主題為“自組、安全、可控”的2020 LoRa創(chuàng)新應(yīng)用論壇在深圳召開(kāi)，作為L(zhǎng)oRa技術(shù)的創(chuàng)建者、LoRa芯片及先進(jìn)算法的供應(yīng)商Semtech Corporation（以下簡(jiǎn)稱“Semtech”）在論壇上介紹了LoRa技術(shù)特色及生態(tài)建設(shè)方面的最新進(jìn)展，而在會(huì)后的專訪環(huán)節(jié)，Semtech更是首次向包括芯智訊在內(nèi)的媒體回應(yīng)了去年工信部第52號(hào)公告對(duì)于LoRa的影響。

一、什么是LoRa？

LoRa（Long Range Radio）是由Semtech公司創(chuàng)建的一個(gè)物理層的無(wú)線數(shù)字通信調(diào)制技術(shù)，稱為擴(kuò)頻連續(xù)調(diào)頻調(diào)制技術(shù)（ Chirp Modulation ），它最大特點(diǎn)是遠(yuǎn)距離、低功耗、多節(jié)點(diǎn)、抗干擾、低速率、低成本，是目前在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的一種遠(yuǎn)距離、低功耗無(wú)線傳輸技術(shù)。

具體特性如下：

傳輸距離：空曠的地方最高可達(dá)20Km 。

工作頻率：ISM 頻段 包括433、868、915 MH等；

標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.15.4g；

調(diào)制方式：基于擴(kuò)頻技術(shù)，線性調(diào)制擴(kuò)頻（CSS）的一個(gè)變種，具有前向糾錯(cuò)（FEC）能力，是Semtech公司私有專利技術(shù)；

容量：一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)可以連接上千上萬(wàn)個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)；

電池壽命：長(zhǎng)達(dá)10年；

安全：AES128加密；

傳輸速率：0.3-50Kbps。

不過(guò)，LoRa只是一個(gè)物理層的調(diào)制技術(shù)，現(xiàn)在市面上的所有LoRa芯片，也只是完成簡(jiǎn)單的物理層工作，其組網(wǎng)方式可以根據(jù)不同的應(yīng)用和需求而選擇不同。實(shí)際應(yīng)用中常見(jiàn)有：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、星狀、樹(shù)狀、網(wǎng)狀、Mesh等多種組網(wǎng)形式。而市場(chǎng)上Wi-Fi、2G、3G、NB-IoT等其他芯片，都是帶有自身協(xié)議棧的，下圖為OSI模型中的網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈路層 物理層。

LoRaWAN則基于LoRa遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一套通訊協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)，通常大型物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集才需要用到。在國(guó)外，主要是一些運(yùn)營(yíng)商使用LoRaWAN，而國(guó)內(nèi)LoRa的主要應(yīng)用為私有網(wǎng)和專有網(wǎng)，被稱之為“長(zhǎng)Wi-Fi”，使用方式和Wi-Fi完全相同。對(duì)比Wi-Fi，LoRa具有工作距離遠(yuǎn)、功耗低、傳輸速率低等特點(diǎn)。

LoRa的網(wǎng)絡(luò)具有靈活性和便利性：按需部署，根據(jù)應(yīng)用需要，規(guī)劃和部署網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，針對(duì)終端位置，合理部署網(wǎng)關(guān)和終端設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展十分簡(jiǎn)單，根據(jù)節(jié)點(diǎn)規(guī)模的變化，隨時(shí)對(duì)覆蓋進(jìn)行增強(qiáng)或擴(kuò)展。

同時(shí)LoRa可以獨(dú)立組網(wǎng)：個(gè)人、企業(yè)或機(jī)構(gòu)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(yīng)用都是區(qū)域性的，小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)即可解決問(wèn)題。區(qū)域性的局域網(wǎng)絡(luò)是公網(wǎng)有效且必要的補(bǔ)充。

二、工信部第52號(hào)公告到底有何影響？

2019年11月28日，工信部發(fā)布了2019年第52號(hào)公告，進(jìn)一步規(guī)范了微功率短距離無(wú)線電發(fā)射設(shè)備的諸多事項(xiàng)。在該公告發(fā)布之后，有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，根據(jù)新規(guī)，低功耗、遠(yuǎn)距離的局域網(wǎng)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)LoRa因?yàn)樾乱?guī)的一些限制，恐怕是要涼涼了。而另一部人則認(rèn)為，國(guó)內(nèi)LoRa非但沒(méi)有受到限制，反而新規(guī)肯定了LoRa可以用于無(wú)線組網(wǎng)，使得Lora在國(guó)內(nèi)的發(fā)展有法可依，有規(guī)可循，對(duì)LoRa是利好。那么工信部的這個(gè)新規(guī)到底對(duì)于LoRa到底是利好還是利空呢？

1、“限在建筑樓宇、住宅小區(qū)及村莊等小范圍內(nèi)組網(wǎng)應(yīng)用”

LoRa被歸類為L(zhǎng)PWAN的一種傳輸方式，在空曠地上可實(shí)現(xiàn)1~10Km的傳輸距離。根據(jù)52號(hào)公告規(guī)定，在470 – 510MHz 使用頻率，LoRa的長(zhǎng)距離特性將會(huì)被限制在一定范圍內(nèi)應(yīng)用，也就是說(shuō)在這段頻率LoRa不會(huì)在中國(guó)進(jìn)行運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)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(gè)LoRa小網(wǎng)，連接成互聯(lián)互通的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

△LoRa在小范圍內(nèi)與公網(wǎng)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

此公告的技術(shù)指標(biāo)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(yīng)用于建筑樓宇，智能工地管理系統(tǒng)應(yīng)用于住宅小區(qū)，智能家居應(yīng)用于建筑樓宇，智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用于村莊，LoRa均符合該條規(guī)定。

2、“任意時(shí)刻限單個(gè)信道發(fā)射”

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

3、“民用計(jì)量?jī)x表設(shè)備應(yīng)當(dāng)具備“發(fā)射前搜尋”等干擾規(guī)避功能，且不能被用戶調(diào)整或關(guān)閉”

Semtech的LoRa芯片本身已提供信道檢測(cè)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(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)LoRa芯片都具有跳頻功能，也可以通過(guò)跳頻的方式進(jìn)行干擾規(guī)避。 除此之外，LoRa網(wǎng)關(guān)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(yīng)用需求本身出發(fā)，絕大多數(shù)應(yīng)用都希望通過(guò)“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(yīng)被視為限制條件。

4、“若使用頻率與當(dāng)?shù)芈曇簟㈦娨晱V播電臺(tái)頻率相同時(shí)，不得在當(dāng)?shù)厥褂?；若?duì)當(dāng)?shù)芈曇簟㈦娨晱V播接收產(chǎn)生干擾時(shí)，應(yīng)立即停止使用，待消除干擾或調(diào)整到無(wú)干擾頻率后方可重新使用。”

此要求適用于所有微功率設(shè)備，52號(hào)公告第三點(diǎn)明確定義了在ISM頻段下各設(shè)備合理使用頻帶資源的規(guī)定。由于各個(gè)地方的電視廣播電臺(tái)等頻率基本固定不變，只要部署使用時(shí)避開(kāi)該類頻率，即可滿足公告要求。

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(hào)前檢測(cè)當(dāng)前頻率是否有當(dāng)?shù)貜V播信號(hào)，如發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)貜V播信號(hào)則進(jìn)行跳頻處理。

針對(duì)中國(guó)的具體國(guó)情，LoRa聯(lián)盟提出來(lái)多組通信信道的標(biāo)準(zhǔn)，可以根據(jù)當(dāng)?shù)貜V播電臺(tái)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）?！?/p>

在建筑樓宇、住宅小區(qū)等范圍內(nèi)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(nèi)智慧農(nóng)業(yè)類的應(yīng)用，由于村莊較空曠，信號(hào)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(dāng)于50mW輸出功率連接2dBi的天線。由于現(xiàn)在室內(nèi)應(yīng)用中的節(jié)點(diǎn)尺寸都比較小，許多小尺寸天線增益都是-3dBi左右，此時(shí)LoRa節(jié)點(diǎn)的輸出功率可以達(dá)到22dBm，依然符合上述規(guī)范。

6、“單次發(fā)射持續(xù)時(shí)間：不超過(guò) 1 秒。”

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

LoRa擴(kuò)頻因子與載荷規(guī)范表 （“B”- 字節(jié)）

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(shí)間和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度關(guān)系（單位：ms）。

在Bandwidth=125kHz，Preamble=8，Coding rate =4/5的設(shè)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(shí)雖然發(fā)射時(shí)間較長(zhǎng)、但依然可以在《1s的限制內(nèi)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(zhǎng)的數(shù)據(jù)包。

總的來(lái)說(shuō)，LoRa是一種窄帶技術(shù)，如：智能家居、智能小區(qū)等應(yīng)用不管從應(yīng)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(shí)間不會(huì)超過(guò)1s。一般在智能樓宇和智能家居應(yīng)用中，使用的是SF7 125kHz的設(shè)置，此時(shí)一般一個(gè)通訊包的飛行時(shí)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(shè)置。

小結(jié)：52號(hào)公告對(duì)于LoRa生態(tài)在中國(guó)發(fā)展的幫助：

該公告規(guī)范了LoRa技術(shù)參數(shù)，對(duì)LoRa技術(shù)的長(zhǎng)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(chǎng)行為提供依據(jù)，確定合法的邊界，降低企業(yè)違法風(fēng)險(xiǎn)；

本次公告是對(duì)微功率設(shè)備生產(chǎn)、進(jìn)口、銷售和使用各方面進(jìn)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(gè)定心丸，不論是對(duì)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(kāi)展業(yè)務(wù)。

三、LoRa生態(tài)加速發(fā)展

據(jù)Semtech LoRa及物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)部副總裁Marc Pegulu介紹，目前，全球已部署 80 多萬(wàn)個(gè)基于 LoRa 的網(wǎng)關(guān)，其中基于 LoRa 的終端節(jié)點(diǎn)超過(guò) 1.45 億個(gè)；已有157個(gè)國(guó)家和地區(qū)部署了 LoRa 或 LoRaWAN。從LoRa聯(lián)盟的會(huì)員數(shù)量可以看出從事LoRa產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的公司數(shù)量也在迅速增長(zhǎng)。LoRa聯(lián)盟現(xiàn)有約500個(gè)會(huì)員，其中許多來(lái)自中國(guó)，例如阿里巴巴和騰訊。預(yù)計(jì)到 2023 年，43% 的 LPWAN 物聯(lián)網(wǎng)解決方案將基于 LoRa。

△LoRa全球生態(tài)

Semtech市場(chǎng)戰(zhàn)略總結(jié)甘泉也表示，在去年中國(guó)工信部第52號(hào)公告發(fā)布之后，國(guó)內(nèi)的LoRa發(fā)展也開(kāi)始提速，目前中國(guó)的LoRa生態(tài)已經(jīng)匯聚了一大批的知名廠商。

LoRa在全球范圍持續(xù)高速增長(zhǎng)，截至2020年1月，LoRa的連接節(jié)點(diǎn)超過(guò)了1.45億個(gè)。

四、打造自組、安全、可控的LoRa網(wǎng)

“自組、安全、可控”是此次2020 LoRa創(chuàng)新應(yīng)用論壇的主題。那么LoRa是如何來(lái)實(shí)現(xiàn)“自組、安全、可控”的呢？

1、自組

LoRa本身就是一項(xiàng)遠(yuǎn)距離、低功耗的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，并且在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用也大都已經(jīng)獲得了授權(quán)頻段，用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行規(guī)劃和部署網(wǎng)絡(luò)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，針對(duì)終端位置，合理部署基站。在靈活性和便利性方面，LoRa網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展十分簡(jiǎn)單，可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)規(guī)模的變化，隨時(shí)對(duì)覆蓋進(jìn)行增強(qiáng)或擴(kuò)展。同時(shí)也可以構(gòu)建靈活的商業(yè)模式。另外，根據(jù)工信部的第52號(hào)公告，符合該公告技術(shù)要求的微功率短距離無(wú)線電設(shè)備，不需要去無(wú)委會(huì)做型號(hào)核準(zhǔn)。這也意味著LoRa網(wǎng)絡(luò)的部署將非常自由。

2、安全

技術(shù)分析一個(gè)數(shù)據(jù)是否安全，可以通過(guò)射頻物理層、數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程、安全加密方算法、應(yīng)用層四個(gè)方面進(jìn)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(hào)的隱蔽性強(qiáng)。隱蔽性強(qiáng)又叫做可檢性低（LPI---Low Probability of Intercept），即不容易被偵破，對(duì)各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小 。如下圖所示，擴(kuò)頻前數(shù)據(jù)高于噪聲基底，其信號(hào)非常容易被檢測(cè)。當(dāng)信號(hào)被擴(kuò)頻后，信號(hào)完全在噪聲基底之下，無(wú)法通過(guò)能量強(qiáng)度檢測(cè)出來(lái)。這也是軍工、通訊等行業(yè)一直使用擴(kuò)頻技術(shù)作為通信手段的原因。

△擴(kuò)頻技術(shù)隱蔽性分析

由于與通信數(shù)率相比，擴(kuò)頻信號(hào)在相對(duì)較寬的頻帶上被擴(kuò)展了，單位頻帶內(nèi)的功率很小，信號(hào)湮沒(méi)在噪聲里，一般不容易被發(fā)現(xiàn)，隱蔽性較好。再者，由于擴(kuò)頻信號(hào)具有很低的功率譜密度，它對(duì)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(shù)也繼承了擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，一般設(shè)備很難偵破和干擾到LoRa信號(hào)。

在所有的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)中，LoRa技術(shù)可以在噪聲下20dB解調(diào)，而其它的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)必須高于噪聲一定強(qiáng)度才能實(shí)現(xiàn)解調(diào)。這也使得普通設(shè)備很難檢測(cè)和干擾LoRa信號(hào)。

△LoRa調(diào)制抗造特性

其它物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的波形可以被頻譜儀等設(shè)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(shù)具有較好的隱蔽性和抗干擾特性，具有較強(qiáng)的物理層安全特性。

在網(wǎng)絡(luò)層的安全性方面，從數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程來(lái)分析，使用公網(wǎng)技術(shù)的終端設(shè)備的數(shù)據(jù)需要先到傳輸達(dá)基站，再到達(dá)移動(dòng)交換中心，最后到達(dá)運(yùn)營(yíng)商的云端，之后才將最終的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給客戶應(yīng)用端或客戶的云端。但是，數(shù)據(jù)傳輸越遠(yuǎn)，中轉(zhuǎn)次數(shù)越多，安全風(fēng)險(xiǎn)也就越高。而LoRa網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)是在本地收集，處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，不需要先將數(shù)據(jù)送到運(yùn)營(yíng)商云端便可直接發(fā)到客戶端。數(shù)據(jù)受網(wǎng)絡(luò)所有者的完全控制，不會(huì)離開(kāi)私有/專有的網(wǎng)絡(luò)。

在安全加密方算法方面，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)技術(shù)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?yàn)楣W(wǎng)的普遍性，無(wú)法針對(duì)安全做太多的定制服務(wù)，其必須在安全和性能之間做平衡。而私有網(wǎng)絡(luò)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(shù)只是一個(gè)物理層的透?jìng)骷夹g(shù)，用戶可以在其網(wǎng)絡(luò)層鏈路層架設(shè)自己的安全引擎，可以進(jìn)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。

在應(yīng)用層的安全性方面，用戶可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求進(jìn)行加密，由于LoRa在組網(wǎng)上具有很強(qiáng)的靈活性，其應(yīng)用側(cè)的安全管理手段可以配合網(wǎng)絡(luò)層及加密算法，實(shí)現(xiàn)整個(gè)應(yīng)用的整體安全。

3、可控

Semtech所指的“可控”，主要指的是LoRa在覆蓋范圍、功耗、電池使用壽命、成本和供應(yīng)鏈上的可控。

特別需要指出的是，LoRa芯片在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中處于基礎(chǔ)核心地位。而作為掌握著LoRa底層技術(shù)的核心的Semtech Corporation則是一家美國(guó)公司，在當(dāng)前的中美關(guān)系之下，也引發(fā)了很多人對(duì)于供應(yīng)鏈安全可控的擔(dān)憂。不過(guò)，據(jù)Semtech市場(chǎng)戰(zhàn)略總結(jié)甘泉介紹，在中國(guó)使用的LoRa芯片實(shí)際上是由Semtech Corporation位于瑞士的子公司Semtech （International） AG 研發(fā)和供應(yīng)的， 而且LoRa芯片的制造、組裝和代理分銷是在亞洲地區(qū)（如中國(guó)臺(tái)灣、馬來(lái)西亞、中國(guó)大陸）進(jìn)行的。因此不會(huì)出現(xiàn)大家擔(dān)心的受制于美國(guó)的問(wèn)題。

此外，Semtech （International） AG已將其LoRa技術(shù)的某些制造權(quán)授權(quán)給了歐洲和亞洲的某些半導(dǎo)體公司，具體的合作形式有兩種，一種是獲得Semtech LoRa芯片IP授權(quán)的半導(dǎo)體公司，他們可以在此基礎(chǔ)上添加相關(guān)模塊，設(shè)計(jì)出自己的芯片；第二種是直接采用Semtech提供的晶圓做SIP級(jí)芯片的廠商，包括微芯科技（Microchip）等。這兩種形式的對(duì)外合作，也使得LoRa芯片供應(yīng)實(shí)現(xiàn)了多元化。
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