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论52号公告对LoRa的影响

2020-01-17 09:36 枫枫、疯名扬

导读:从52号公告的政策解读中可知,微功率设备种类较多(从《微功率短距离无线电发射设备目录和技术要求》中可以看到微功率设备分14类),因此52号公告并非针对使用LoRa技术的设备。同时数十年前已对微功率设备开始规范管理,并非由于近年来LoRa技术的发展才有类似的政策规定。

从52号公告的政策解读中可知,微功率设备种类较多(从《微功率短距离无线电发射设备目录和技术要求》中可以看到微功率设备分14类),因此52号公告并非针对使用LoRa技术的设备。同时数十年前已对微功率设备开始规范管理,并非由于近年来LoRa技术的发展才有类似的政策规定。

PART/前言

2019年11月28日,工信部发布了《中华人民共和国工业和信息化部公告2019年第52号》(以下简称“52号公告”)(参考资料1),该公告进一步规范微功率短距离无线电发射设备(以下简称“微功率设备”)的管理。这一公告毫无悬念引起业界热议,不少人认为这对LoRa发展不利,甚至将导致LoRa“凉凉”。对此,本文将从法规面及未来发展方向说明此文件对LoRa发展的影响。

首先,52号公告并非针对LoRa,规范的是微功率设备,涵盖的频率范围从低于10kHz到2.4G,并非针对LoRa,而是LoRa在快三投注平台使用到的470 – 510 MHz(另外也有LoRa运行在2.4G频段)技术也包含在此范围。

从52号公告的政策解读中可知,微功率设备种类较多(从《微功率短距离无线电发射设备目录和技术要求》中可以看到微功率设备分14类),因此52号公告并非针对使用LoRa技术的设备。同时数十年前已对微功率设备开始规范管理,并非由于近年来LoRa技术的发展才有类似的政策规定。

其次,仔细查阅针对频率范围在470-510MHz的详细规范并加以解释(参考资料2),ISM(Industrial, Scientific, Medical Band)的民用计量仪表本来就应该不干扰声音、电视广播,与其他微功率设备合理共享非授权频段。

图 1 《微功率短距离无线电发射设备目录和技术要求》节选

PART/对52号公告的理解

仔细斟酌文字中的意义:

1、“限在建筑楼宇、住宅小区及村庄等小范围内组网应用”

LoRa被归类为LPWAN的一种传输方式,在空旷地上可实现1~10KM(参考资料6)的传输距离。根据52号公告规定,LoRa的长距离特性将会被限制在村庄范围内应用,也就是网上很多人说LoRa被限制了(长距离、广覆盖特性)。WAN的功能可能未来会被NB-IoT或5G等使用授权频段的电信运营商主宰。私企想利用LoRa成为快三投注平台WAN运营商的梦想,已被52号公告明白否决,而在浪客剑的文章表述(参考资料6),在国外则仍存在应用运营的机会(见表1)。即使如此,LoRa仍可借由和其他通信方式(如4G等)接入互联网,将多个LoRa小网,联结成互联互通的物联网应用。(见图2)。

表1 全球主要的区域参数

图2 网络结构示意图

此公告的技术指标明确要求可使用的区域范围(如智能制造管理系统解决方案应用于建筑楼宇,智能工地管理系统应用于住宅小区,智能家居应用于建筑楼宇,智慧农业应用于村庄)均符合该条规定。

2、“任意时刻限单个信道发射”

目前引领LoRa技术的Semtech的网关芯片SX13xx系列、终端芯片SX12xx系列都不支持在多个信道同时发送数据,因此,从芯片功能上符合任意时刻限单个信道发射规定。

3、“民用计量仪表设备应当具备“发射前搜寻”等干扰规避功能,且不能被用户调整或关闭”

Semtech的LoRa芯片本身已提供CAD(Channel Activity Detection)功能,已经很好地提供了“发射前搜寻”等干扰规避功能的技术基础。另外,“发射前搜寻”等干扰规避功能一方面可以降低数据碰撞概率,提高通信系统的可靠性。另一方面碰撞概率降低可以减少重传的概率,从而降低功耗。从应用需求本身出发,绝大多数应用都希望通过“发射前搜索”等干扰规避功能提高系统的性能,因此这条规定不应被视为限制条件。

4、“若使用频率与当地声音、电视广播电台频率相同时,不得在当地使用;若对当地声音、电视广播接收产生干扰时,应立即停止使用,待消除干扰或调整到无干扰频率后方可重新使用。”

此要求适用于所有微功率设备,52号公告第三点明确定义了在ISM频段下各设备合理使用频带资源的规定(见图3)。由于各个地方的电视广播电台等频率基本固定不变,只要部署使用时避开该类频率,即可满足公告要求。

图3 52号公告节选

LoRaWAN为公平合理分享频带资源,规定了发射占空比小于1%,LBT(listen before talk)避免碰撞,具体符合52号公告第三点的要求。

5、“发射功率限值:50mW(e.r.p)。发射功率谱密度限值:占用带宽小于等于200kHz的,为50mW/200kHz(e.r.p);占用带宽200-500kHz的,为 10mW/100kHz(e.r.p)。”

在建筑楼宇、住宅小区等范围内组网,由于距离较短,即使发送功率较低,依然能满足通信需求。如果是在村庄范围内智慧农业类的应用,由于村庄较空旷,信号衰减比较不明显,即使较低的发射功率,依然能覆盖较大范围。

6、“单次发射持续时间:不超过 1 秒。”

LoRa的扩频因子参数,具有小的扩频因子其数据速率较快,大的扩频因子抗干扰能力越强的特性。LoRaWAN规定各扩频因子和对应的数据载荷如表2:

表2 LoRaWAN数据载荷

以LoRaWAN常用的参数(Bandwidth=125kHz,Preamble=8,Coding rate =4/5)下的一组理论发射时间和数据长度关系(单位:ms)

表3 发射时间-数据载荷

从表3可以看出,在Bandwidth=125kHz,Preamble=8,Coding rate =4/5的设置下,传输100Bytes数据分别使用169.22ms、297.47ms、533.5ms、985.09ms,均小于1s的限制。在SF11、SF12时虽然发射时间较长、但依然可以在<1s的限制内传输较短的数据包,而且如果更改bandwidth等参数,可以使用SF12传输更长的数据包。LoRa是一种窄带技术,像智能家居、智能小区等应用不管从应用需求或功耗需求都要求传输尽可能少的数据量,因此单次发射持续时间很少会超过1s。

7、“占用带宽:不大于500kHz”

目前LoRa芯片支持的最大带宽为500kHz,满足该条规定。

PART/LoRa未来可能的发展方向

综合以上对52号公告技术参数的规范,LoRa在快三投注平台未来可能的发展:

1.LoRaWAN协议仍可适用,但区域参数(regional parameter)需要合理修订,符合1秒传输时间下,数据长度变更小,发射功率也变更小;

2.LoRa除了应用于LPWAN(Low Power Wide Area Network)外,会增加LAN(Local Area Network)应用,增加更多的室内应用场景;

3.由于LoRa可自组网,可很好地覆盖建筑角落、地下室等盲区、同时这些解决方案的成本较低;

4.由于52号公告将LoRa限制在小范围内组网,因此一定程度降低协议通用性的必要性,更多投入LoRa私有协议研发,只要符合工信部要求即可;

5.与现有PAN(Personal Area Network)、LAN传输技术产生竞争或互补关系。

LoRa少了传输距离优势,据Semtech数据手册,LoRa接收灵敏度(-148 dBm)和低功耗特点(休眠下0.2 uA)(见表4、表5)在微功率设备群里仍具优势。赵小飞撰文,回击“LoRa凉凉论”,工信部监管政策最强详细解读!,(参考资料 5)提到LoRa 2.0概念,也呼应上述第2点LoRa在快三投注平台未来发展可能方向。

表4 接收灵敏度

表5 功耗

通信系统性能的评估指标可从有效性和可靠性两方面来考虑(见图5)。

图4 通信系统性能指标

主要的物联网传输技术的关键性能比较见表6:

表6 主要的物联网技术的关键性能

从图4和表6中可看出,各种物联网的数据传输技术均有其特点及相应的使用场景,LoRa具有低功耗、信道容量大、抗干扰、带宽窄等优势。即使在距离上被限制了,在微功率设备群里仍有其不可替代的一席之地。

PART/对网上观点的看法

现网络上的一些文章认为52号文件的发布将导致LoRa“凉凉”,这种说法并不正确。

1、新公告将导致符合原标准的产品要停止生产和进口?

52号公告指出,“自2022年1月1日起,停止生产或者进口不符合本公告但符合《关于发布<微功率(短距离)无线电设备的技术要求>的通知》(信部无〔2005〕423号)规定的民用计量仪表、模拟式无绳电话机和698-787MHz频段的微功率设备。”

因此有人说原来符合(信部无〔2005〕423号)要求的,包括470-510MHz频段内的LoRa设备将要停止生产和进口。但仔细比对52号公告和423号公告,其中涉及470MHz-510MHz的技术要求并非完全不同,虽然看起来限制增加了,比如:从原来的“发射机工作时间不超过5秒”变成“单次发射持续时间:不超过1秒”。但从实际应用上讲,大部分使用LoRa技术的应用,发射时间都不超过1s,并且处于功耗、数据碰撞等方面性能考虑,发射时间越短越好,因此大多数设备不会受到此限制;此外带宽方面,423号公告规定“占用带宽:不大于200kHz”,而52号公告规定“占用带宽:不大于500kHz”。因此新的公告并非完全对以前的技术要求加强限制,甚至将个别指标放宽。

2、发射时间<1s,LoRa的优势将不复存在?

对于发射时间小于1s的限制,网络上一些文章认为该条限制将导致LoRa丧失扩频技术的优势。但仔细看其推论的过程,“以105个字节的数据尺寸为例,如果同时又限制了带宽低于200kHz,就只有BW125,SF7~9可以选择”,这样的假设是对于LoRa技术的不合理利用。首先,带宽低于200kHz的条件完全是假设出来的,而且对于大多数应用来说,数据包长不需要105个字节甚至更小。LoRa有众多可配置的参数以适用于不同的需求,只要理解并合理设置,LoRa的优势便可展现。

3、传输距离将只有100~200米?

对于传输距离,有人用以下的数据作为依据,认为“如果扩频因子限制在SF7~9的范围,要保证90%以上的传输正确率,可能只有100~200米的传输距离甚至更差!”。

图5 扩频因子与距离的关系

(注:以上图片来自参考资料6)

从上表可以看出,在视距(Line-of-Sight)环境中,不管使用哪种扩频因子,保证90%以上的传输正确率的前提下,其传输范围均可接近甚至超过5公里。虽然非视距(Non-Line-of-Sight)环境中要保证较高的传输正确率,传输范围会缩减,但如果在有遮挡的环境中使用SF7~9的扩频因子,LoRa扩频抗干扰能力不如使用SF10~12的扩频因子,所以非视距参数设置是不合理的。若环境比较恶劣,其它物联网数据传输技术的性能同样会受到很大影响。从无线通信学理上,相同环境下,频率越高,信号衰减越严重,在快三投注平台LoRa的工作频率主要为470MHz-510MHz,若由于环境造成LoRa的传输距离缩短,那么工作在高于510MHz的技术所受影响必然会更大。

4、LoRa将完败于其它物联网技术?

除了LoRa具体技术上的性能外,有人认为在小范围组网的限制下,LoRa与其它无线技术相比,无论在带宽、实时性、双向控制都不占优,这是不合理的结论。首先,LoRa组网成本低、在覆盖盲区方面有着独特的优势。此外,即使距离受限,LoRa抗多径衰落、低功耗等优势也不会被抹杀。根据学术机构(参考资料7)中提到“LoRa是基于线性调频扩频技术(CSS)的一种调制方案,通过产生频率线性变化的调制信号来实现频率的扩展、并结合前向纠错(FEC)来实现远距离低功耗通信。此外LoRa的调制方案还有效地解决了无线通信系统中常见的多径衰落和多普勒频移,并且利用正交的扩频序列提高了信道容量。

LoRa技术可在城市或郊区等应用场景中快速部署,且可以广泛地应用在数据吞吐量低的物联网中,如M2M、工业物联网、农业物联网、智能电表应用、土木工程和基础设施的监测、环境监测等。在智能工厂的应用中,机器设备监控、产品质量自动检测、物料追溯等工作都需要高可靠性的网络将设备连接起来,通过智能工厂与LoRa技术结合起来将有效地拓展智能工厂的信息采集能力,进一步提升工厂生产管理效率和管理产品生命周期的能力。” 因此LoRa有着绝不会因为52号公告对LoRa的一些小限制而失去所有优势及适用的场景。

5、使用LoRa将有可能受制于人?

有人认为目前美国Semtech公司是LoRa芯片的核心供应商,掌握着LoRa底层技术的核心专利,一旦发生类似美国针对中兴、华为那样的事件,国内的LoRa也必然将受制于人。其实,早在2018年,Semtech已开始向国内企业IP授权(见图6)。

图6 Semtech向国内厂家开放IP授权

参考资料:

1.中华人民共和国工业和信息化部公告2019年第52号

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

2.工信部2019年52号附件-微功率短距离无线电发射

3.中华人民共和国工业和信息化部公告2019年 第52号》解读

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

4.微功率(短距离)无线电设备的技术要求 -信部无[2005]423 号

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

5.回击“LoRa凉凉论”,工信部监管政策最强详细解读!-赵小飞 物联网智库

https://mp.weixin.qq.com/s/FkEoIBTPrAxUTy-KXgpqmw

6.工信部新规落地,对LoRa到底是利好还是利空?- 芯智讯-浪客剑

https://mp.weixin.qq.com/s/QyfCN0umRimG0FmXLrAO_Q

7.LoRa传输技术特性分析

http://www.doc88.com/p-6877451403130.html