LoRa不符合工信部技術要求?

作者 : 趙明燦,EDN China

去年底,繼《中華人民共和國工業和資訊化部公告2019年第52號》進一步規範微功率短距離無線電發射設備管理的規範發佈後,有多家媒體揣測,這一規範是針對LoRa所制定,LoRa恐怕要完蛋了。在「2020 LoRa創新應用論壇」上,Semtech就此提出了解答。

LoRa是一種長距離、低功耗的無線射頻通訊技術,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(IoT)。去年底,繼《中華人民共和國工業和資訊化部公告2019年第52號》進一步規範微功率短距離無線電發射設備管理的規範發佈後,有多家媒體揣測,這一規範是針對LoRa所制定,LoRa恐怕要涼涼(編按:指完了、慘了、死了的意思)了。但時至今日,LoRa在中國卻始終處於迅速的發展中。

日前,在「2020 LoRa創新應用論壇」上,Semtech有多位主管就LoRa的一系列技術問題提出了解答,其中就包括了LoRa是否符合中國工信部第52號檔要求的關鍵問題。

LoRa是什麼?

據介紹,LoRa是一個實體層的無線數位通訊調變技術,稱為擴頻連續調頻調變技術(Chirp Modulation)。常見的無線數位通訊調變技術為FSK、ASK、PSK三種,營運商的NB-IoT、4G、5G,以及Wi-Fi、藍牙等,幾乎所有常見數位無線通訊技術的實體層都是採用FSK、ASK、PSK這三種調變技術進行通訊。

LoRa只是一個實體層的調變技術,現在市面上的所有LoRa晶片,也只是完成簡單的實體層工作。而市場上Wi-Fi、2G、3G、NB-IoT等其他晶片,都是帶有自身協定堆疊,圖1為OSI模型中的網路層+資料連結層+實體層。

圖1 OSI網路分層示意圖。

LoRa的組網方式為何?

LoRa只是實體層的一種調變技術,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。

如圖2所示,LoRa生態在國外主要是營運商使用的LPWAN技術的LoRaWAN,而中國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。

圖2 LoRa網路示意圖。

LoRa的網路具有靈活性和便利性:依需求部署,根據應用需要、規劃和部署網路;根據現場環境,針對終端位置,合理部署閘道和終端設備。網路的擴展十分簡單,根據節點規模的變化,隨時對覆蓋進行增強或擴展。

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、企業網或產業網(免授權頻段)。大多數物聯網應用都是區域性的,小規模網路即可解決問題,區域性的區域網路是公網有效且必要的補充。

LoRa的無線電規範要求

2019年11月28日,工信部發佈了《中華人民共和國工業和資訊化部公告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。

對52號公告的理解:

1.限在建築樓宇、住宅社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不會在中國進行營運商的網路覆蓋。但是如果有需要的話,LoRa仍可和其他通訊方式(如4G等)接入網際網路,將多個LoRa小網,連接成互連互通的物聯網應用(圖3)。

圖3 LoRa在小範圍內與公網結合的網路結構示意圖。

此公告的技術指標明確要求可使用的區域範圍(如智慧製造管理系統解決方案應用於建築樓宇,智慧工地管理系統應用於住宅社區,智慧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)。

2.任意時刻限單個通道發射

目前引領LoRa技術的Semtech所發佈的所有晶片都支援單個通道發送資料,因此,從晶片功能上符合任意時刻限單個通道發射規定。

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

Semtech的LoRa晶片本身已提供通道檢測(Channel Activity Detection,CAD)功能,已經很好地提供了「發射前搜尋」等干擾規避功能的技術基礎。同時LoRa晶片都具有跳頻功能,也可以透過跳頻的方式進行干擾規避。除此之外,LoRa閘道晶片還啟用彼此正交的通道和資料速率,在避免干擾方面提供了額外的強健性。

另外,「發射前搜尋」等干擾規避功能一方面可以降低資料碰撞概率,提高通訊系統的可靠性。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透過「發射前搜索」等干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。

4.若使用頻率與當地聲音、電視廣播電台頻率相同時,不得在當地使用;若對當地聲音、電視廣播接收產生干擾時,應立即停止使用,待消除干擾或調整到無干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(圖4)。由於各個地方的電視廣播電台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號公告節選。

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

針對中國的具體國情,LoRa聯盟提出來多組通訊通道的標準,可以根據當地廣播電台的固定頻率,選擇合適的通訊通道。

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

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

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。

6.單次發射持續時間:不超過1秒

LoRa的擴頻因數參數,具有小的擴頻因數其資料速率較快,大的擴頻因數抗干擾能力越強的特性。LoRa各擴頻因數和對應的資料載荷如表1所示。

表1 LoRa擴頻因數與載荷規範表(B指位元組)。

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資料長度關係(單位:ms)。

表2 發射時間(ms)-資料載荷(B為位元組)。

從表2可以看出,在Bandwidth=125kHz、Preamble=8、Coding rate=4/5的設置下,傳輸100Bytes資料分別使用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資料封包,而且如果更改bandwidth等參數,可以使用SF12傳輸更長的資料封包。LoRa是一種窄頻技術,如:智慧家居、智慧社區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資料量,因此單次發射持續時間不會超過1s。

一般在智慧樓宇和智慧家居應用中,使用的是SF7 125kHz的設置,此時一般一個通訊封包的飛行時間小於100mS。

7.佔用頻寬:不大於500kHz

LoRa晶片支援不大於500kHz限制的多種頻寬設置。

52號公告對於LoRa生態在中國發展的幫助:

  • 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,公告為規範產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,因此公告的正式發佈,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的通訊安全

從技術方面分析一個資料是否安全,可以透過射頻實體層、資料傳輸過程、安全加密方演算法、應用層四個方面進行分析。

從實體層分析,資料的安全性主要體現為該訊號的隱蔽性強。隱蔽性強又叫做可檢性低(Low Probability of Intercept,LPI),即不容易被偵破,對各種窄頻通訊系統的干擾很小。如圖5所示,擴頻前資料高於雜訊基底,其訊號非常容易被檢測。當訊號被擴頻後,訊號完全在雜訊基底之下,無法透過能量強度檢測出來。這也是軍工、通訊等產業一直使用擴頻技術作為通訊手段的原因。

圖5 擴頻技術隱蔽性分析。

由於與通訊速率相比,擴頻訊號在相對較寬的頻段上被擴展了,單位頻段內的功率很小,訊號淹沒在雜訊裡,一般不容易被發現,隱蔽性較好。再者,由於擴頻訊號具有很低的功率譜密度,它對使用的各種窄頻通訊系統的干擾很小。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干擾到LoRa訊號。

在所有的物聯網通訊技術中,LoRa技術可以在雜訊下20dB解調(圖6),而其他的物聯網通訊技術必須高於雜訊一定強度才能實現解調。

圖6 LoRa調變抗噪特性圖。

其他物聯網通訊技術的波形可以被頻譜分析儀等設備抓取。同樣,這些通訊資料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,具有較強的實體層安全特性。

從資料傳輸過程分析,使用公網技術的終端設備的資料先到達基地台,再到達行動交換中心,最後到達營運商的雲端,之後才將最終的資料轉發給客戶應用端或客戶的雲端,不需要先將資料送到營運商雲端便可直接發到用戶端。私網的LoRa資料直接在本地完成採集和運算,資料甚至不會離開這個園區的範圍。資料傳輸越遠,中轉次數越多,安全風險越高,而採用私網技術資料可以完全儲存在本地,資料始終掌握在自己手裡。許多政企的網路都是透過內網、外網隔離實現網路安全,如果採用私網可以直接對接原有政企的內網,安全等級非常高。從資料傳輸過程分析(網路層分析)LoRa私網/專網具有較高的安全特性。

從資料加密方法分析,行動蜂巢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制服務,其必須在安全和性能之間做平衡。而私有網路則完全不同,它們可以根據客戶的需求武裝成為「裝甲車」,資料的安全加密演算法可以盡其所能,為了安全可以犧牲資料率,也可以犧牲成本,這是公網所完全不具備的。LoRa技術只是一個實體層的透傳技術,使用者可以在其網路層鏈路層架設自己的安全引擎,可以進行最深度的定制,還可以加入硬體加密晶片,從資料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,使用者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路層及加密演算法,實現整個應用的整體安全。

總結

綜上,LoRa符合中國工信部公告52號的所有要求:

  • 限在建築樓宇、住宅社區及村莊等小範圍內組網應用;
  • 任意時刻限單個通道發射;
  • 民用計量設備應具有防干擾功能;
  • 避免干擾當地的廣播電台和電視台;
  • 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;
  • 佔用頻寬不大於500kHz。

LoRa很安全。對於實體層,LoRa CSS技術可以在雜訊以下20dB進行解調,普通設備很難檢測和干擾LoRa訊號。對於網路層,LoRa是在本地收集、處理和儲存資料。資料受網路所有者的完全控制,不會離開私有的網路。對於應用層,應用層安全管理可以與網路層配合以實現應用層的整體安全性。對於使用LoRaWAN協定的中國客戶,LoRaWAN協定透過在網路層和應用層進行加密,提供了強大的端到端安全性。

參考資料

1.中華人民共和國工業和資訊化部公告2019年第52號

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

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.pdf

3.中華人民共和國工業和資訊化部公告2019年 第52號》解讀

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

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.html

本文原刊登於EDN China網站

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