近地衛(wèi)星是如今的大熱門，據(jù)ResearchAndMarkets的一份報告，低軌衛(wèi)星市場預(yù)計將從2021年的96億美元增長到2026年的198億美元，2021-2026年期間復(fù)合增長率為15.5%。

4月20日，美國國家航空航天局(NASA)授予6家美國衛(wèi)星通信(SATCOM)供應(yīng)商合同，它們將共同開發(fā)和驗證下一代近地空間通信服務(wù)，為未來的機構(gòu)任務(wù)提供支持。該機構(gòu)的“通信服務(wù)項目”(CSP)資助合同協(xié)議的總價值為2.785億美元，其中SpaceX獲得了獲得的資金額度最高，該公司目前在近地衛(wèi)星軌道上運行著很多顆衛(wèi)星。

中國國內(nèi)也有很多機構(gòu)發(fā)射了大量的低軌近地衛(wèi)星，這促使近地衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)形成了良好部署。隨著新技術(shù)的發(fā)展和更多的衛(wèi)星部署上線，衛(wèi)星數(shù)據(jù)的數(shù)量和應(yīng)用范圍在未來將繼續(xù)增長，從而應(yīng)用到更多場景中，特別是各類定位應(yīng)用。

2020年，Semtech曾發(fā)布第一款面向地理定位應(yīng)用的LoRa Edge LR1110芯片。不少用戶在使用后反饋，希望增加近地衛(wèi)星通信、以及支持2.4GHz全球頻段的需求。

據(jù)估計，地面網(wǎng)絡(luò)連接僅覆蓋了全球約10%的地表面積，世界上仍有許多地方?jīng)]有運營商網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋，也無法建立基站，例如海洋、沙漠。而衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)通過在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與衛(wèi)星之間實現(xiàn)直接通信，有助于填補上述連接空白。

在日前Semtech的線上媒體溝通會上，Semtech中國區(qū)銷售副總裁黃旭東表示，在全新的 LoRa Edge LR1120芯片組中已實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的直接衛(wèi)星通信，“LoRa Edge設(shè)備到云端的地理定位平臺中增加2.4GHz和用于衛(wèi)星通信的授權(quán)S頻段，支持地面和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，同時具備LoRa技術(shù)超低功耗的特點，能夠幫助供應(yīng)鏈管理和物流行業(yè)在全球范圍內(nèi)部署互聯(lián)互通、低功耗的地理定位設(shè)備?！?/span>

LoRa Edge LR1120的主要特點：

• LoRa 多頻段收發(fā)通信功能(sub-GHz、2.4GHz 和用于衛(wèi)星通信的授權(quán)S頻段)，以及多種地理定位技術(shù)融合(如室外使用GNSS，在室內(nèi)及衛(wèi)星信號弱的區(qū)域使用Wi-Fi)

• LoRa Cloud 地理定位計算由設(shè)備端轉(zhuǎn)移至云端解析，電池僅需一次部署就可以擁有長達數(shù)年的壽命

• 支持GPS 和北斗等全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

• 硬件加密引擎，增強安全性

Semtech中國區(qū)LoRa市場戰(zhàn)略總監(jiān)甘泉介紹了LR1120與LR1110的主要不同點，升級主要體現(xiàn)在收發(fā)通信技術(shù)上，LR1120增加了衛(wèi)星通信S頻段和2.4GHz LoRa兩個頻段。

2.4GHz頻段支持LoRa調(diào)制和FSK調(diào)制，衛(wèi)星通信S頻段則覆蓋從1.9 GHz到2.2 GHz的頻率。此外，LR1120還保留了常見的 Sub-GHz LoRa頻段，以及GNSS掃描以及Wi-Fi掃描這兩個全球功耗最低的定位技術(shù)。

為什么Sub-GHz還不夠，要加上2.4GHz和衛(wèi)星頻段?因為全球級的應(yīng)用需要完全的互操作性。

首先Sub-GHz的頻段在全球各個區(qū)域的頻率和頻點規(guī)范不同，只能在一個國家或特定區(qū)域內(nèi)工作，一旦到其他區(qū)域，就需要對頻率進行調(diào)整，即其無法在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)全覆蓋部署，具體應(yīng)用時較為復(fù)雜。而2.4GHz的LoRa在全球的頻段完全一樣，在部署全球各個領(lǐng)域的應(yīng)用時更為便捷。

同時，衛(wèi)星頻段也可以全球通用，設(shè)備在全球任何一個被衛(wèi)星覆蓋的地方，都可以與衛(wèi)星進行通信。尤其是在沙漠、海洋和高空等沒有網(wǎng)關(guān)和基站的區(qū)域中，如果想實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)無縫覆蓋，就只能使用衛(wèi)星通信技術(shù)。

對于具體每個頻段的應(yīng)用場景，主要看每種通信技術(shù)的工作主頻率。頻率越高，波長就越短，繞射能力或者遠距離傳輸能力就會越弱。

甘泉表示，當前衛(wèi)星技術(shù)頻段包括衛(wèi)星通信S頻段和Sub-GHz ISM頻段?！?.9-2.2GHz是專用的衛(wèi)星頻段，在LR1120芯片發(fā)布之前，LoRa在近地衛(wèi)星的應(yīng)用只能采用Sub-GHz的ISM頻段，雖然傳得更遠、覆蓋更大、具備'全球無死角’ 的能力，但缺點是現(xiàn)在的衛(wèi)星覆蓋不夠多，且實時性較差。因此，Sub-GHz頻段只適合在某個LoRa Sub-GHz已實現(xiàn)高覆蓋率的區(qū)域。”

但如果需要對在不同國家航行的海運設(shè)備進行實時追蹤，則在全球頻段完全一樣的2.4GHz的頻率更適合進行追蹤和通信。此外，2.4GHz的主頻比Sub-GHz高，有效帶寬也較高，還可以支持傳輸相對高數(shù)據(jù)速率的場景。

“在實際應(yīng)用場景中，如果我們要實現(xiàn)實時響應(yīng)、快速傳感以及快速控制，建議使用2.4GHz的 LoRa。而如果我們要做一個遠距離且少量數(shù)據(jù)的傳感，就建議用Sub-GHz的LoRa來做傳輸?！备嗜f道，例如目前部分智慧工廠會選擇同時使用兩種LoRa頻段。對于工廠內(nèi)大范圍覆蓋的傳感器，如溫感、濕度控制等，可以選擇Sub-GHz來進行傳輸;而對于機器自動化生產(chǎn)等需要快速控制和感應(yīng)的場景，比較適合用2.4 GHz的LoRa來進行傳輸;同時，LR1120芯片內(nèi)的Wi-Fi和GNSS定位也可實現(xiàn)一些傳輸。

三種頻段的通信技術(shù)有機組合后，可以有效覆蓋制造、分銷、航運/海運、海關(guān)、入庫、陸地運輸和抵達客戶等各個環(huán)節(jié)，并且實現(xiàn)高效率、低功耗和低成本。同時，因為整套的網(wǎng)絡(luò)都通過同一個芯片支持，實現(xiàn)所有的功能不會增加成本。

據(jù)介紹，LoRa通信最常用到的近地衛(wèi)星距離大約為200-1500千米，LoRa可在這一范圍內(nèi)進行長距離傳輸。在實際的場景中，LoRa終端上傳到衛(wèi)星的過程并不需要特別大的天線和功率。只要將傳統(tǒng)的LoRa傳感器放置在露天場景中，就可以跟近地衛(wèi)星進行通訊。如果使用S頻段，則可以有更好的頻段資源，受到的干擾更小，傳輸?shù)男Ч矔谩?/span>

甘泉介紹道，在LoRa芯片支持S頻段之前， LoRa在國內(nèi)外已經(jīng)被部署在了很多近地衛(wèi)星通信的場景中，但是現(xiàn)階段這種方式存在一定的局限性：“首先，LoRa設(shè)備只有等到近地衛(wèi)星在其上方通過時才能上傳數(shù)據(jù)，如果近地衛(wèi)星的數(shù)量不夠多則無法持續(xù)上傳;其次，如果使用的是 ISM頻段，衛(wèi)星會受到很多干擾。S頻段的使用則可以有效解決ISM頻段干擾的問題，更多高質(zhì)量的解決方案也應(yīng)運而生?！?/span>

那么數(shù)據(jù)從設(shè)備轉(zhuǎn)移到云端解析，會影響定位的速度嗎?

對此甘泉表示，實現(xiàn)定位功能，并不是追蹤器“知道自己在哪”，而是后臺的管理者通過云平臺和服務(wù)器，獲取追蹤器的具體位置。傳統(tǒng)的GNSS定位是在本地計算了之后，把位置信息“告訴”管理者，傳輸?shù)皆贫?。而LoRa Edge則是把衛(wèi)星數(shù)據(jù)先傳輸?shù)皆破脚_，在云端計算后，將結(jié)果傳到管理者的云平臺。兩種方式所需要花費的時間理論上是一樣的。

而傳統(tǒng)GPS定位芯片需要30秒左右的冷啟動時間，啟動后才能夠計算出所處的位置;LoRa Edge在實現(xiàn)冷啟動定位功能時不需要這30秒，只需要進行掃描，將衛(wèi)星數(shù)據(jù)回傳到云端，兩三秒內(nèi)就可以完成計算?！耙虼藦倪@個角度來說，LoRa Edge實現(xiàn)定位功能的延遲更少，速度會更快?！?/span>

從芯片組成來看，LR1110包括保證芯片安全的加密引擎;Sub-GHz頻段的LoRa收發(fā)器(如常用的SX1276和SX1262芯片);Wi-Fi無源掃描接口;全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)掃描接口等。其中，衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)會通過各種協(xié)議發(fā)送到LoRa Cloud，在云端被解析成為定位數(shù)據(jù)。

甘泉表示，同樣用芯片做成接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的模組或產(chǎn)品，收到衛(wèi)星或Wi-Fi數(shù)據(jù)后，LR1110傳輸?shù)胶笈_只能通過LoRa Sub-GHz一種方式。而LR1120提供了更多的傳輸手段。“此外，還能通過LR1120接收來自于LoRa Sub-GHz、衛(wèi)星和 2.4GHz的數(shù)據(jù)，相當于從原先的單個收發(fā)機升級成了三組收發(fā)機，系統(tǒng)也擁有了更高的擴展性?！?/span>

從LR1110和LR1120的架構(gòu)框圖對比可以看出，兩者在尺寸和引腳方面完全一致，可以完全兼容。“如果開發(fā)完LR1110方案后再把LR1120貼上去，上也是可以使用的。但若是將LR1110用到開發(fā)完成LR1120的設(shè)計上，則無法實現(xiàn)2.4GHz和衛(wèi)星通信功能?！备嗜a充道。

而且在實際應(yīng)用中，并不一定需要同時使用LR1120芯片的所有功能?？蛻艨梢愿鶕?jù)實際需求來進行不同的組合，例如Sub-GHz和2.4GHz的組合， Wi-Fi和2.4GHz的組合，或是Sub-GHz和GNSS的組合。

以定位領(lǐng)域為例，已有不少LoRa與其他技術(shù)進行融合的方案，如常見的LoRa + 藍牙Beacon定位，以及LoRa + UWB室內(nèi)高精度定位。其中UWB用來測距， LoRa用做回傳，精度可以達到幾十厘米。用LoRa傳輸GNSS差分信息，也可以實現(xiàn)高精度定位。LR1120的推出，將進一步提高技術(shù)融合能力。

其實在創(chuàng)立之初，LoRa技術(shù)就憑借遠距離的優(yōu)勢受到衛(wèi)星通訊領(lǐng)域的關(guān)注，在國內(nèi)外都已經(jīng)有相關(guān)衛(wèi)星通信應(yīng)用落地。在衛(wèi)星通訊方面，LoRa技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于畜牧業(yè)、環(huán)境管理、森林防火以及航運等領(lǐng)域。

Strategy Analytics射頻及無線元件服務(wù)總監(jiān)Christopher Taylor表示：“LoRa與小型、相對低成本的近地軌道衛(wèi)星通信相結(jié)合，將推動LoRa以及物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的變革。在LoRa中增加用于衛(wèi)星通信的S頻段，將幫助其取代傳統(tǒng)的SCADA監(jiān)控，拓展新的應(yīng)用與市場，特別是其在偏遠地區(qū)的部署。目前，LoRa技術(shù)已受到數(shù)家衛(wèi)星通信解決方案提供商的青睞，包括EchoStar和Lacuna?！?/span>

據(jù)悉，在沒有網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的海事或自然保護區(qū)的偏遠地區(qū)中，對LoRa近地衛(wèi)星通信的應(yīng)用存在非常大的需求。隨著技術(shù)的不斷進步，和近地衛(wèi)星行業(yè)的發(fā)展，相信今后會有大量的應(yīng)用會采用衛(wèi)星通信以及LoRa技術(shù)，尤其是沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的海運物流管理方面。

黃旭東表示，在當前的海運行業(yè)中，全球貨柜箱數(shù)量預(yù)計將達到五千多萬個?！癓oRa Edge LR1120是唯一一個可以全球通用的且支持衛(wèi)星通信S頻段的LoRa芯片，同時具有低功耗的優(yōu)勢。海運客戶對貨柜箱的追蹤有很大的需求，所以我們預(yù)估相關(guān)市場需求可以達到億萬級?！?/span>

作者：劉于葦

EET電子工程專輯原創(chuàng)

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