LPWAN多跳通信是一种基于低功耗广域网(LPWAN)的无线传输技术，通过中继节点将数据逐跳转发至目标终端或网关，有效扩展网络覆盖范围并增强复杂环境下的通信可靠性。其核心特点是结合LPWAN的低功耗、远距离优势与多跳路由机制，在保持设备长续航的同时，支持数据在节点间接力传输，适用于地形复杂、障碍物多的场景(如工业厂区、农业监测或城市密集区域)。该技术通过动态路径优化和网络自组织，提升整体通信效率，广泛应用于大规模物联网部署、环境监测及偏远地区远程数据传输等场景。
一、LPWAN多跳通信的背景与需求
LPWAN(低功耗广域网)技术以低功耗、广覆盖、低成本为核心特点，广泛应用于物联网领域。其典型技术包括LoRaWAN、NB-IoT、Sigfox等，主要通过星型拓扑实现设备与网关的直接通信。然而，在复杂地理环境(如城市密集区、偏远山区)或非视距场景中，单跳通信的覆盖范围和能耗效率受到限制。多跳通信通过引入中继节点转发数据，可扩展网络覆盖范围并优化能耗分布，成为LPWAN网络优化的关键方向。
二、多跳通信面临的主要挑战
1.拓扑动态性
节点移动、环境干扰或设备故障导致网络拓扑频繁变化，传统静态路由协议难以适应。例如，动态路由协议(如RPL)需实时调整路径以避免通信中断。
2.节点能量限制
中继节点因频繁转发数据可能过早耗尽能量，形成网络瓶颈。研究表明，单跳拓扑中远离网关的节点能耗可增加数十倍，而多跳路由需平衡全网能耗以延长寿命。
3.延迟与实时性
多跳传输引入额外延迟，对实时性要求高的应用(如工业自动化)构成挑战。例如，LoRaWAN多跳中继的延迟可能增加2-5倍。
4.协议兼容性
现有LPWAN技术(如LoRaWAN、NB-IoT)多基于星型拓扑设计，需扩展协议以支持多跳功能。例如，LoRaWAN的多跳中继需引入动态路由协议和加密机制。
三、路由优化方法
1.能量感知算法
动态跳数优化：通过距离环指数模型(DRESG)计算最优跳数，平衡节点能耗。实验表明，多跳路由可减少远距离节点50%以上的能耗。
剩余能量优先：DMATEB路由方案选择剩余能量高的节点作为中继，延长网络寿命20%-30%。
2.自适应路径选择
强化学习（RL）：EMH算法通过RL动态调整路由路径，适应拓扑变化。实际测试中，其能效比单跳提升30%以上。
动态数据率调整（ADR）：根据信道质量动态调整传输速率和功率，减少重传能耗。
3.协议栈优化
HARE协议：整合TDMA时隙、自适应功率控制和能量感知路由，在真实硬件测试中实现高可靠性(99%数据到达率)与低功耗(多跳模式能耗降低40%)。
树状拓扑与白名单管理：LoRaWAN多跳中继采用树状结构，通过白名单限制中继节点负载，避免过载。
四、研究进展与典型案例
1.LoRaWAN多跳中继技术
技术原理：中继节点注册至网关，采用动态路由协议(如AODV)选择最优路径。支持唤醒无线电(WOR)机制，降低空闲监听能耗。
应用场景：在农业监测中，覆盖范围扩展至15公里，数据提取率提升至95%。
2.NB-IoT多跳优化
e2McH算法：通过多跳配置减少蜂窝网络边缘节点的能耗，仿真显示能耗降低25%。
挑战：NB-IoT的高峰值电流(120-300mA)限制了中继节点的电池寿命。
3.Wi-SUN FAN的高效路由
低延迟优势：支持10秒间隔通信，休眠电流仅2μA，适合实时控制场景。
多跳性能：基于Mesh拓扑，误码率低于0.1%，优于LoRaWAN。
五、LPWAN技术性能比较
| 技术 | 休眠电流（μA） | 接收电流（mA） | 典型延迟（秒） | 覆盖范围（km） | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| LoRaWAN | 2 | 12 | 2-20 | 5-15 | 农业监测、环境传感 |
| NB-IoT | 5 | 60 | 1.6-10 | 8-30 | 智能电表、城市基础设施 |
| Sigfox | 15 | 15 | 6-30 | 10-50 | 简单遥测 |
| Wi-SUN FAN | 2 | 8 | <1 | 1-5 | 实时控制、智能电网 |
六、未来方向与应用前景
1.AI与5G融合
结合AI驱动的路由优化和5G网络切片技术，提升多跳通信的实时性与可靠性。
2.混合网络架构
例如，将LPWAN与高带宽网络(如Wi-Fi 6)结合，实现数据聚合与高效回传。
3.典型应用
- 智慧城市：通过多跳中继覆盖地下管网监测盲区。
- 工业物联网：在复杂厂房中实现设备状态实时监控。
- 应急通信：多跳LPWAN在无互联网环境下提供灾后应急通信。
LPWAN多跳通信路由优化需综合能量管理、自适应路由和协议扩展，以解决拓扑动态性与能耗不均衡问题。现有研究表明，强化学习与能量感知算法可显著提升能效，而LoRaWAN和Wi-SUN FAN在不同场景中展现出独特优势。未来，技术融合与协议标准化将是推动多跳LPWAN大规模部署的关键。
