of the LoRaWAN Protocol in a LEO-Based mMTC Architecture
   • 中文标题：LoRaWAN协议在基于低地球轨道的大规模机器类通信架构中的无缝集成
2. 作者信息
   • Andrea Novero（第一作者兼通讯作者）、Filippo Campagnaro、Lorenzo Vangelista、Michele Zorzi来自意大利帕多瓦大学；Riccardo Tumiati、Lorenzo Vangelista、Michele Zorzi同时就职于意大利Wireless and More srl公司。
3. 出处
   • 该论文已被《IEEE Communications Magazine》录用，将于未来期刊发表，DOI: 10.1109/MCOM.001.2400303 。

文档总结

1. 研究背景与目标

   • 第六代无线通信标准面临提升通信性能、实现新目标的挑战，包括网络致密化、城市地区的稳健宽带连接，以及向受地理、功耗等因素限制的设备扩展网络。本文旨在将LoRaWAN协议集成到低地球轨道（LEO）的非地面网络（NTN）架构中，提出低成本、高效的物联网NTN架构解决方案。
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2. 相关工作与现有架构概述

   • 6G通信技术促使多层网络架构的部署和研究，结合地面与非地面设施（如无人机、高空平台、卫星）。已有研究展示了多层非地面物联网网络的潜力，但存在连接密度和性能差异等情况。LoRaWAN是满足物联网mMTC和M2M应用需求的协议，采用LoRa调制，在免许可频段工作，其网络拓扑通常为星型结构，网关在终端设备和网络服务器（NS）间中继传输。

3. NTN LPWAN - LEO架构设计

   • 提出2层网络架构，包含低功耗物联网设备和低成本LEO卫星，依赖稳健的低功耗广域网（LPWAN）调制（假设采用长距离跳频扩频（LRFHSS））。LEO卫星运行在500 - 2000km高度，如铱星星座。该架构虽有高延迟和低数据率缺点，但满足低功耗物联网网络的低成本、普遍性和能效目标。
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4. LoRaWAN NTN适配问题与解决方案

   • LoRaWAN - NTN架构面临下行链路实用性、多普勒效应和基站能力等挑战。本文考虑LEO卫星以存储转发模式工作，收集数据后下载至地面站（GS），采用类似已有研究的系统配置处理多普勒效应，网络架构设计为仅上行链路场景，通过虚拟基站（VBS）连接NTN和LoRaWAN NS，保持与LoRaWAN的兼容性。

5. LoRaWAN - LEO后端实现与组件功能

   • GS：接收卫星数据，依赖高频段高数据率通信，将数据转发至VBS，提供TLS加密。
   • VBS：软件模块，接收GS数据包并与NS通信，使非地面消息路径对NS透明，通过虚拟基站实现，需进行去除下行链路操作可能性和修改无线抽象层（RAL）等调整。
   • NS：VBS将帧转发至NS，实现多种服务，增强全球LoRaWAN物联网连接。

6. 后端架构实现与可扩展性考量

   • 后端架构中GS通过TCP连接将数据转发给VBS，VBS分割架构两侧并与NS接口。由于缺乏下行链路通信，需在NS设置自动帧计数器（FC）重置选项，应用层需进行重复帧检查（本文未涉及应用服务器实现）。为使后端架构适用于商业环境，重点关注可用性和管理重负载，采用Kubernetes管理容器生命周期，对不可复制的Mosquitto MQTT代理进行性能分析。

7. 测试结果与结论

   • VBS测试：在仅上行链路通信模型下，使用LRFHSS调制，VBS接收GS数据包并转发至NS，测试评估其可行性和计算能力，结果表明在一定传输间隔下，VBS的数据包交付率（PDR）约为100%，通过优化和并行架构可提升性能。
   • Mosquitto测试：对单个Mosquitto MQTT代理进行性能分析，处理时间随工作量线性增长，提高服务质量（QoS）级别会增加平均时间，创建两个桥接器（BR）副本可改善代理性能，未来可能需采用其他可扩展代理解决方案。
   • 结论：本文提出的创新NTN - IoT架构和后端结构，通过VBS模块实现与LoRaWAN架构的无缝集成，解决了NTN - IoT的关键挑战，如增加往返时间（RTT）和大覆盖区域问题，保持网络复杂性低，有助于控制成本和简化实施。未来工作将聚焦双向通信策略研究及解决潜在瓶颈。