LoRa不符合工信部技術要求?答案正相反!

LoRa是一種長距離、低功耗的無線射頻通信技術，是一種用戶可以使用非授權頻段架設、安全可控的私有物聯網。去年底，繼《中華人民共和國工業和信息化部公告2019年第52號》（進一步規範微功率短距離無線電發射設備的管理）發布後，有多家媒體揣測，這一規範是針對LoRa所制定，LoRa恐怕要涼涼了。但時至今日，LoRa在中國卻始終處於迅速的發展中。VDzednc

日前，在「2020 LoRa創新應用論壇」上，Semtech公司有多位高管就LoRa的一系列技術問題給出了官方解答，其中就包括了LoRa是否符合中國工信部第52號文件要求的關鍵問題。VDzednc

LoRa是什麼？

據介紹，LoRa是一個物理層的無線數字通信調製技術，稱為擴頻連續調頻調製技術（Chirp Modulation）。常見的無線數字通信調製技術為FSK、ASK、PSK三種，運營商的NB-IoT、4G、5G以及Wi-Fi、藍牙等幾乎所有常見數字無線通信技術的物理層都是採用FSK、ASK、PSK這三種調製技術進行通信的。VDzednc

LoRa只是一個物理層的調製技術，現在市面上的所有LoRa晶片，也只是完成簡單的物理層工作。而市場上Wi-Fi、2G、3G、NB-IoT等其他晶片，都是帶有自身協議棧的，為圖1 OSI模型中的網絡層+數據鏈路層+物理層。VDzednc

圖1：OSI網絡分層示意圖VDzednc

LoRa的組網方式是什麼？

LoRa只是物理層的一種調製技術，其組網方式可以根據不同的應用和需求而選擇不同。實際應用中常見有：點對點、星狀、樹狀、網狀（Mesh）等多種組網形式。VDzednc

如圖2所示，LoRa生態在國外主要是運營商使用的LPWAN技術LoRaWAN，而國內LoRa的主要應用為私有網和專有網，被稱之為「長Wi-Fi」，使用方式和Wi-Fi完全相同。對比Wi-Fi，LoRa具有工作距離遠、功耗低、傳輸速率低等特點。VDzednc

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圖2：LoRa網絡示意圖VDzednc

LoRa的網絡具有靈活性和便利性：按需部署，根據應用需要，規劃和部署網絡；根據現場環境，針對終端位置，合理部署網關和終端設備。網絡的擴展十分簡單，根據節點規模的變化，隨時對覆蓋進行增強或擴展。VDzednc

同時LoRa可以獨立組網：個人、企業或機構均可部署私有/專有網、企業網或行業網(免License頻段)。大多數物聯網應用都是區域性的，小規模網絡即可解決問題。區域性的區域網路是公網有效且必要的補充。VDzednc

LoRa的無線電規範要求

2019年11月28日，工信部發布了《中華人民共和國工業和信息化部公告2019年第52號》（以下簡稱「52號公告」）（參考資料1），該公告進一步規範微功率短距離無線電發射設備（以下簡稱「微功率設備」）的管理。VDzednc

對52號公告的理解：VDzednc

1. 「限在建築樓宇、住宅小區及村莊等小範圍內組網應用」

LoRa被歸類為LPWAN的一種傳輸方式，在空曠地上可實現1~10km的傳輸距離。根據52號公告規定，在470–510MHz使用頻率，LoRa的長距離特性將會被限制在一定範圍內應用，也就是說在這段頻率LoRa不會在中國進行運營商的網絡覆蓋。但是如果有需要的話，LoRa仍可和其他通信方式（如4G等）接入網際網路，將多個LoRa小網，連接成互聯互通的物聯網應用（見圖3）。VDzednc

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圖3：LoRa在小範圍內與公網結合的網絡結構示意圖VDzednc

此公告的技術指標明確要求可使用的區域範圍（如智能製造管理系統解決方案應用於建築樓宇，智能工地管理系統應用於住宅小區，智能家居應用於建築樓宇，智慧農業應用於村莊，均符合該條規定)。VDzednc

2. 「任意時刻限單個信道發射」

目前引領LoRa技術的Semtech公司所發布的所有晶片都支持單個信道發送數據，因此，從晶片功能上符合任意時刻限單個信道發射規定。VDzednc

3. 「民用計量儀表設備應當具備「發射前搜尋」等幹擾規避功能，且不能被用戶調整或關閉」

Semtech的LoRa晶片本身已提供信道檢測功能（Channel Activity Detection，CAD）功能，已經很好地提供了「發射前搜尋」等幹擾規避功能的技術基礎。同時LoRa晶片都具有跳頻功能，也可以通過跳頻的方式進行幹擾規避。除此之外，LoRa網關晶片還啟用彼此正交的信道和數據速率，在避免幹擾方面提供了額外的魯棒性。VDzednc

另外，「發射前搜尋」等幹擾規避功能一方面可以降低數據碰撞概率，提高通信系統的可靠性。另一方面碰撞概率降低可以減少重傳的概率，從而降低功耗。從應用需求本身出發，絕大多數應用都希望通過「發射前搜索」等幹擾規避功能提高系統的性能，因此這條規定不應被視為限制條件。VDzednc

4. 「若使用頻率與當地聲音、電視廣播電臺頻率相同時，不得在當地使用；若對當地聲音、電視廣播接收產生幹擾時，應立即停止使用，待消除幹擾或調整到無幹擾頻率後方可重新使用。」

此要求適用於所有微功率設備，52號公告第三點明確定義了在ISM頻段下各設備合理使用頻帶資源的規定（見圖4）。由於各個地方的電視廣播電臺等頻率基本固定不變，只要部署使用時避開該類頻率，即可滿足公告要求。VDzednc

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圖4：52號公告節選VDzednc

Semtech的LoRa晶片具有「發射前搜索」和跳頻的功能，可以在發射信號前檢測當前頻率是否有當地廣播信號，如發現當地廣播信號則進行跳頻處理。VDzednc

針對中國的具體國情，LoRa聯盟提出來多組通信信道的標準，可以根據當地廣播電臺的固定頻率，選擇合適的通信信道。VDzednc

5. 「發射功率限值：50mW(e.r.p)。發射功率譜密度限值：佔用帶寬小於等於200kHz的，為50mW/200kHz(e.r.p)；佔用帶寬200-500kHz的，為10mW/100kHz(e.r.p)。」

在建築樓宇、住宅小區等範圍內組網，由於距離較短，即使發送功率較低，依然能滿足通信需求。如果是在村莊範圍內智慧農業類的應用，由於村莊較空曠，信號衰減比較不明顯，即使較低的發射功率，依然能覆蓋較大範圍。VDzednc

E.R.P 50mW已經是很大的輸出功率了，相當於50mW輸出功率連接2dBi的天線。由於現在室內應用中的節點尺寸都比較小，許多小尺寸天線增益都是-3dBi左右，此時LoRa節點的輸出功率可以達到22dBm，依然符合上述規範。VDzednc

6. 「單次發射持續時間：不超過1秒。」

LoRa的擴頻因子參數，具有小的擴頻因子其數據速率較快，大的擴頻因子抗幹擾能力越強的特性。LoRa各擴頻因子和對應的數據載荷如表1：VDzednc

表1，LoRa擴頻因子與載荷規範表（「B」-字節）VDzednc

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表2是以LoRa常用的參數（Bandwidth=125kHz，Preamble=8，Coding rate=4/5）和在隱性包頭模式下的一組理論發射時間和數據長度關係（單位：ms）。VDzednc

表2，發射時間(「ms」–毫秒) - 數據載荷(「B」-字節)VDzednc

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從表2可以看出，在Bandwidth=125kHz，Preamble=8，Coding rate=4/5的設置下，傳輸100B數據分別使用169.22ms、297.47ms、533.5ms、985.09ms，均小於1s的限制。在SF11、SF12時雖然發射時間較長，但依然可以在<1s的限制內傳輸較短的數據包，而且如果更改bandwidth等參數，可以使用SF12傳輸更長的數據包。LoRa是一種窄帶技術，如：智能家居、智能小區等應用不管從應用需求或功耗需求都要求傳輸儘可能少的數據量，因此單次發射持續時間不會超過1s。VDzednc

一般在智能樓宇和智能家居應用中，使用的是SF7 125kHz的設置，此時一般一個通信包的飛行時間小於100ms。VDzednc

7. 「佔用帶寬：不大於500kHz」

LoRa晶片支持不大於500kHz限制的多種帶寬設置。VDzednc

52號公告對於LoRa生態在中國發展的幫助：VDzednc

• 該公告規範了LoRa技術參數，對LoRa技術的長期發展提供了良好的大環境；
• 有法可依，公告為規範行業市場行為提供依據，確定合法的邊界，降低企業違法風險；
• 本次公告是對微功率設備生產、進口、銷售和使用各方面進行了全面的規範，因此公告的正式發布，正是從政策層面給業界一個定心丸，不論是對於自身影響程度如何，各企業至少得到了合法和違法的確定性界定，那麼就可以在合法範疇中開展業務。

LoRa的通信安全

技術分析一個數據是否安全，可以通過射頻物理層、數據傳輸過程、安全加密方算法、應用層四個方面進行分析。VDzednc

從物理層分析，數據的安全性主要體現為該信號的隱蔽性強。隱蔽性強又叫做可檢性低(LPI - Low Probability of Intercept)，即不容易被偵破，對各種窄帶通信系統的幹擾很小。如圖5所示，擴頻前數據高於噪聲基底，其信號非常容易被檢測。當信號被擴頻後，信號完全在噪聲基底之下，無法通過能量強度檢測出來。這也是軍工、通信等行業一直使用擴頻技術作為通信手段的原因。VDzednc

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圖5：擴頻技術隱蔽性分析VDzednc

由於與通信數率相比，擴頻信號在相對較寬的頻帶上被擴展了，單位頻帶內的功率很小，信號湮沒在噪聲裡，一般不容易被發現，隱蔽性較好。再者，由於擴頻信號具有很低的功率譜密度，它對使用的各種窄帶通信系統的幹擾很小。在安全性方面LoRa技術也繼承了擴頻技術的優點，一般設備很難偵破和幹擾到LoRa信號。VDzednc

在所有的物聯網通信技術中，LoRa技術可以在噪聲下20dB解調（圖6），而其它的物聯網通信技術必須高於噪聲一定強度才能實現解調。VDzednc

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圖6：LoRa調製抗噪特性圖VDzednc

其它物聯網通信技術的波形可以被頻譜儀等設備抓取。同樣，這些通信數據也可能被幹擾或偽造。而LoRa技術具有較好的隱蔽性和抗幹擾特性，具有較強的物理層安全特性。VDzednc

從數據傳輸過程分析，使用公網技術的終端設備的數據先到達基站，再到達移動交換中心，最後到達運營商的雲端，之後才將最終的數據轉發給客戶應用端或客戶的雲端。不需要先將數據送到運營商雲端便可直接發到客戶端。私網的LoRa數據直接在本地完成採集和計算，數據甚至不會離開這個園區的範圍。數據傳輸越遠，中轉次數越多，安全風險越高，而採用私網技術數據可以完全存儲在本地，數據始終掌握在自己手裡。許多政企的網絡都是通過內網、外網隔離實現網絡安全，如果採用私網可以直接對接原有政企的內網，安全級別非常高。從數據傳輸過程分析（網絡層分析）LoRa私網/專網具有較高的安全特性。VDzednc

從數據加密方法分析，移動蜂窩網技術代表的公網為了方便和效率，採用相同的加密方法，因此容易被攻破。因為公網的普遍性，無法針對安全做太多的定製服務，其必須在安全和性能之間做平衡。而私有網絡則完全不同，它們可以根據客戶的需求武裝成為「裝甲車」，數據的安全加密算法可以盡其所能，為了安全可以犧牲數據率，也可以犧牲成本，這是公網所完全不具備的。LoRa技術只是一個物理層的透傳技術，用戶可以在其網絡層鏈路層架設自己的安全引擎，可以進行最深度的定製，還可以加入硬加密晶片。從數據加密方法分析中可以看到LoRa的安全性可以得到有力保證。VDzednc

從應用層分析，用戶可以根據實際的應用需求進行加密，由於LoRa在組網上具有很強的靈活性，其應用側的安全管理手段可以配合網絡層及加密算法，實現整個應用的整體安全。VDzednc

LoRa產品研發和供應

在中國使用的LoRa晶片是由Semtech (International) AG研發和供應的。Semtech (International) AG是一家瑞士公司，總部位於瑞士拉珀斯維爾。VDzednc

LoRa晶片的製造、組裝和代理分銷是在亞洲地區進行的。VDzednc

此外，Semtech (International) AG已將其LoRa技術的某些製造權授權給了歐洲和亞洲的某些半導體公司。這些公司已在銷售基於LoRa晶片作為系統集成電路封裝的一部分（通常稱為"SiP"）和基於LoRa技術的集成晶片，從而實現了LoRa晶片供應的多元化。VDzednc

總結

綜上，LoRa符合中國工信部公告52號的所有要求：VDzednc

• 限在建築樓宇、住宅小區及村莊等小範圍內組網應用；
• 任意時刻限單個信道發射；
• 民用計量設備應具有防幹擾功能；
• 避免幹擾當地的廣播電臺和電視臺；
• 符合發射功率限值和發射功率頻譜密度限值；
• 單次發射持續時間不超過1秒；
• 佔用帶寬不大於500kHz。

LoRa很安全。對於物理層，LoRa CSS技術可以在噪聲以下20dB進行解調，普通設備很難檢測和幹擾LoRa信號。對於網絡層，LoRa是在本地收集、處理和存儲數據。數據受網絡所有者的完全控制，不會離開私有的網絡。對於應用層，應用層安全管理可以與網絡層配合以實現應用層的整體安全性。對於使用LoRaWAN協議的中國客戶，LoRaWAN協議通過在網絡層和應用層進行加密，提供了強大的端到端安全性。VDzednc

參考資料

1. 中華人民共和國工業和信息化部公告2019年第52號

http://www.miit.gov.cn/n1146295/n1652858/n1652930/n4509607/c7545828/content.htmlVDzednc

2. 工信部2019年52號附件-微功率短距離無線電發射

http://www.miit.gov.cn/n1146295/n1652858/n1652930/n4509607/c7545828/part/7545929.pdfVDzednc

3. 《中華人民共和國工業和信息化部公告2019年第52號》解讀

http://www.srrc.org.cn/article23976.aspxVDzednc

4. 微功率（短距離）無線電設備的技術要求 - 信部無[2005]423號

http://www.miit.gov.cn/n1146295/n1146592/n3917132/n4062354/n4062391/n4062397/n4062399/c4148119/content.htmlVDzednc