CN107819675B - 一种物联网网关及物联网通信方法 - Google Patents

一种物联网网关及物联网通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种物联网网关以及物联网通信方法，所述物联网网关包括处理器、收发器、Ka频段调制解调器、特高频UHF天线以及Ka天线；所述收发器以及UHF天线用于接收物联网终端发送的UHF频段信号，所述处理器用于将接收到的UHF频段信号转换为Ka频段信号，所述Ka频段调制解调器以及Ka天线用于向卫星发送转换后的Ka频段信号；或者所述Ka频段调制解调器以及Ka天线用于接收卫星发送的Ka频段信号，所述处理器用于将接收到的Ka频段信号转换为UHF频段信号，所述收发器以及UHF天线用于向物联网终端发送转换后的UHF频段信号。这样，本发明提供的物联网网关能够实现物联网终端与卫星之间的无线通信，不需要布设基站的有线回程，能够有效节省物联网系统的通信成本。

Description

一种物联网网关及物联网通信方法
技术领域
本发明涉及物联网通信技术领域，尤其涉及一种物联网网关及物联网通信方法。
背景技术
物联网(Internet of things，IoT)是指通过各种信息传感设备(如射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等)，按约定的协议，把任何物品通过物联网域名相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。
回程线路(Backhaul)也称为信号隧道，在通信技术中是指从信源站点向交换机传送语音和数据流的功能。传统物联网系统中，物联网终端的数据发送到基站后，基站均需要通过有线连接接入互联网云端，实现物联网终端的数据上传，例如通过光纤回程线路接入互联网云端。
然而，对于海洋、山区、沙漠等无人区及自然灾害较恶劣的环境，由于空间、环境等限制，容易导致地面无法布设有线基站，或者导致布设基站的有线线路成本过高。
可见，现有技术中物联网系统中基站的有线回程布设不方便或者布设成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种物联网网关及物联网通信方法，以解决上述技术问题。
首先，为实现上述目的，本发明提出一种物联网网关，所述物联网网关包括处理器、与所述处理器连接的收发器以及Ka频段调制解调器，所述物联网网关还包括与所述收发器连接的特高频UHF天线以及与所述Ka频段调制解调器连接的Ka天线；
所述收发器以及UHF天线用于接收物联网终端发送的UHF频段信号，所述处理器用于将接收到的UHF频段信号转换为Ka频段信号，所述Ka频段调制解调器以及Ka天线用于向卫星发送转换后的Ka频段信号；或者
所述Ka频段调制解调器以及Ka天线用于接收卫星发送的Ka频段信号，所述处理器用于将接收到的Ka频段信号转换为UHF频段信号，所述收发器以及UHF天线用于向物联网终端发送转换后的UHF频段信号。
可选地，所述处理器将接收到的UHF频段信号转换为Ka频段信号，包括：
将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为数字卫星广播系统标准DVB-S消息，并将所述DVB-S消息携带在Ka频段信号中。
可选地，所述处理器将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为数字卫星广播系统标准DVB-S消息，包括：
将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为消息队列遥测传输 MQTT消息；
将所述MQTT消息转换为DVB-S消息。
可选地，所述处理器将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为消息队列遥测传输MQTT消息，包括：
解析接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息，获取所述LoraWAN消息中的物理层负载；
解析所述LoraWAN消息中的物理层负载，获取物理层负载中的媒体访问控制MAC层负载；
将所述MAC层负载写入MQTT消息的报文体中。
可选地，所述处理器将所述MQTT消息转换为DVB-S消息，包括：
按照TCP/IP格式将所述MQTT消息形成IP分组；
将所述IP分组的IP数据报进行分段，拆分为多个不大于预设字节的数据单元；
按照DVB-S多协议封装MPE规范封装所述多个数据单元。
进一步地，为实现上述目的，本发明还提供一种物联网通信方法，应用于物联网网关，所述物联网通信方法包括：
接收物联网终端发送的UHF频段信号，将接收到的UHF频段信号转换为Ka频段信号，向卫星发送转换后的Ka频段信号；或者
接收卫星发送的Ka频段信号，将接收到的Ka频段信号转换为UHF频段信号，向物联网终端发送转换后的UHF频段信号。
可选地，所述将接收到的UHF频段信号转换为Ka频段信号，包括：
将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为数字卫星广播系统标准DVB-S消息，并将所述DVB-S消息携带在Ka频段信号中。
可选地，所述将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为数字卫星广播系统标准DVB-S消息，包括：
将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为消息队列遥测传输 MQTT消息；
将所述MQTT消息转换为DVB-S消息。
可选地，所述将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为消息队列遥测传输MQTT消息，包括：
解析接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息，获取所述LoraWAN消息中的物理层负载；
解析所述LoraWAN消息中的物理层负载，获取物理层负载中的媒体访问控制MAC层负载；
将所述MAC层负载写入MQTT消息的报文体中。
可选地，所述将所述MQTT消息转换为DVB-S消息，包括：
按照TCP/IP格式将所述MQTT消息形成IP分组；
将所述IP分组的IP数据报进行分段，拆分为多个不大于预设字节的数据单元；
按照DVB-S多协议封装MPE规范封装所述多个数据单元。
相较于现有技术，本发明所提出的物联网网关包括处理器、与所述处理器连接的收发器以及Ka频段调制解调器，所述物联网网关还包括与所述收发器连接的特高频UHF天线以及与所述Ka频段调制解调器连接的Ka天线；所述收发器以及UHF天线用于接收物联网终端发送的UHF频段信号，所述处理器用于将接收到的UHF频段信号转换为Ka频段信号，所述Ka频段调制解调器以及Ka天线用于向卫星发送转换后的Ka频段信号；或者所述Ka频段调制解调器以及Ka天线用于接收卫星发送的Ka频段信号，所述处理器用于将接收到的Ka频段信号转换为UHF频段信号，所述收发器以及UHF天线用于向物联网终端发送转换后的UHF频段信号。这样，本发明提供的物联网网关能够实现不同频段信号的相互转换，实现物联网终端与卫星之间的无线通信，不需要布设基站有线回程，能够有效节省物联网系统的通信成本。
附图说明
图1是传统物联网回程线路的连接示意图；
图2是本发明实施例提供的一种物联网回程线路的连接示意图；
图3是本发明实施例提供的一种物联网网关的应用环境示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种物联网网关的应用环境示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种物联网网关的应用环境示意图；
图6是本发明实施例提供的一种LoraWAN调制体制传输速率等级与带宽、扩频比的配置关系表；
图7是本发明实施例提供的一种长距离无线物理层消息的结构示意图；
图8是图7所示的物理层消息的物理层负载的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的MAC层负载的字段长度定义示意图；
图10是一种MQTT消息的结构示意图；
图11是一种MQTT消息的固定报文头的结构示意图；
图12是如图11所示的固定报文头中的消息类型及描述的对应关系图；
图13是一种MQTT消息中的QoS机制示意图；
图14是一种MQTT消息的可变报文头的结构示意图；
图15是一种MQTT消息的报文体的结构示意图；
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。
根据数据流向和处理方式可将物联网以下三层：
传感层：用于感知、识别物体或环境状态并且实时采集、捕获信息，它由包括二维码标签、识读器、RFID(Radio Frequency Identification，射频识别) 标签、读写器、摄像头、GPS(Global Positioning System，全球定位系统)、传感器、计量器等器件以及M2M(Machine-to-Machine，机器对机器)终端、传感器网络和传感网关等构成，通过传感器获取信息，并通过接收网关获得控制命令。物联网在传感层所面临的挑战是如何使传感器更敏感、拥有更全面的感知能力并且具备低功耗、体积小及低成本的属性。
网络层：用于通过无线或有线的通信方式接入网络，如互联网、电信网等通信网络，实现信息在传感层与应用层之间的传递。网络层要具备网络运营和信息运营的能力，网络层中也包括对海量信息进行智能处理的部分，如云计算平台、物联网管理中心等。网络层所面临的挑战是大规模M2M连接对系统容量及Qos(Quality of Service，服务质量)带来的特别要求。
应用层：用于实现物联网信息技术与终端行业专业技术的深度接触，完成物体信息的协同、共享、分析、决策等功能，从而形成智能化应用的解决方案，由包括电脑、手机等终端组成的输入输出控制终端组成。应用层所面临的挑战是信息共享及信息安全问题。
传统的物联网接入手段，如Wi-Fi(Wireless Fidelity，无线局域网)、ZigBee (低功耗局域网)、蓝牙等的传输距离太短，要通过用户移动终端、中继网关或AP(AccessPoint，访问接入点)将数据发送至基站，从而容易导致数据准确率低、功耗较高的问题。而移动通信网络(例如：2G、3G、4G)虽然可用于低数据量的传感器数据的传输，但成本和功耗都比较高。为了推动物联网向低成本低功耗领域发展，新型窄带物联网技术的研发在近几年被逐渐提上日程。与传统蜂窝通信的需求不同，目前占物联网市场60％以上的是带宽低于100kb/s的低速率、低功耗、广域应用，即LPWAN技术。这类应用需要物联网具有支持海量连接数、低终端成本、低终端功耗和超强覆盖能力等能力。
目前LPWAN技术可被分为授权频段的广域网技术及非授权频段的广域网技术两类，不同的LPWAN技术在接入网络、部署方式、技术特点、功耗性能及服务模式上都有所差异。NB-IoT与Lora是LPWAN低功耗广域网技术的典型代表，也是最有发展前景的两个低功耗广域网通信技术，这两种LPWAN技术都有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少等特点，都适合低功耗物联网应用。NB-IoT(Narrow Band Internet of Things，窄带物联网)是在基于 FDD LTE(Frequency Division Dual Long Term Evolution，频分双工长期演进) 技术上改造而来的，物理层设计大部分沿用LTE系统技术，如上行采用 SC-FDMA(Single-carrier Frequency-Division Multiple Access，单载波频分多址)，下行采用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，即正交频分复用)。高层协议设计沿用LTE(Long Term Evolution，长期演进)协议，针对其小数据包、低功耗和大连接特性进行功能增强。Lora是由Semtech公司开发的一种技术，典型工作频率在美国是915MHz，在欧洲是868MHz，在亚洲是433MHz。Lora的物理层(PHY)使用了一种独特形式的带前向纠错(FEC)的CCS(Chrip Spread Spectrum，啁啾扩频体制)扩频技术。这种扩频调制允许多个无线电设备使用相同的频段，只要每台设备可以采用不同的扩频比和数据速率，其典型范围是2km至5km，最长距离可达15km，具体取决于所处的位置和天线特性。
LoraWAN是基于长距离的低功耗广域网，主要包括通信协议以及体系结构，能够提供一个低功耗、可扩展、高服务质量且安全的长距离无线网络。利用长距离优势，LoraWAN采用星型无线拓扑，能够有效延长电池寿命、降低网络复杂度且方便后续扩展容量，其网络实体可以包括End Nodes(终端节点)、Gateway(网关)、LoraWAN Server(LoraWAN服务器)和Applicaton Server (用户服务器)。
回程线路在通信技术中是指从信源站点向交换机传送语音和数据流的功能。物联网系统中物联网终端与基站之间可通过蜂窝技术建立无线回程线路，也可以通过NB-IoT或者LoraWAN建立无线回程线路，然而，无论物联网终端与基站之间通过何种技术建立无线回程线路，数据到达基站后均需要通过基站与卫星之间的有线连接进行传输，如图1所示。
NB-IoT和Lora都是需要地面布设基站接收其覆盖区域内的物联网终端数据，但针对海洋、山区、沙漠等无人区及自然灾害等恶劣环境下的数据通信与控制需求，由于空间、环境等限制，地面无法布设基站或或成本太高，在这些应用场景下基于基站的地面物联网将无能为力。可以构建天基物联网，利用基于卫星的广域物联网技术优势，通过天基物联网载荷和终端设备，将复杂环境下的传感器连入天基物联网，实现物联信息的跨地域传输，解决目前地面物联网短板。基于卫星的广域物联网技术，即天基物联网相比于传统物联网增加了许多独特的优势，包括通信网络覆盖地域广，可实现全球覆盖，传感器的布设几乎不受空间限制；几乎不受天气和气候影响，全天时全天候系统抗毁性强，自然灾害、突发事件等应情况下依旧能够正常工作；系统抗毁性强，自然灾害、突发事件等应急情况下依旧能够正常工作。
天基物联网实质上是一种低速窄带卫星通信系统，其功能是将分散于全球各地的有用信息，特别是针对无人区或海洋上的相关气象、水文，海洋探测、环境监测、科学与管理数据等应用，通过卫星采集接收并转发给相应的使用与管理部门，可在短时间内获取大量资料和数据，是一种新型的实时收集数据的有效手段。需求分析表明，在环境监测保护、地震监测预报、森林防护、海洋监测、大中型水情测报、气象预报、油气田、油气管道网、农业、铁路、公路、航运交通管理、铁路、公路、航运交通管理、野生动物保护、工业与军用广域实时协同控制等行业具有广阔的应用前景。
高通量卫星(High Throughput Satellite，HTS)是指通过点波束、赋形波束、频率复用及高波束增益等技术，在同等轨道和频谱条件下，能够提供比传统卫星高出数倍至数十倍容量的新型卫星。随着新一代Ka频段(电磁频谱的微波波段的一部分，频率范围为26.5-40GHz)高通量卫星技术的发展，连接陆地物联网的采用与卫星连接的网关成为可能。根据国际电联(ITU)的划分，供军事卫星和民用卫星使用的Ka频段频谱资源，上行链路以及下行链路各有3.5GHz资源可用，在相同的带宽效率前提下Ka频段可以支持更高的传输速率，在支持动态视频方便具有优势。Ka频段卫星的效益较高，由于采用电波束(商业卫星3dB波束宽度一般为0.5°～1.5°)以及频率复用技术，空间复用使得可用频率资源更多，可以使得卫星的吞吐量提升1～2个数量级，从而能够降低单位带宽的成本。此外，由于频率越高，波长越短，Ka频段高通量卫星能够支持较小口径、轻质量的物联网终端，进而支持肩负式、移动平台应用。
Ka卫星因其频率高、频率资源丰富、终端尺寸小，而成为宽带卫星发展的重点方向。经过面向HTS(高通量通信卫星)的两代演进，在全球已有了完整的产业链支持——卫星运营商可以用不超过3年的时间制造一颗大容量的 Ka卫星。系统供应商已支持宽载波、波束切换和网络漫游等技术，终端供应商则拥有Ka终端和天线设计经验，相应技术早已达到规模应用水准。高通量卫星可提供比常规通信卫星高出数倍甚至数十倍的容量，从某种意义上说，高通量通信卫星网络可看作地面光纤网络在空间的备份，将利用天基系统优势实现全球覆盖。传统通信卫星容量不到10吉比特每秒(Gbit/s)，高通量通信卫星容量可达几十吉比特每秒到上百吉比特每秒。目前高通量卫星能够支持应用Ka频段点波束技术，通信总容量可以超过20Gbit/s。用户终端速率最高可达150Mbps下载和12Mbps回传，这将为应急通信提供大范围、全时空的系统保障。
基于上述应用场景，下面结合具体实施例对本发明提供的物联网网关进行详细描述。需要说明的是，本发明实施例中的卫星可以为上述的高通量卫星，也可以为其他卫星，本发明对此不作具体限定。
请参阅图2，图2是本发明实施例提供的一种物联网网关的应用环境示意图，如图2所示，本发明实施例将传统物联网系统中物联网终端与卫星之间的有线连接替换为无线连接。参见图3，图3是本发明实施例提供的另一种物联网网关的应用环境示意图，如图3所示，物联网网关100设置于物联网终端200 与卫星300之间，用于实现所述物联网终端200与所述卫星300之间的无线通信，所述物联网终端200与物联网终端200之间通信连接，用于向所述物联网终端200发送数据或者接收所述物联网终端200发送的数据，所述物理网终端 200的个数可以为一个，也可以为多个，图3仅示出一个为例，并不以此为限。所述卫星300与云端服务器400连接，用于接收所述云端服务器400发送的数据或者向所述云端服务器400发送数据。
所述物理网网关100包括处理器101、与所述处理器101连接的收发器102 及与所述收发器102连接的UHF(Ultra High Frequency，特高频)天线103、与所述处理器101连接的Ka频段调制解调器104及与所述Ka频段调制解调器104 连接的Ka天线。
所述收发器102以及所述UHF天线103用于接收所述物联网终端200发送的UHF频段信号，所述处理器101用于将接收到的UHF频段信号转换为Ka频段信号，所述Ka频段调制解调器104所述Ka天线105用于向所述卫星300发送转换后的Ka频段信号。这样，所述物联网网关100能够实现将接收到的UHF频段信号转换为Ka频段信号，并向卫星300传送，实现物联网终端200通过无线通信向所述卫星300上传数据。
本发明一些实施例中，所述Ka频段调制解调器104以及Ka天线105用于接收卫星300发送的Ka频段信号，所述处理器101用于将接收到的Ka频段信号转换为UHF频段信号，所述收发器102以及UHF天线用于向物联网终端200发送转换后的UHF频段信号。这样，所述物联网网关100能够实现将接收到的Ka 频段信号转换为UHF频段信号，并向物联网终端200发送，这样，能够所述卫星300通过无线通信向所述物联网终端200传送数据，不需要物联网终端200与所述卫星300之间的有线连接。
所述处理器101可以为高性能集成处理器，例如可以是型号为“Zynq-7000 SOC”的处理器，该型号的处理器的可编程逻辑可以由用户配置，这样可以提供用户自定义的任意逻辑功能，从而扩展处理系统的性能及功能，该型号的处理器采用ARM+FPGA组合架构，其中ARM为双核COTEX-A9，运行Linux 操作系统，称为PS；FPAG为可编程逻辑，称为PL。所述处理器101可以通过 SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)与收发器102分别连接。
所述收发器102可以包括基带芯片以及与基带芯片连接的射频前端芯片，所述基带芯片与所述处理器101的SPI连接，所述射频前端芯片与所述UHF天线103连接，用于将I/Q(In-phase/Quadrature，同相正交数字信号)转换为无线电模拟信号，并通过所述UHF天线103发送或者接收数据。
所述基带芯片(例如型号为“SX1301”)还与所述处理器101的两个GPIO (GeneralPurpose Input Output，通用输入/输出)连接，所述处理器101通过所述两个GPIO分别向所述基带芯片提供复位信号以及卫星导航授权秒脉冲信号。所述基带芯片可以为型号为“SX1301”的基带芯片，所述射频前端芯片可以为型号为“SX125X”的射频前端芯片，需要说明的是，型号“SX125X”可以为型号“SX1255”，也可以为型号“SX1257”。所述收发器102还包括与射频前端芯片连接的滤波器、功放、切换开关等，由于收发器102的构造属于现有技术范畴，此处不对其他结构进行详细描述，所述收发器102用于对寄存器配置的数据或调制解调数据的接收与发送。本发明实施例中，所述GPIO 为32bitGPIO。
所述处理器101将接收到的UHF频段信号转换为Ka频段信号具体可以是将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为DVB-S(数字卫星广播系统标准)消息，并将所述DVB-S消息携带在Ka频段信号中。
可以理解的是，UHF频段信号采用的是LoraWAN协议标准进行通信，Ka 频段信号采用的是DVB-S协议标准进行通信，因此将UHF频段信号转换为Ka 频段信号实质可以是将LoraWAN消息转换为DVB-S消息。该实施例中，所述处理器101将UHF频段信号转换为Ka频段信号的方式具体为将UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为DVB-S消息，并将所述DVB-S消息携带在Ka频段信号中。
DVB-S提供了-套完整的适用于卫星传输的数字电视系统规范，选定ISO(International Organization for Standardization，国际标准化组织)/IEC(国际电工委员会)MPEG-2(Moving Picture Experts Group，活动图像专家组)标准作为音频及视频的编码压缩方式，对信源编码进行了统一，然后对MPEG-2 码流进行打包形成传输流(TS)，进行多个传输流复用，然后进行信道编码和数字调制，最后通过卫星进行传输。DVB-S采用MPEG2-TS传输流小包作为“数据容器”，不但可传送压缩的图像、声音，还提供了对数据传输的良好支持，可以在数字电视广播信道上传输数据业务。利用基于DVB的卫星宽带网络实现数据传输，系统用户端接收机价格较低，且能够实现数据业务和电视业务集成，相比其它卫星数据传输系统更具优势。
所述处理器101将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为 DVB-S消息的方式具体可以为：将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为MQTT(Message QueuingTelemetry Transport，消息队列遥测传输)消息，然后进一步将所述MQTT消息转换为DVB-S消息。
参见图4，图4是本发明实施例提供的另一种物联网网关的应用环境示意图，如图4所示，如图4所示，所述处理器101中包括的处理功能均是通过所述处理器101执行运行在所述处理器101上的应用程序实现的功能，图4中仅仅是将具体的功能以文字的形式体现在处理器101中。
参见图5，图5是本发明实施例提供的另一种物联网网关的应用环境示意图，如图5所示，所述处理器101可以包括LoraWAN协议栈、MQTT协议栈以及DVB-S2协议栈，用于实现不同协议之间的相互转换。LoraWAN协议栈用于实现符合LoraWAN网络协议标准的无线通信上层应用协议解析，MQTT协议栈提供了将Lora信道数据打包成为MQTT格式并定义与MQTT云端服务器交互所需要的配置，MQTT协议栈采用TLS-PSK(安全传输层协议)安全协议保证数据传输的安全性。
本发明实施例中，所述处理器101可以按照如图6所示的配置关系配置传输速率、带宽以及扩频比等参数，然后使用配置好的参数接收或者发送数据。
由于所述LoraWAN消息都会包括PHY(物理层)消息，参见图7，图7是本发明实施例提供的一种物理层消息的结构示意图，如图7所示，物理层消息包括Preamble(前导码)、PHDR(PHY头)、PHDR_CRC(PHY头循环冗余校验)、PHYPayload(物理层负载)、CRC*(循环冗余校验)。所述处理器 101可以解析接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息，获取所述LoraWAN 消息中的物理层负载。
所述处理器101的ARM内核可以通过SPI接口接收数据，并获取物理层负载字段。参见图8，图8是图7所示的物理层负载的结构示意图，如图8所示，物理层负载包括MHDR(MAC层帧头)、MACPayload(MAC层负载)以及 MIC(4字节的校验)。所述处理器101解析所述LoraWAN消息中的物理层负载，获取物理层负载中的MAC层负载，然后将MAC层负载写入MQTT消息的报文体中。
参见图9，图9是本发明实施例提供的一种MAC层负载的字段长度M的最大长度定义示意图，如图9所示，不同的传输速率等级对应不同的M值。所述处理器101可以根据传输速率等级确定M的最大值。
MQTT是一种即时通讯协议，是一种标准化的发布/订阅消息传输协议。 MQTT是基于TCP/IP的轻量级M2M通信协议，适合受限环境(例如带宽低、网络延迟高、网络通信不稳定)使用，从而成为了M2M通信或物联网应用的重要协议。MQTT协议使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布。 MQTT基于异步发布/订阅的实现解耦了消息发布者和订阅者，基于二进制的实现节省了存储空间及流量，同时MQTT拥有更好的消息处理机制。MQTT协议适合小型传输，开销很小(固定长度的头部是2字节)，协议交换最小化，以降低网络流量。
参见图10，图10是一种MQTT消息的结构示意图，如图10所示，MQTT协议整体上可拆分为“固定报文头+可变报文头+负载”的消息体格式。由于 MQTT协议可以在一个消息中给一个主题发送大量数据，因此可以在MQTT的报文体内直接封装PHYPayload字段。所述处理器101直接将获取到的 PHYPayload字段写入MQTT的报文体内并封装。
参见图11，图11是一种MQTT消息的固定报文头的结构示意图，如图11 所示，MQTT的固定报文头中的消息类型可以使用4位二进制标识，其代表的含义可以包括如图12所示的16种消息类型。举例而言，对于物联网而言，物联网终端发送数据的应用消息类型可以设定为“PUBLISH”。
MQTT提供了三种QoS(Quality of Service，服务质量)机制，如图12所示，MQTT提供的QoS机制包括：至多一次传输(At most once delivery)，这种方式可能会有数据丢包，适用于允许个别数据丢失的场景；至少一次传输(At least once delivery)，这种方式可能会有数据包的重复；精准一次传输 (Exactly once delivery)，这种方式只能传输一次并且保证送达。
由于LoraWAN系统中可能使用不同类别的终端，因此，可以将终端分为A、 B、C三类终端，其中，A类终端每次发送数据后会打开两个持续时间很短的接收窗口来接收下行数据；在A类接收窗口的基础上B类终端还会在特定的时刻打开更多的接收窗口；C类终端的接收窗口，除了在发送数据的时候关闭外一直处于打开状态。因此在MQTT的固定报文头中针对A、B、C三类终端可以对应设定相应的QoS参数，保证消息传递的次数。基于上述特点，可以在 MQTT固定报文头中将A类终端的QoS值设置为0，B类终端的QoS值设置为1， C类终端的QoS值设置为2。
图11中所示的Remaining Length(剩余字节长度)字段可以用来指示后续的可变报文头以及报文体的总大小，Remaining Length字段的最大值为127字节，MQTT协议规定Remaining Length第八位(最高位)若为1，则表示还有后续字节存在。
参见图14，图14是一种MQTT消息的可变报文头的结构示意图，由图14 可知，可变报文头的最小长度为11字节，因此Remaining Length字段可以设定如下：若传输速率等级对应的MACPayload字段长度M小于或者等于59，则 Remaining Length字段可设定为127-11-5-M＝111-M；若传输速率等级对应的 MACPayload字段长度M大于59，则RemainingLength字段第一字节可设置为 143(最高位为1，表示后续还有字节存在)，第二字节可设置为M-111。
可变报文头中的其他参数，例如心跳时长、主题名称、消息ID等可以根据物联网终端的具体类型和/或具体参数进行设定。
参见图15，图15是一种MQTT消息的报文体的结构示意图，如图15所示，报文体中的客户识别号、用户名以及密码等内容可以由云端服务器确定，所述处理器101可以将获取的MAC层负载填充在如图15所示的Data(数据)字段位置。
所述处理器101将所述MQTT消息转换为DVB-S消息具体可以是按照 TCP/IP格式将所述MQTT消息形成IP分组；将所述IP分组的IP数据报进行分段，拆分为多个不大于预设字节的数据单元；按照DVB-S多协议封装MPE 规范封装所述多个数据单元。
该实施例中，所述处理器101完成MQTT协议转换处理后，将MQTT消息按照TCP/IP格式形成IP分组，并将所述IP分组的IP数据报进行分段，拆分为多个不大于预设字节的数据单元，然后按照DVB-S多协议封装MPE规范封装所述多个数据单元。所述处理器101可以使用多个MPEG2-TS小包封装所述IP分组，将IP数据报拆分为多个不大于预设字节的数据单元，本实施例中，所述预设字节为1008字节。所述处理器101可以按照按照MPE所规定的数据报分段(Datagram-section)填充方式完成MPE头12字节的填充。在此期间要从IP报头中提取目的IP地址，并将其映射为相应的目的MAC地址。然后将IP数据报封装入MPE的有效载荷中，对整个MPE的数据报分段 (Datagram-section)进行CRC-32校验编码，并将校验结果附于MPE有效载荷之后。IP分组经上述封装处理后，经过加扰、复用以及调制，就可成为DVB-S 格式消息，所述处理器101将所述DVB-S发送给卫星300。
本发明实施例中，所述物联网网关采用Ka频段链路替代物联网基站侧的有效传输部分回程线路接入云端服务器，实现广域物联网终端到云端服务器的完整通信，具有广域通讯、高容量、低功耗、低成本、抗干扰等特性，此外，基于高通量卫星回程线路的LoraWAN物联网系统亦适用于智慧城市物联网通讯、行业大数据的采集、计费计量服务业、人/物追踪定位服务、监测与安全领域等等的应用。
可以理解的是，所述处理器101实现上述功能可以是基于执行运行在在所述处理器101上的程序代码实现。
现对于现有技术，本发明所提出的物联网网关包括处理器、与所述处理器连接的收发器以及Ka频段调制解调器，所述物联网网关还包括与所述收发器连接的特高频UHF天线以及与所述Ka频段调制解调器连接的Ka天线；所述收发器以及UHF天线用于接收物联网终端发送的UHF频段信号，所述处理器用于将接收到的UHF频段信号转换为Ka频段信号，所述Ka频段调制解调器以及Ka天线用于向卫星发送转换后的Ka频段信号；或者所述Ka频段调制解调器以及Ka天线用于接收卫星发送的Ka频段信号，所述处理器用于将接收到的Ka 频段信号转换为UHF频段信号，所述收发器以及UHF天线用于向物联网终端发送转换后的UHF频段信号。这样，本发明提供的物联网网关能够实现不同频段信号的相互转换，实现物联网终端与卫星之间的无线通信，不需要布设基站的有线回程，能够有效节省物联网系统的通信成本。
本发明实施例还提供一种物联网通信方法，应用于上述物联网网关100 中，所述物联网通信方法包括：
接收物联网终端发送的UHF频段信号，将接收到的UHF频段信号转换为Ka频段信号，向卫星发送转换后的Ka频段信号；或者
接收卫星发送的Ka频段信号，将接收到的Ka频段信号转换为UHF频段信号，向物联网终端发送转换后的UHF频段信号。
可选地，所述将接收到的UHF频段信号转换为Ka频段信号，包括：
将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为数字卫星广播系统标准DVB-S消息，并将所述DVB-S消息携带在Ka频段信号中。
可选地，所述将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为数字卫星广播系统标准DVB-S消息，包括：
将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为消息队列遥测传输 MQTT消息；
将所述MQTT消息转换为DVB-S消息。
可选地，所述将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为消息队列遥测传输MQTT消息，包括：
解析接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息，获取所述LoraWAN消息中的物理层负载；
解析所述LoraWAN消息中的物理层负载，获取物理层负载中的媒体访问控制MAC层负载；
将所述MAC层负载写入MQTT消息的报文体中。
可选地，所述将所述MQTT消息转换为DVB-S消息，包括：
按照TCP/IP格式将所述MQTT消息形成IP分组；
将所述IP分组的IP数据报进行分段，拆分为多个不大于预设字节的数据单元；
按照DVB-S多协议封装MPE规范封装所述多个数据单元。
所述物联网通信方法实现的各个步骤已经在上述物联网网关的描述中进行了详细描述，此处不再赘述。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘) 中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种物联网网关，其特征在于，所述物联网网关包括处理器、与所述处理器连接的收发器以及Ka频段调制解调器，所述物联网网关还包括与所述收发器连接的特高频UHF天线以及与所述Ka频段调制解调器连接的Ka天线；
所述收发器以及UHF天线用于接收物联网终端发送的UHF频段信号，所述处理器用于将接收到的UHF频段信号转换为Ka频段信号，所述Ka频段调制解调器以及Ka天线用于向卫星发送转换后的Ka频段信号；或者
所述Ka频段调制解调器以及Ka天线用于接收卫星发送的Ka频段信号，所述处理器用于将接收到的Ka频段信号转换为UHF频段信号，所述收发器以及UHF天线用于向物联网终端发送转换后的UHF频段信号；
所述处理器将接收到的UHF频段信号转换为Ka频段信号，包括：
将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为数字卫星广播系统标准DVB-S消息，并将所述DVB-S消息携带在Ka频段信号中；
所述处理器将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为数字卫星广播系统标准DVB-S消息，包括：
将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为消息队列遥测传输MQTT消息；
将所述MQTT消息转换为DVB-S消息；
所述处理器将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为消息队列遥测传输MQTT消息，包括：
解析接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息，获取所述LoraWAN消息中的物理层负载；
解析所述LoraWAN消息中的物理层负载，获取物理层负载中的媒体访问控制MAC层负载；
将所述MAC层负载写入MQTT消息的报文体中；
所述处理器将所述MQTT消息转换为DVB-S消息，包括：
按照TCP/IP格式将所述MQTT消息形成IP分组；
将所述IP分组的IP数据报进行分段，拆分为多个不大于预设字节的数据单元；
按照DVB-S多协议封装MPE规范封装所述多个数据单元。
2.一种物联网通信方法，应用于物联网网关，其特征在于，所述物联网通信方法包括：
接收物联网终端发送的UHF频段信号，将接收到的UHF频段信号转换为Ka频段信号，向卫星发送转换后的Ka频段信号；或者
接收卫星发送的Ka频段信号，将接收到的Ka频段信号转换为UHF频段信号，向物联网终端发送转换后的UHF频段信号；
所述将接收到的UHF频段信号转换为Ka频段信号，包括：
将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为数字卫星广播系统标准DVB-S消息，并将所述DVB-S消息携带在Ka频段信号中；
所述将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为数字卫星广播系统标准DVB-S消息，包括：
将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为消息队列遥测传输MQTT消息；
将所述MQTT消息转换为DVB-S消息；
所述将接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息转换为消息队列遥测传输MQTT消息，包括：
解析接收到的UHF频段信号中的LoraWAN消息，获取所述LoraWAN消息中的物理层负载；
解析所述LoraWAN消息中的物理层负载，获取物理层负载中的媒体访问控制MAC层负载；
将所述MAC层负载写入MQTT消息的报文体中；
所述将所述MQTT消息转换为DVB-S消息，包括：
按照TCP/IP格式将所述MQTT消息形成IP分组；
将所述IP分组的IP数据报进行分段，拆分为多个不大于预设字节的数据单元；
按照DVB-S多协议封装MPE规范封装所述多个数据单元。
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