LoRa Q & A

介紹：

LoRa是一種長距離、低功耗的無線射頻通信技術，客戶可以使用非授權頻段架設、安全可控的私有物聯(lián)網(wǎng)。 LoRa在全球范圍持續(xù)高速增長，截至2020年1月，LoRa的連接節(jié)點超過了1.45億個。從LoRa聯(lián)盟的會員數(shù)量可以看出從事LoRa產(chǎn)品開發(fā)的公司數(shù)量也在迅速增長。LoRa聯(lián)盟現(xiàn)有約500個會員，其中許多來自中國，例如阿里巴巴和騰訊。

以下是本問答文檔中討論的LoRa在中國的關鍵要點：

LoRa符合中國工信部公告52號的所有要求：

√   限在建筑樓宇、住宅小區(qū)及村莊等小范圍內組網(wǎng)應用；

√   任意時刻限單個信道發(fā)射；

√   民用計量設備應具有防干擾功能；

√   避免干擾當?shù)氐膹V播電臺和電視臺；

√   符合發(fā)射功率限值和發(fā)射功率頻譜密度限值；

√   單次發(fā)射持續(xù)時間不超過1秒；

√   占用帶寬不大于500kHz。

LoRa很安全

物理層的安全性： 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干擾LoRa信號。

網(wǎng)絡層的安全性： 在本地收集，處理和存儲數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)受網(wǎng)絡所有者的完全控制，不會離開私有的網(wǎng)絡。

應用層的安全性： 根據(jù)應用層的要求進行加密。應用層安全管理可以與網(wǎng)絡層配合以實現(xiàn)應用層的整體安全性。對于使用LoRaWAN協(xié)議的中國客戶，LoRaWAN協(xié)議通過在網(wǎng)絡層和應用層進行加密，提供了強大的端到端安全性。

我們鼓勵中國開發(fā)LoRa產(chǎn)品的廠商遵守當?shù)匕踩ㄒ?guī)并實施安全方案來滿足客戶的需求。

LoRa 產(chǎn)品研發(fā)和供應

在中國使用的LoRa芯片是由Semtech (International) AG 研發(fā)和供應的。 Semtech (International) AG是一家瑞士公司。 LoRa芯片的制造、組裝和代理分銷是在亞洲地區(qū)進行的。

此外，Semtech (International) AG已將其LoRa技術的某些制造權授權給了歐洲和亞洲的某些半導體公司，從而實現(xiàn)了LoRa芯片供應的多元化。

問題1：LoRa是什么？

LoRa是一個物理層的無線數(shù)字通信調制技術，稱為擴頻連續(xù)調頻調制技術（ Chirp Modulation ）。常見的無線數(shù)字通信調制技術為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(shù)字無線通信技術的物理層都是采用FSK、ASK、PSK這三種調制技術進行通信的。

LoRa只是一個物理層的調制技術，現(xiàn)在市面上的所有LoRa芯片，也只是完成簡單的物理層工作。而市場上Wi-Fi、2G、3G、NB-IoT等其他芯片，都是帶有自身協(xié)議棧的，為圖1 OSI模型中的網(wǎng)絡層+數(shù)據(jù)鏈路層+物理層。

圖1 OSI網(wǎng)絡分層示意圖

問題2：LoRa的組網(wǎng)方式是什么？

LoRa只是物理層的一種調制技術，其組網(wǎng)方式可以根據(jù)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(wǎng)狀、Mesh等多種組網(wǎng)形式。

如圖2所示，LoRa生態(tài)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(wǎng)和專有網(wǎng)，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。

LoRa的網(wǎng)絡具有靈活性和便利性：按需部署，根據(jù)應用需要，規(guī)劃和部署網(wǎng)絡；根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，針對終端位置，合理部署網(wǎng)關和終端設備。網(wǎng)絡的擴展十分簡單，根據(jù)節(jié)點規(guī)模的變化，隨時對覆蓋進行增強或擴展。

同時LoRa可以獨立組網(wǎng)：個人、企業(yè)或機構均可部署私有/專有網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)或行業(yè)網(wǎng) (免License 頻段)。大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應用都是區(qū)域性的，小規(guī)模網(wǎng)絡即可解決問題。區(qū)域性的局域網(wǎng)絡是公網(wǎng)有效且必要的補充。

圖2 LoRa網(wǎng)絡示意圖

問題3：LoRa的無線電規(guī)范的無線電規(guī)范的無線電規(guī)范的無線電規(guī)范的無線電規(guī)范的無線電規(guī)范要求

2019年11月28日，工信部發(fā)布了《中華人民共和國工業(yè)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(guī)范微功率短距離無線電發(fā)射設備（以下簡稱“微功率設備”）的管理。 

對52號公告的理解：

1. “限在建筑樓宇、住宅小區(qū)及村莊等小范圍內組網(wǎng)應用”

LoRa被歸類為LPWAN的一種傳輸方式，在空曠地上可實現(xiàn)1~10KM的傳輸距離。根據(jù)52號公告規(guī)定，在470 – 510MHz 使用頻率，LoRa的長距離特性將會被限制在一定范圍內應用，也就是說在這段頻率LoRa不會在中國進行運營商的網(wǎng)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）接入互聯(lián)網(wǎng)，將多個LoRa小網(wǎng)，連接成互聯(lián)互通的物聯(lián)網(wǎng)應用。（見圖3）。

此公告的技術指標明確要求可使用的區(qū)域范圍（如智能制造管理系統(tǒng)解決方案應用于建筑樓宇，智能工地管理系統(tǒng)應用于住宅小區(qū)，智能家居應用于建筑樓宇，智慧農業(yè)應用于村莊, 均符合該條規(guī)定)。

圖3 LoRa在小范圍內與公網(wǎng)結合的網(wǎng)絡結構示意圖

2. “任意時刻限單個信道發(fā)射”

目前引領LoRa技術的Semtech公司所發(fā)布的所有芯片都支持單個信道發(fā)送數(shù)據(jù)，因此，從芯片功能上符合任意時刻限單個信道發(fā)射規(guī)定。

3. “民用計量儀表設備應當具備“發(fā)射前搜尋”等干擾規(guī)避功能，且不能被用戶調整或關閉”

Semtech的LoRa芯片本身已提供信道檢測功能（Channel Activity Detection，CAD）功能，已經(jīng)很好地提供了“發(fā)射前搜尋”等干擾規(guī)避功能的技術基礎。同時LoRa芯片都具有跳頻功能，也可以通過跳頻的方式進行干擾規(guī)避。 除此之外，LoRa網(wǎng)關芯片還啟用彼此正交的信道和數(shù)據(jù)速率， 在避免干擾方面提供了額外的魯棒性。

另外，“發(fā)射前搜尋”等干擾規(guī)避功能一方面可以降低數(shù)據(jù)碰撞概率，提高通信系統(tǒng)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(fā)，絕大多數(shù)應用都希望通過“發(fā)射前搜索”等干擾規(guī)避功能提高系統(tǒng)的性能，因此這條規(guī)定不應被視為限制條件。

4. “若使用頻率與當?shù)芈曇簟㈦娨晱V播電臺頻率相同時，不得在當?shù)厥褂?；若對當?shù)芈曇?、電視廣播接收產(chǎn)生干擾時，應立即停止使用，待消除干擾或調整到無干擾頻率后方可重新使用。”

此要求適用于所有微功率設備，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(guī)定（見圖4）。由于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。

圖4 52號公告節(jié)選

Semtech的LoRa芯片具有“發(fā)射前搜索”和跳頻的功能，可以在發(fā)射信號前檢測當前頻率是否有當?shù)貜V播信號，如發(fā)現(xiàn)當?shù)貜V播信號則進行跳頻處理。

針對中國的具體國情，LoRa聯(lián)盟提出來多組通信信道的標準，可以根據(jù)當?shù)貜V播電臺的固定頻率，選擇合適的通信信道。

5. “發(fā)射功率限值：50mW(e.r.p)。發(fā)射功率譜密度限值：占用帶寬小于等于200kHz的,為50mW/200kHz(e.r.p)；占用帶寬200-500kHz的，為 10mW/100kHz(e.r.p)。”

在建筑樓宇、住宅小區(qū)等范圍內組網(wǎng)，由于距離較短，即使發(fā)送功率較低，依然能滿足通信需求。如果是在村莊范圍內智慧農業(yè)類的應用，由于村莊較空曠，信號衰減比較不明顯，即使較低的發(fā)射功率，依然能覆蓋較大范圍。

E.R.P 50mW已經(jīng)是很大的輸出功率了，相當于50mW輸出功率連接2dBi的天線。由于現(xiàn)在室內應用中的節(jié)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(jié)點的輸出功率可以達到22dBm，依然符合上述規(guī)范。

6. “單次發(fā)射持續(xù)時間：不超過 1 秒?！?/strong>

LoRa的擴頻因子參數(shù)，具有小的擴頻因子其數(shù)據(jù)速率較快，大的擴頻因子抗干擾能力越強的特性。LoRa各擴頻因子和對應的數(shù)據(jù)載荷如表1：

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

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

一般在智能樓宇和智能家居應用中，使用的是SF7 125kHz的設置，此時一般一個通訊包的飛行時間小于100mS。

7. “占用帶寬：不大于500kHz”

LoRa芯片支持不大于500kHz限制的多種帶寬設置。

52號公告對于LoRa生態(tài)在中國發(fā)展的幫助：

●   該公告規(guī)范了LoRa技術參數(shù)，對LoRa技術的長期發(fā)展提供了良好的大環(huán)境；

●   有法可依，公告為規(guī)范行業(yè)市場行為提供依據(jù)，確定合法的邊界，降低企業(yè)違法風險；

●   本次公告是對微功率設備生產(chǎn)、進口、銷售和使用各方面進行了全面的規(guī)范，因此公告的正式發(fā)布，正是從政策層面給業(yè)界一個定心丸，不論是對于自身影響程度如何，各企業(yè)至少得到了合法和違法的確定性界定，那么就可以在合法范疇中開展業(yè)務。

圖5 擴頻技術隱蔽性分析

問題4：LoRa的通信安全

技術分析一個數(shù)據(jù)是否安全，可以通過射頻物理層、數(shù)據(jù)傳輸過程、安全加密方算法、應用層四個方面進行分析。

從物理層分析，數(shù)據(jù)的安全性主要體現(xiàn)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(tǒng)的干擾很小 。如圖5所示，擴頻前數(shù)據(jù)高于噪聲基底，其信號非常容易被檢測。當信號被擴頻后，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、通訊等行業(yè)一直使用擴頻技術作為通信手段的原因。

由于與通信數(shù)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，信號湮沒在噪聲里，一般不容易被發(fā)現(xiàn)，隱蔽性較好。再者，由于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(tǒng)的干擾很小。在安全性方面LoRa技術也繼承了擴頻技術的優(yōu)點，一般設備很難偵破和干擾到LoRa信號。

在所有的物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)通信技術必須高于噪聲一定強度才能實現(xiàn)解調。

其它物聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)也可能被干擾或偽造。而LoRa技術具有較好的隱蔽性和抗干擾特性，具有較強的物理層安全特性。

從數(shù)據(jù)傳輸過程分析，使用公網(wǎng)技術的終端設備的數(shù)據(jù)先到達基站，再到達移動交換中心，最后到達運營商的云端，之后才將最終的數(shù)據(jù)轉發(fā)給客戶應用端或客戶的云端。不需要先將數(shù)據(jù)送到運營商云端便可直接發(fā)到客戶端。私網(wǎng)的LoRa數(shù)據(jù)直接在本地完成采集和計算，數(shù)據(jù)甚至不會離開這個園區(qū)的范圍。數(shù)據(jù)傳輸越遠，中轉次數(shù)越多，安全風險越高，而采用私網(wǎng)技術數(shù)據(jù)可以完全存儲在本地，數(shù)據(jù)始終掌握在自己手里。許多政企的網(wǎng)絡都是通過內網(wǎng)、外網(wǎng)隔離實現(xiàn)網(wǎng)絡安全，如果采用私網(wǎng)可以直接對接原有政企的內網(wǎng)，安全級別非常高。從數(shù)據(jù)傳輸過程分析（網(wǎng)絡層分析）LoRa私網(wǎng)/專網(wǎng)具有較高的安全特性。

從數(shù)據(jù)加密方法分析，移動蜂窩網(wǎng)技術代表的公網(wǎng)為了方便和效率，采用相同的加密方法，因此容易被攻破。因為公網(wǎng)的普遍性，無法針對安全做太多的定制服務，其必須在安全和性能之間做平衡。而私有網(wǎng)絡則完全不同，它們可以根據(jù)客戶的需求武裝成為“裝甲車”，數(shù)據(jù)的安全加密算法可以盡其所能，為了安全可以犧牲數(shù)據(jù)率，也可以犧牲成本，這是公網(wǎng)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(wǎng)絡層鏈路層架設自己的安全引擎，可以進行最深度的定制，還可以加入硬加密芯片。從數(shù)據(jù)加密方法分析中可以看到LoRa的安全性可以得到有力保證。

從應用層分析，用戶可以根據(jù)實際的應用需求進行加密，由于LoRa在組網(wǎng)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(wǎng)絡層及加密算法，實現(xiàn)整個應用的整體安全。

圖6 LoRa調制抗造特性圖

問題5：LoRa產(chǎn)品研發(fā)和供應

在中國使用的LoRa芯片是由Semtech (International) AG 研發(fā)和供應的。 Semtech (International) AG 是一家瑞士公司，總部位于瑞士拉珀斯維爾。

LoRa芯片的制造、組裝和代理分銷是在亞洲地區(qū)進行的。

此外，Semtech (International) AG已將其LoRa技術的某些制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于LoRa芯片作為系統(tǒng)集成電路封裝的一部分（通常稱為"SiP"）和基于LoRa技術的集成芯片，從而實現(xiàn)了LoRa芯片供應的多元化。

參考資料：

1. 中華人民共和國工業(yè)和信息化部公告2019年第52號

2. 工信部2019年52號附件-微功率短距離無線電發(fā)射

3. 中華人民共和國工業(yè)和信息化部公告2019年 第52號》解讀

4. 微功率（短距離）無線電設備的技術要求 -信部無[2005]423 號