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远距离跳频扩频（LR-FHSS）是一种物理层（PHY）方案，旨在提升LoRaWAN在可扩展性和鲁棒性方面的能力。这些特性使LR-FHSS成为直连卫星（DtS）与地面物联网（IoT）环境中有前景的使能技术。自其作为LoRaWAN规范组成部分发布以来，LR-FHS
远距离跳频扩频（LR-FHSS）是一种物理层（PHY）方案，旨在提升LoRaWAN在可扩展性和鲁棒性方面的能力。这些特性使LR-FHSS成为直连卫星（DtS）与地面物联网（IoT）环境中有前景的使能技术。自其作为LoRaWAN规范组成部分发布以来，LR-FHSS持续受到研究界日益增长的关注。现有文献主要借助数学分析、仿真和真实环境实验评估LR-FHSS性能，并常将其与前代LoRaWAN物理层替代方案（如LoRa）进行比较。所关注的LR-FHSS性能参数包括投递率、能耗、网络容量、吞吐量和时延。研究界还设计了LR-FHSS改进技术，或采用接收端方法，或需要同时修改发射端与接收端。本文首次提供该领域研究现状的综合视图，识别当前挑战，并提出LR-FHSS研究领域的未来方向。
1 引言
本文围绕LR-FHSS提出系统性综述，指出该物理层（PHY）方案旨在增强LoRaWAN在可扩展性与鲁棒性方面的能力，并面向直连卫星（DtS）与地面物联网（IoT）场景。文章说明LR-FHSS自纳入LoRaWAN规范后研究关注度持续上升，但尚缺乏对其研究成果与开放问题的综合梳理，因此对相关文献进行结构化归纳，覆盖评估工具、性能、改进技术与应用，并提炼挑战与未来方向。
2 LoRaWAN与LR-FHSS概述
2.1 LoRa调制特性
LoRa基于啁啾扩频（CSS），以不同扩频因子（SF）在典型信道带宽上传输，具有抗噪、长距离和低功耗特点；较高SF提升可靠性但降低数据速率，并配合纠错机制增强传输稳健性。
2.2 LR-FHSS的演进
LR-FHSS采用超窄子载波上的快速跳频，以降低碰撞并提升并发上行能力；目前仅用于上行，下行仍采用LoRa。其帧头按数据速率（DR）复制两或三次，帧头传输时间为233.472 ms，载荷被切分为102.4 ms片段并在不同子载波上发送，采用高斯最小频移键控（GMSK）与编码率（CR）1/3或2/3的卷积编码。
2.3 区域参数与载荷容量
2.3.1 欧洲背景
在欧洲863–870 MHz频段，LoRa覆盖DR0—DR6，FSK用于DR7；LR-FHSS用于DR8—DR11，采用488 Hz每跳带宽、CR 1/3与2/3以及137 kHz或336 kHz信道宽度，对应162 bps与325 bps，最大MAC载荷随DR变化。
2.3.2 美国背景
美国902–928 MHz频段受400 ms驻留时间限制，标准LoRa不能使用高SF；LR-FHSS通过1.523 MHz带宽内快速跳频且跳间至少25.4 kHz间隔满足规则，US DR5与DR6分别支持50字节和125字节载荷，并可比拟LoRa SF11与SF12的链路预算。
2.4 设备类别与网络激活
LoRaWAN设备分为A、B、C类，A类为强制且最节能的ALOHA模式；入网包括ABP与OTAA，后者通过Join-Request/Join-Accept完成动态握手并配置网络标识、地址、密钥与无线电参数。
3 LR-FHSS评估工具
3.1 分析模型
多数研究将分析建模与仿真验证结合，少量依赖真实测试平台；模型多用于链路可靠性和能量性能评估。
3.1.1 链路模型
链路模型涵盖卫星与DtS系统、传播与碰撞、捕获效应、接收机与干扰、资源分配及信道接入等，用于分析丢包、中断概率、碰撞、检测、同步、多普勒补偿、干扰置零、串行干扰消除（SIC）及跳频序列对解码的影响。
3.1.2 能量模型
能量模型基于实测硬件表征平均电流、电池寿命、每传输能量成本，并比较LR-FHSS与LoRa及两层网络架构的能耗差异。
3.1.3 其他模型
其他模型包括无头帧恢复的整数线性规划（ILP）、多示例多标签干扰识别以及LoRa/LR-FHSS联合接入调度模型。
3.2 仿真器
仿真工具多为Python或MATLAB定制实现，部分工作未披露具体平台。
3.2.1 Python
Python仿真包括离散事件与开源LR-FHSS-Sim等，支持大规模设备、碰撞、干扰、概率帧头重复、SIC及优化器联动，常用于网络容量、可靠性和能耗评估。
3.2.2 MATLAB
MATLAB多用于蒙特卡洛仿真与物理层建模，包括DtS丢包、卫星通信、帧复制、PRR预测、SIC软件接收机以及LTE扩展典型城市信道下的多径与多普勒验证。
3.2.3 其他仿真方法
其他方法包括定制BER仿真、AWGN与Rayleigh衰落、shadowed-Rician信道、Semtech驱动模型、全物理与链路层序列仿真以及trace-driven混合方法。
3.3 测试平台
测试平台包括ASIC/FPGA收发机、商用设备、软件定义无线电（SDR）、城市与郊区现场测量、高空气球以及卫星过境测量，用于验证实际覆盖、干扰、移动性和高海拔通信性能。
4 LR-FHSS性能
4.1 投递、丢失与错误率
4.1.1 指标定义
常用指标包括分组投递率（PDR）、分组接收率（PRR）、消息投递/成功概率、丢包率（PLR）、误包率（PER）、中断概率与误比特率（BER）；成功类指标越高或失败类指标越低表示可靠性越好。
4.1.2 LR-FHSS评估
分析表明DR8与DR9存在负载相关权衡；帧级复制优于片段级复制；ACRDA可显著提升网络成功率与支持设备数；考虑噪声与衰落时，卫星网关可在目标中断概率下服务大量设备；实测显示LR-FHSS在城区、郊区和高空气球场景中常优于LoRa，且对CR敏感。
4.1.3 LR-FHSS评估与改进
改进接收机可降低PER并增强多普勒与同频干扰下的检测；网络编码帧头复制、干扰置零、动态跳频（DFH）、正交物理信道、宏分集、拼接与联合接入等策略可提升PRR、成功概率与有效吞吐量，其中宏分集和拼接在高密度场景收益明显。
4.2 能耗
能耗研究基于实测电流与空中时间（ToA）估计电池寿命，指出高冗余DR能耗较高，而DR9/DR11每比特能量成本更低；无复制传输更节能，载荷拼接可降低开销，概率化资源配置需在可靠性与能效间平衡，两层架构可节能。
4.3 网络容量
容量分析显示LR-FHSS显著优于传统LoRa，单网关可支持大量设备；干扰置零、正交信道、Wide-Gap跳频序列、ACRDA、载荷拼接、设备到设备（D2D）中继与卫星架构可进一步提升容量。
4.4 吞吐量与有效吞吐量
吞吐量/有效吞吐量研究显示增强接收、干扰消除、宏分集、SIC和帧头冗余优化可提升有效数据投递；概率化资源分配需在帧头复制、CR与碰撞风险间折中，联合接入阈值亦影响唯一载荷接收。
4.5 ToA/时延
LR-FHSS因冗余帧头通常具有更长ToA，但高可靠DR的能耗与信道占用较低；不同CR的ToA差异明显。拼接时延最高但稳定，复制平均时延最低，嵌入重传居中，需按应用权衡。
5 LR-FHSS通信改进技术
5.1 接收机修改技术
接收端改进包括无头帧恢复、低复杂度检测、干扰识别、干扰置零、SIC与IPAD、ACRDA、跨技术通信（CTC）以及多网关片段级宏分集，重点解决帧头丢失、碰撞和多普勒问题。
5.2 收发两端修改技术
收发两端技术包括DFH、帧/片段复制、正交物理信道分配、拼接/嵌入重传/复制、分段级编码跳频、Wide-Gap跳频序列、Early-Decode/Early-Drop与帧头容限，以在可靠性、时延、容量和能耗间取得平衡。
6 LR-FHSS应用
6.1 DtS-IoT
多数研究将LR-FHSS用于偏远地区直连卫星物联网，强调其在低信噪比（SNR）、干扰和严重多普勒下的长距离可靠通信潜力。
6.2 地面网络
地面应用覆盖乡村、城市、移动与室内场景，实测常显示其较LoRa具有更远覆盖和更高投递成功性。
6.3 其他
其他应用包括通用传感器网络、大规模监测、医疗物联网（IoMT）及高空平台站（HAPS）远程覆盖。
7 挑战与未来方向
7.1 当前挑战
7.1.1 初始接入与下行传输的协议限制
入网与配置仍依赖LoRa，长距离或卫星场景下可能限制连接成功率和网关连接数，下行也仍用LoRa。
7.1.2 重叠网络中的干扰
DtS LR-FHSS与LoRa、FSK、Sigfox等共享ISM频段，跨技术干扰和碰撞影响可靠性。
7.1.3 LEO卫星链路中的多普勒效应
低地球轨道（LEO）链路存在大且时变的多普勒频移，帧头接收困难且补偿计算复杂，限制实际扩展性。
7.2 未来方向
7.2.1 先进接收机设计与干扰缓解
需研究碰撞判定、自适应解码与多网关协作无头解码。
7.2.2 利用网络冗余与卫星星座设计
可发展宏分集、协作接收、卫星星座与多卫星连接以保障服务质量。
7.2.3 综合系统建模与能量分析
需平衡编码冗余、容量、干扰容忍与电池寿命，并分析新一代硬件电流消耗。
7.2.4 面向主流LPWAN替代方案的能耗性能
应与LoRa、NB-IoT、LTE-M与RedCap等比较能效和寿命以界定适用场景。
7.2.5 自适应协议
可研究根据网络状态与时延需求动态调整参数的混合方案。
7.2.6 应用感知传输
可优先传输关键数据并抑制非必要消息以缓解拥塞。
7.2.7 实验验证
应加强LEO卫星DtS与网络容量实验，现有实测网络设备规模仍小，需覆盖更多环境、位置、流量与规模。
8 结论
文章认为LR-FHSS对DtS与地面IoT具有重要潜力，并首次系统整合其研究现状、挑战与未来方向，为后续创新提供路线图。
