基于NS-3的海上移動場景LoRa網絡性能研究

李凌翎， 朱謙， 任久春

(復旦大學 通信科學與工程系，上海 200433)

0 引言

物聯網中節點數量多、網絡規模大，需要考慮節點成本、電池壽命、數據速率、傳輸延遲、移動性等因素。傳統的物聯網通信技術有蜂窩通信、短距離無線通信技術(例如NFC、藍牙、ZigBee、WiFi)。蜂窩網絡能夠實現長距離通信，但難以滿足低功耗、低成本的要求[1]。而藍牙等技術功耗低、傳輸距離短，限制在了覆蓋范圍小的應用場景，例如房間、小型建筑內。通過多跳結構可以擴大覆蓋范圍，相應的代價就是部署成本的提高。近年來，物聯網的快速發展對通信技術提出了更高的要求，傳統的物聯網通信技術面臨著巨大的挑戰。

與此同時，一種新的接入技術LPWAN正逐漸興起，為物聯網的發展提供了新的解決方案。LPWAN技術是一種革命性的物聯網無線接入新技術，與Wi-Fi、藍牙、ZigBee等現有成熟商用的無線技術相比，具有遠距離、低功耗、低成本、覆蓋容量大等優點，適合于在長距離發送小數據量且使用電池供電方式的物聯網終端設備[2]。LPWAN技術傳輸距離遠，在城市可達到3-5km，郊區可達10km。它采用星型拓撲結構，一個網關直連多個節點，由于傳輸距離遠，不需要像傳感器網絡一樣采用多跳結構，從而降低了網絡的復雜度。LPWAN網絡節點數眾多，甚至可以達到上萬個節點的規模。在典型的物聯網應用場景下，大多數的LPWAN技術都支持使用兩節AA電池可供電設備工作10年的時間。節點的低成本也降低了網絡部署成本。

LPWAN技術主要分為兩類：一類是工作在免授權Sub-GHz ISM頻段的技術，如LoRa、Weightless、Sigfox等，在歐洲的工作頻段是863 MHz-870 MHz，美國是902 MHz-928 MHz，國內LoRa技術工作頻段在470 MHz-510 MHz。另一類是工作在授權頻段的技術。基于授權頻譜的低功耗廣域網絡技術是由業內知名的標準化組織3GPP推出的，有三種，即窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)、LTE增強機器通信(LTE enhanced Machine Type Communication，LTE-eMTC)和GSM覆蓋增強技術(Extended Coverage GSM，EC-GSM)[1]。其中，LoRa和NB-IoT無疑是最熱門的兩種技術。NB-IoT是基于蜂窩網絡的窄帶通信技術，帶寬只有180 kHz，主流頻段是800 MHz和900 MHz，可以直接部署在GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡上。NB-IoT技術建立在蜂窩網絡的基礎上，便于網絡的大規模擴展以及管理。LoRa技術源于美國Semtech公司的專利，基于擴頻技術實現遠距離傳輸。LoRa技術更適用于私有網絡，可靈活部署，適合企業級網絡和科研應用。

目前對LoRa技術的研究主要集中在陸地環境，如在高樓林立的城市或者郊區。本文旨在探究將LoRa技術應用于海上移動場景，例如海上帆船運動，使用LoRa技術作為通信手段設計海上監測系統，監測帆船運動狀態，用于帆船訓練。因此研究LoRa技術應用于海上移動環境下的通信性能就至關重要。

本文接下來介紹LoRa技術以及LoRaWAN協議，并使用NS-3網絡仿真平臺對該協議在海上性能進行仿真探究，為實際應用提供理論借鑒。

2 基本原理

1. LoRa技術

LoRa物理層調制技術采用CSS(chirp spread spectrum)線性擴頻調制技術，通過頻率隨時間線性變換的調頻信號來編碼信息[3]。正是因為chirp脈沖的線性，收發機之間的頻偏等效于時間偏差，解碼時可以輕松消除，這也有利于抵抗多普勒頻移。因為對發射機晶振要求降低了，從而降低了成本。

LoRa技術的重要參數之一是擴頻因子，擴頻取值為{7,8,9,10,11,12}，不同擴頻因子之間是正交的關系，不同擴頻因子的信號互不影響。擴頻因子越大，靈敏度越高，傳輸距離越遠，相應的代價就是數據速率的降低。Semtech公司的SX1301八通道網關芯片的擴頻因子和數據速率、接收靈敏度之間的關系如表1所示[4]：

表1 SX1301帶寬為125 kHz，擴頻因子和接收靈敏度之間的關系

除此之外，還有擴頻帶寬這一參數。擴頻因子和擴頻帶寬決定了傳輸速率和傳輸距離。因此，擴頻因子和擴頻帶寬的選擇可以根據使用場景和要求進行設定，從而達到延時和傳輸距離之間的權衡。

2. LoRaWAN協議

LoRaWAN協議是MAC層協議，是LoRa聯盟制定的一些通信協議和系統架構。雖然LoRa技術的物理層調制是專利技術，但是這個協議是公開的。

LoRaWAN協議規定了網絡中的三類設備：終端設備、網關和服務器。網絡采用星型結構，終端設備單跳連接到一個或多個網關，網關再通過IP接入到服務器。如圖1所示：

圖1 LoRaWAN網絡架構

三種設備的具體功能如下：

終端設備：終端設備通過LoRa無線接入到一個或多個LoRa網關。終端設備分為Class A、Class B、Class C三類[5]。Class A是LoRa的默認模式，所有的LoRa設備都必須支持。數據由終端設備發起，類似ALOHA協議隨機發起數據的非同步模式，在發送完上行數據之后開啟兩個接收窗口，等待來自服務器的下行數據或命令。第二個接收窗口會開啟在不同的頻段，來增加抗干擾性。Class B在Class A的基礎上，定時開啟一個接收窗口，因此需要一個同步機制。Class C除了發送過程以外，始終處于接收狀態。

網關：作為中繼器連接終端設備和服務器，是整個網絡的重要部分。負責接收終端設備數據包轉發給服務器和接收服務器命令或數據下發到終端設備。

服務器：服務器管理、控制整個網絡。包括速度自適應控制、發送查詢節點狀態命令、管理網絡安全等。

3. NS-3仿真平臺

NS-3是一種開源的離散事件網絡模擬器，支持Wi-Fi, LTE, IEEE802.15.4、IP網絡協議棧等。它廣泛汲取主流仿真器 NS2、YANS 和 GTNets 的技術經驗，用 C++語言實現，兼容時下流行的 Python。NS2部分模型已移植進NS3，使之在功能實現、版本更新、用戶體驗等方面都具有良好表現[6]。

NS-3的網絡模擬支持系統包括：Attribute系統、Logging系統和Tracing系統。由于廣泛汲取了其他網絡仿真工具的經驗和技術，NS-3的內核在可量測性、可擴展性、模塊化、支持仿真與現實融合等方面具有極大優勢。NS-3的網絡構件包括：節點(Node)、應用(Application)、協議棧(Protocol Stack)、網絡設備(Net Device)、信道(Channel)、拓撲生成器(Helper)等。NS-3通過低層次的抽象，使得仿真效果盡可能反映真實網絡的性能[7]。

4. NS-3中LoRaWAN模塊

因為NS-3中沒有現成的關于LoRa的模塊，因此為了實現仿真必須建立LoRaWAN的NS-3模塊。關于節點和網關的模塊設計[8]如圖2所示。

各層實現的功能如下。

App層：建立一個數據包發生器，該發生器按照一定的發包間隔周期性產生。對于每個節點而言，第一次發包選取[0,m_interval]的隨機時刻，而后遵循周期Tinterval。該數據包的負載大小固定，產生后傳送給mac層。

圖2 NS-3中LoRaWAN模塊架構

Mac層：該層主要實現LoRaWAN協議，包括把上層的數據加上MAC層協議幀格式后進行發送、當接收窗口需要開啟時將設備從睡眠狀態喚醒、選擇SF參數對應的邏輯信道等。

Phy層：該層主要模擬lora芯片的物理層，實現把MAC層數據封裝后發送到信道channel，根據接收功率、受到的干擾等判斷從信道channel接收到的數據包是否正確。

3 仿真實現及結果分析

1. 海上信道模型

目前，理論上計算海上移動通信的傳播損耗時，一般是按照自由空間傳播損耗計算。然而，這與實際情況不同。在實際海上通信過程中，傳播損耗不僅有信號的直接損耗，還要考慮到由于海面的反射產生的損耗。另外，在海上實際通信過程，還要考慮到船體對信號的影響，主要體現在船體對信號穿透產生的損耗。綜合以上各點，海上傳播損耗模型如式(1)：

Lpath=L0+L1+Lboat+α

(1)

其中，L0是自由空間傳播損耗，L1是由于海面反射產生的損耗，Lboat是船體穿透損耗，是修正系數。

自由空間傳播損耗如式(2)。

(2)

其中，λ是波長，d是收發天線之間的距離。

根據文獻[9]和[10]Lboat船體穿透損耗取10 dB，修正系數取5 dB。反射產生的損耗如式(3)。

(3)

反射損耗與天線高度(發射天線高度ht，接收天線高度hr)、波長λ、收發天線之間距離d相關。

在NS-3現有的傳播損耗模型有Friis傳播損耗模型、log-distance模型、OkumuraHaha模型等，并沒有適合海上移動通信的模型。因此需要根據上述公式在NS-3中建立傳播模型應用到仿真中。

2. 移動模型

NS-3中提供了節點移動模型，例如勻速運動(Constant Velocity Mobility Model)模型、加速度不變(Constant Acceleration Mobility Model)模型、高斯-馬爾科夫移動(Gauss-Markov Mobility Model)模型等。由于帆船在海上的運動軌跡隨著風向改變而發生相應改變，但會在一段時間內保持直線趨勢，和二維隨機漫步模型(Random Walk 2d Mobilit yModel)類似，因此用該模型來海上移動情況。節點隨機分布在以網關為中心，半徑為r的圓內，在該圓周內每個節點遵循上面的模型獨立移動。

3. 移動場景下的丟包率

仿真設置LoRa的工作頻率在433 MHz，功率為14dBm。發射天線高度為1.2 m，接收天線高度為5 m。分別仿真了兩組不同的活動范圍，節點隨機分布在半徑為3km和5km的圓內。在兩種情況下，節點都使用60s為周期進行數據包發送，仿真了節點數為[100,200,500,1000,2000]下的數據包投遞率(成功接收數據包數量與發送數據包數量的比值)。

為了提高網絡性能，需要在仿真開始前給每個節點配置合適的擴頻因子SF。如果節點是固定不動的情況，只需要根據節點和網關之間的距離計算路徑損耗和干擾，再結合接收機靈敏度，選取滿足要求的最小SF，以提高傳輸速率，降低空中延遲，減少碰撞。但是若節點是可移動的，假設SF是根據初始位置配置，隨著節點向遠距離移動的過程，就可能產生節點由于距離增加，路徑損耗增加使得接收功率低于該SF對應的接收機靈敏度，從而產生丟包。而這種情況其實是可以通過提高SF，提高接收機靈敏度來避免。因此，在仿真移動場景采用了兩種設置擴頻因子SF的方法：

(1)所有節點的SF相同且在移動中保持不變

根據活動范圍，確定滿足在活動邊界位置的節點能夠成功發送數據包到網關所需的最小SF，將活動范圍內的所有節點都配置為該SF參數。如此就能保證，即使節點活動到邊界，仍然能夠使得到達網關的數據包不低于接收機靈敏度。

(2)每個節點SF獨立且動態可變

每個節點在每次發送數據包前都根據此刻的位置計算滿足要求的最小SF。在整個仿真過程中，節點的SF是動態變化的。不同運動距離配置對應的SF如表2所示：

表2 SF動態可變的配置情況

仿真結果如圖3和圖4所示：

圖3 半徑3 km活動范圍的節點數與數據包投遞率關系

隨著節點數的增加，數據包投遞率逐漸下降，丟包率上升，這是因為節點數增加，網絡負載增加，由于沖突碰撞增多，成功接收的數據包數量就會下降。采用SF可變的情況下，性能較SF不變的情況有所提升，但是并不明顯，數據包投遞率只有1%的提高。這是因為在半徑3 km活動范圍內，SF主要使用SF=7的情況，兩者區別不大。

圖4 半徑5 km活動范圍節點數與數據包投遞率關系

在半徑5 km的活動范圍情況下，同樣證明了節點數增加對丟包率增大的影響。隨著活動范圍的增大，同樣是采用SF不變的情況，5 km范圍的數據丟包率相比3 km范圍的情況有很大的增加，這是因為在活動范圍大的情況下會采用較高的SF，增加空中傳輸時間，增大了數據包空中碰撞的概率。同時，隨著活動范圍的增加，采用可變SF相比不變SF的情況，性能提升更加明顯。節點數為100時，數據包投遞率增加了20%，節點數為500時，數據包投遞率提高了50%，到節點數增加到2 000時，采用SF不變的情況，數據包投遞率只有5%，此時丟包情況非常嚴重，可以認為無法正常通信。但是改用SF動態可變，數據投遞率能夠提升到54%。這是因為節點移動范圍增加之后，要采用更多種SF同時進行傳輸，不同SF之間是相互正交的，相當于增加了多個邏輯信道，從而減小碰撞，增加了網絡吞吐量。

4. 網絡容量

我們希望仿真出更接近實際應用場景的網絡容量，即在單個網關情況下，一共最多能夠支持多少個節點，保證丟包率在一定閾值。因此，我們應用海上傳播損耗模型，設置不同的數據包產生周期[60 s,600 s,1 200 s,1 800 s,3 600 s]下的情況。同時加入SF可變機制，來預估實際應用的網絡規模。

設置節點活動范圍在半徑為7 km的圓內，丟包率閾值為0.1，仿真估計網絡規模結果如表3所示。

表3 不同發包周期下單個網關所能連接在最多節點數(丟包率閾值0.1)

從表3中看出，頻繁的發包使得單個網關所能連接的節點數只能限制在幾百個。在實際的物聯網應用中，更多的是節點數量規模大、發包周期長的情景，例如智能電表，一天一次上傳數據，在這樣的較長數據包發送周期下，就能支持上千個節點連接。

4 總結

本文旨在研究LPWAN的熱點技術之一——LoRa技術在海上移動場景下的通信性能。通過NS-3仿真平臺的LoRaWAN模型，建立海上通信信道模型以及合適的節點移動模型，仿真LoRaWAN協議數據包投遞率和節點數、活動范圍之間的關系，還探究了在海上通信LoRaWAN協議和架構下所能夠支持的網絡節點規模。仿真結果表明在海上移動通信下采用擴頻因子動態可變即速率可變的方法可以有效地提高系統數據包投遞率，在3 km活動范圍數據包投遞率可以提升1%，在活動范圍大的情況，例如5 km范圍，性能提升更加顯著，節點數達到2000個的情況下可以提升54%。對于單網關網絡節點數規模的仿真結果表明和實際應用場景相關，在節點發送數據包較為不頻繁的情況(3600 s)，網絡規模還是可以達到4000個節點數。總的來說，LoRa技術應用在海上移動通信具有可行性和創新性。

在今后的工作中，會繼續研究擴頻因子動態可變的算法，本文中的算法只是一種簡單實現，還存在不足之處，例如沒有考慮節點遠離或者靠近網關兩種情況的區別。另外，計劃提出一種基于LoRa技術的自組織網絡協議，與LoRaWAN協議進行比較。