基于NS-3的海上移動場景LoRa網(wǎng)絡(luò)性能研究

李凌翎， 朱謙， 任久春

(復(fù)旦大學(xué) 通信科學(xué)與工程系，上海 200433)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點數(shù)量多、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，需要考慮節(jié)點成本、電池壽命、數(shù)據(jù)速率、傳輸延遲、移動性等因素。傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)有蜂窩通信、短距離無線通信技術(shù)(例如NFC、藍(lán)牙、ZigBee、WiFi)。蜂窩網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)長距離通信，但難以滿足低功耗、低成本的要求[1]。而藍(lán)牙等技術(shù)功耗低、傳輸距離短，限制在了覆蓋范圍小的應(yīng)用場景，例如房間、小型建筑內(nèi)。通過多跳結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)大覆蓋范圍，相應(yīng)的代價就是部署成本的提高。近年來，物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展對通信技術(shù)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

與此同時，一種新的接入技術(shù)LPWAN正逐漸興起，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了新的解決方案。LPWAN技術(shù)是一種革命性的物聯(lián)網(wǎng)無線接入新技術(shù)，與Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等現(xiàn)有成熟商用的無線技術(shù)相比，具有遠(yuǎn)距離、低功耗、低成本、覆蓋容量大等優(yōu)點，適合于在長距離發(fā)送小數(shù)據(jù)量且使用電池供電方式的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備[2]。LPWAN技術(shù)傳輸距離遠(yuǎn)，在城市可達(dá)到3-5km，郊區(qū)可達(dá)10km。它采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個網(wǎng)關(guān)直連多個節(jié)點，由于傳輸距離遠(yuǎn)，不需要像傳感器網(wǎng)絡(luò)一樣采用多跳結(jié)構(gòu)，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度。LPWAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)眾多，甚至可以達(dá)到上萬個節(jié)點的規(guī)模。在典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景下，大多數(shù)的LPWAN技術(shù)都支持使用兩節(jié)AA電池可供電設(shè)備工作10年的時間。節(jié)點的低成本也降低了網(wǎng)絡(luò)部署成本。

LPWAN技術(shù)主要分為兩類：一類是工作在免授權(quán)Sub-GHz ISM頻段的技術(shù)，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(nèi)LoRa技術(shù)工作頻段在470 MHz-510 MHz。另一類是工作在授權(quán)頻段的技術(shù)?；谑跈?quán)頻譜的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是由業(yè)內(nèi)知名的標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP推出的，有三種，即窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)、LTE增強機(jī)器通信(LTE enhanced Machine Type Communication，LTE-eMTC)和GSM覆蓋增強技術(shù)(Extended Coverage GSM，EC-GSM)[1]。其中，LoRa和NB-IoT無疑是最熱門的兩種技術(shù)。NB-IoT是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶通信技術(shù)，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(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)上。NB-IoT技術(shù)建立在蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，便于網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模擴(kuò)展以及管理。LoRa技術(shù)源于美國Semtech公司的專利，基于擴(kuò)頻技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。LoRa技術(shù)更適用于私有網(wǎng)絡(luò)，可靈活部署，適合企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)和科研應(yīng)用。

目前對LoRa技術(shù)的研究主要集中在陸地環(huán)境，如在高樓林立的城市或者郊區(qū)。本文旨在探究將LoRa技術(shù)應(yīng)用于海上移動場景，例如海上帆船運動，使用LoRa技術(shù)作為通信手段設(shè)計海上監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測帆船運動狀態(tài)，用于帆船訓(xùn)練。因此研究LoRa技術(shù)應(yīng)用于海上移動環(huán)境下的通信性能就至關(guān)重要。

本文接下來介紹LoRa技術(shù)以及LoRaWAN協(xié)議，并使用NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真平臺對該協(xié)議在海上性能進(jìn)行仿真探究，為實際應(yīng)用提供理論借鑒。

2 基本原理

1. LoRa技術(shù)

LoRa物理層調(diào)制技術(shù)采用CSS(chirp spread spectrum)線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，通過頻率隨時間線性變換的調(diào)頻信號來編碼信息[3]。正是因為chirp脈沖的線性，收發(fā)機(jī)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(fā)射機(jī)晶振要求降低了，從而降低了成本。

LoRa技術(shù)的重要參數(shù)之一是擴(kuò)頻因子，擴(kuò)頻取值為{7,8,9,10,11,12}，不同擴(kuò)頻因子之間是正交的關(guān)系，不同擴(kuò)頻因子的信號互不影響。擴(kuò)頻因子越大，靈敏度越高，傳輸距離越遠(yuǎn)，相應(yīng)的代價就是數(shù)據(jù)速率的降低。Semtech公司的SX1301八通道網(wǎng)關(guān)芯片的擴(kuò)頻因子和數(shù)據(jù)速率、接收靈敏度之間的關(guān)系如表1所示[4]：

表1 SX1301帶寬為125 kHz，擴(kuò)頻因子和接收靈敏度之間的關(guān)系

除此之外，還有擴(kuò)頻帶寬這一參數(shù)。擴(kuò)頻因子和擴(kuò)頻帶寬決定了傳輸速率和傳輸距離。因此，擴(kuò)頻因子和擴(kuò)頻帶寬的選擇可以根據(jù)使用場景和要求進(jìn)行設(shè)定，從而達(dá)到延時和傳輸距離之間的權(quán)衡。

2. LoRaWAN協(xié)議

LoRaWAN協(xié)議是MAC層協(xié)議，是LoRa聯(lián)盟制定的一些通信協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)。雖然LoRa技術(shù)的物理層調(diào)制是專利技術(shù)，但是這個協(xié)議是公開的。

LoRaWAN協(xié)議規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)中的三類設(shè)備：終端設(shè)備、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，終端設(shè)備單跳連接到一個或多個網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再通過IP接入到服務(wù)器。如圖1所示：

圖1 LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

三種設(shè)備的具體功能如下：

終端設(shè)備：終端設(shè)備通過LoRa無線接入到一個或多個LoRa網(wǎng)關(guān)。終端設(shè)備分為Class A、Class B、Class C三類[5]。Class A是LoRa的默認(rèn)模式，所有的LoRa設(shè)備都必須支持。數(shù)據(jù)由終端設(shè)備發(fā)起，類似ALOHA協(xié)議隨機(jī)發(fā)起數(shù)據(jù)的非同步模式，在發(fā)送完上行數(shù)據(jù)之后開啟兩個接收窗口，等待來自服務(wù)器的下行數(shù)據(jù)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(chǔ)上，定時開啟一個接收窗口，因此需要一個同步機(jī)制。Class C除了發(fā)送過程以外，始終處于接收狀態(tài)。

網(wǎng)關(guān)：作為中繼器連接終端設(shè)備和服務(wù)器，是整個網(wǎng)絡(luò)的重要部分。負(fù)責(zé)接收終端設(shè)備數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器和接收服務(wù)器命令或數(shù)據(jù)下發(fā)到終端設(shè)備。

服務(wù)器：服務(wù)器管理、控制整個網(wǎng)絡(luò)。包括速度自適應(yīng)控制、發(fā)送查詢節(jié)點狀態(tài)命令、管理網(wǎng)絡(luò)安全等。

3. NS-3仿真平臺

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

NS-3的網(wǎng)絡(luò)模擬支持系統(tǒng)包括：Attribute系統(tǒng)、Logging系統(tǒng)和Tracing系統(tǒng)。由于廣泛汲取了其他網(wǎng)絡(luò)仿真工具的經(jīng)驗和技術(shù)，NS-3的內(nèi)核在可量測性、可擴(kuò)展性、模塊化、支持仿真與現(xiàn)實融合等方面具有極大優(yōu)勢。NS-3的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件包括：節(jié)點(Node)、應(yīng)用(Application)、協(xié)議棧(Protocol Stack)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(Net Device)、信道(Channel)、拓?fù)渖善?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(wǎng)絡(luò)的性能[7]。

4. NS-3中LoRaWAN模塊

因為NS-3中沒有現(xiàn)成的關(guān)于LoRa的模塊，因此為了實現(xiàn)仿真必須建立LoRaWAN的NS-3模塊。關(guān)于節(jié)點和網(wǎng)關(guān)的模塊設(shè)計[8]如圖2所示。

各層實現(xiàn)的功能如下。

App層：建立一個數(shù)據(jù)包發(fā)生器，該發(fā)生器按照一定的發(fā)包間隔周期性產(chǎn)生。對于每個節(jié)點而言，第一次發(fā)包選取[0,m_interval]的隨機(jī)時刻，而后遵循周期Tinterval。該數(shù)據(jù)包的負(fù)載大小固定，產(chǎn)生后傳送給mac層。

圖2 NS-3中LoRaWAN模塊架構(gòu)

Mac層：該層主要實現(xiàn)LoRaWAN協(xié)議，包括把上層的數(shù)據(jù)加上MAC層協(xié)議幀格式后進(jìn)行發(fā)送、當(dāng)接收窗口需要開啟時將設(shè)備從睡眠狀態(tài)喚醒、選擇SF參數(shù)對應(yīng)的邏輯信道等。

Phy層：該層主要模擬lora芯片的物理層，實現(xiàn)把MAC層數(shù)據(jù)封裝后發(fā)送到信道channel，根據(jù)接收功率、受到的干擾等判斷從信道channel接收到的數(shù)據(jù)包是否正確。

3 仿真實現(xiàn)及結(jié)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(chǎn)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(xiàn)在船體對信號穿透產(chǎn)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(chǎn)生的損耗，Lboat是船體穿透損耗，是修正系數(shù)。

自由空間傳播損耗如式(2)。

(2)

其中，λ是波長，d是收發(fā)天線之間的距離。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]和[10]Lboat船體穿透損耗取10 dB，修正系數(shù)取5 dB。反射產(chǎn)生的損耗如式(3)。

(3)

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

在NS-3現(xiàn)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(jù)上述公式在NS-3中建立傳播模型應(yīng)用到仿真中。

2. 移動模型

NS-3中提供了節(jié)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(fēng)向改變而發(fā)生相應(yīng)改變，但會在一段時間內(nèi)保持直線趨勢，和二維隨機(jī)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(jié)點隨機(jī)分布在以網(wǎng)關(guān)為中心，半徑為r的圓內(nèi)，在該圓周內(nèi)每個節(jié)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(shè)置LoRa的工作頻率在433 MHz，功率為14dBm。發(fā)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(jié)點隨機(jī)分布在半徑為3km和5km的圓內(nèi)。在兩種情況下，節(jié)點都使用60s為周期進(jìn)行數(shù)據(jù)包發(fā)送，仿真了節(jié)點數(shù)為[100,200,500,1000,2000]下的數(shù)據(jù)包投遞率(成功接收數(shù)據(jù)包數(shù)量與發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量的比值)。

為了提高網(wǎng)絡(luò)性能，需要在仿真開始前給每個節(jié)點配置合適的擴(kuò)頻因子SF。如果節(jié)點是固定不動的情況，只需要根據(jù)節(jié)點和網(wǎng)關(guān)之間的距離計算路徑損耗和干擾，再結(jié)合接收機(jī)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(jié)點是可移動的，假設(shè)SF是根據(jù)初始位置配置，隨著節(jié)點向遠(yuǎn)距離移動的過程，就可能產(chǎn)生節(jié)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(yīng)的接收機(jī)靈敏度，從而產(chǎn)生丟包。而這種情況其實是可以通過提高SF，提高接收機(jī)靈敏度來避免。因此，在仿真移動場景采用了兩種設(shè)置擴(kuò)頻因子SF的方法：

(1)所有節(jié)點的SF相同且在移動中保持不變

根據(jù)活動范圍，確定滿足在活動邊界位置的節(jié)點能夠成功發(fā)送數(shù)據(jù)包到網(wǎng)關(guān)所需的最小SF，將活動范圍內(nèi)的所有節(jié)點都配置為該SF參數(shù)。如此就能保證，即使節(jié)點活動到邊界，仍然能夠使得到達(dá)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)包不低于接收機(jī)靈敏度。

(2)每個節(jié)點SF獨立且動態(tài)可變

每個節(jié)點在每次發(fā)送數(shù)據(jù)包前都根據(jù)此刻的位置計算滿足要求的最小SF。在整個仿真過程中，節(jié)點的SF是動態(tài)變化的。不同運動距離配置對應(yīng)的SF如表2所示：

表2 SF動態(tài)可變的配置情況

仿真結(jié)果如圖3和圖4所示：

圖3 半徑3 km活動范圍的節(jié)點數(shù)與數(shù)據(jù)包投遞率關(guān)系

隨著節(jié)點數(shù)的增加，數(shù)據(jù)包投遞率逐漸下降，丟包率上升，這是因為節(jié)點數(shù)增加，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加，由于沖突碰撞增多，成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)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(shù)據(jù)包投遞率只有1%的提高。這是因為在半徑3 km活動范圍內(nèi)，SF主要使用SF=7的情況，兩者區(qū)別不大。

圖4 半徑5 km活動范圍節(jié)點數(shù)與數(shù)據(jù)包投遞率關(guān)系

在半徑5 km的活動范圍情況下，同樣證明了節(jié)點數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jié)點數(shù)為100時，數(shù)據(jù)包投遞率增加了20%，節(jié)點數(shù)為500時，數(shù)據(jù)包投遞率提高了50%，到節(jié)點數(shù)增加到2 000時，采用SF不變的情況，數(shù)據(jù)包投遞率只有5%，此時丟包情況非常嚴(yán)重，可以認(rèn)為無法正常通信。但是改用SF動態(tài)可變，數(shù)據(jù)投遞率能夠提升到54%。這是因為節(jié)點移動范圍增加之后，要采用更多種SF同時進(jìn)行傳輸，不同SF之間是相互正交的，相當(dāng)于增加了多個邏輯信道，從而減小碰撞，增加了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

4. 網(wǎng)絡(luò)容量

我們希望仿真出更接近實際應(yīng)用場景的網(wǎng)絡(luò)容量，即在單個網(wǎng)關(guān)情況下，一共最多能夠支持多少個節(jié)點，保證丟包率在一定閾值。因此，我們應(yīng)用海上傳播損耗模型，設(shè)置不同的數(shù)據(jù)包產(chǎn)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(jī)制，來預(yù)估實際應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。

設(shè)置節(jié)點活動范圍在半徑為7 km的圓內(nèi)，丟包率閾值為0.1，仿真估計網(wǎng)絡(luò)規(guī)模結(jié)果如表3所示。

表3 不同發(fā)包周期下單個網(wǎng)關(guān)所能連接在最多節(jié)點數(shù)(丟包率閾值0.1)

從表3中看出，頻繁的發(fā)包使得單個網(wǎng)關(guān)所能連接的節(jié)點數(shù)只能限制在幾百個。在實際的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，更多的是節(jié)點數(shù)量規(guī)模大、發(fā)包周期長的情景，例如智能電表，一天一次上傳數(shù)據(jù)，在這樣的較長數(shù)據(jù)包發(fā)送周期下，就能支持上千個節(jié)點連接。

4 總結(jié)

本文旨在研究LPWAN的熱點技術(shù)之一——LoRa技術(shù)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(jié)點移動模型，仿真LoRaWAN協(xié)議數(shù)據(jù)包投遞率和節(jié)點數(shù)、活動范圍之間的關(guān)系，還探究了在海上通信LoRaWAN協(xié)議和架構(gòu)下所能夠支持的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點規(guī)模。仿真結(jié)果表明在海上移動通信下采用擴(kuò)頻因子動態(tài)可變即速率可變的方法可以有效地提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)包投遞率，在3 km活動范圍數(shù)據(jù)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(jié)點數(shù)達(dá)到2000個的情況下可以提升54%。對于單網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)規(guī)模的仿真結(jié)果表明和實際應(yīng)用場景相關(guān)，在節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包較為不頻繁的情況(3600 s)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模還是可以達(dá)到4000個節(jié)點數(shù)?？偟膩碚f，LoRa技術(shù)應(yīng)用在海上移動通信具有可行性和創(chuàng)新性。

在今后的工作中，會繼續(xù)研究擴(kuò)頻因子動態(tài)可變的算法，本文中的算法只是一種簡單實現(xiàn)，還存在不足之處，例如沒有考慮節(jié)點遠(yuǎn)離或者靠近網(wǎng)關(guān)兩種情況的區(qū)別。另外，計劃提出一種基于LoRa技術(shù)的自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，與LoRaWAN協(xié)議進(jìn)行比較。