通过先进的序列设计和解调器分配技术提升LR-FHSS系统的可扩展性

《IEEE Transactions on Green Communications and Networking》：Enhancing LR-FHSS Scalability Through Advanced Sequence Design and Demodulator Allocation

研究提出LR-FHSS调制技术在LEO卫星物联网中提升扩展性的联合方法，重点分析宽带跳频序列（FHS）机制，并设计Early-Decode和Early-Drop解调策略优化卫星端资源利用率，仿真验证显示解码能力提升50%以上。

　　

摘要：

物联网（IoT）的快速增长及其与低地球轨道（LEO）卫星的整合，对高效、可靠且可扩展的通信协议提出了需求。其中，专为LEO卫星IoT通信设计的远程跳频扩频（LR-FHSS）调制方式引起了广泛关注。本文提出了一种联合方法，以增强LR-FHSS的可扩展性，满足大规模连接的需求。我们深入研究了LR-FHSS中的跳频序列（FHS）机制，特别强调了利用宽间隔序列的潜力。同时，我们引入了两种新的解调器分配策略，即“早期解码”（Early-Decode）和“早期丢弃”（Early-Drop），以优化LoRa特定网关解码资源的利用。通过大量仿真验证了这些发现，详细分析了LR-FHSS在IoT环境中的可扩展性潜力。结果表明，在某些配置下，所提出的策略可将解码能力提高多达50%。

引言

低地球轨道（LEO）卫星在扩展各种物联网（IoT）应用的覆盖范围方面发挥了重要作用，因为在某些地理位置，地面基础设施无法满足需求[1]。这些应用包括对海洋、极地、广阔森林和大型自然公园的环境和生态观测[2]。在这种情况下，LEO卫星比地球同步卫星更具成本效益，主要是因为它们距离地球更近，从而减少了传输延迟和功耗需求。随着物联网设备数量的激增，对可扩展且可靠的通信协议的需求也在增加，这些协议能够支持地面和直接到太空的连接（即直接到卫星的IoT [3]，见图1）。卫星IoT是一种更环保的全球连接方式。通过将应用置于物联网框架内（其特征是低功耗和低数据速率），我们提升了其环保性[4]。然而，要实现这一点，需要使IoT具备可扩展性，这也是本文的重点。其中一个受到广泛关注的解决方案是远程跳频（LoRa）调制技术，该技术以其低功耗和广泛的覆盖范围而著称。LoRa已成功应用于卫星领域，并获得了学术界和工业界的越来越多的关注（例如FossaSat、LacunaSat）。然而，LoRa的带宽消耗较大，对于位于卫星上的接收设备来说，解码大量传入的LoRa帧具有挑战性。这些可扩展性问题阻碍了从地球到卫星的LoRa通信的使用[5]，因为卫星的覆盖范围通常非常广泛。图1.

直接到卫星的IoT场景。