主題為“自組、安全、可控”的2020 LoRa創新應用論壇在深圳召開，作為LoRa技術的創建者、LoRa芯片及先進算法的供應商Semtech Corporation（以下簡稱“Semtech”）在論壇上介紹了LoRa技術特色及生態建設方面的最新進展，而在會后的專訪環節，Semtech更是首次向包括芯智訊在內的媒體回應了去年工信部第52號公告對于LoRa的影響。

一、什么是LoRa？

LoRa（Long Range Radio）是由Semtech公司創建的一個物理層的無線數字通信調制技術，稱為擴頻連續調頻調制技術（ Chirp Modulation ），它最大特點是遠距離、低功耗、多節點、抗干擾、低速率、低成本，是目前在物聯網領域應用較為廣泛的一種遠距離、低功耗無線傳輸技術。

具體特性如下：

傳輸距離：空曠的地方最高可達20Km 。

工作頻率：ISM 頻段 包括433、868、915 MH等；

標準：IEEE 802.15.4g；

調制方式：基于擴頻技術，線性調制擴頻（CSS）的一個變種，具有前向糾錯（FEC）能力，是Semtech公司私有專利技術；

容量：一個LoRa網關可以連接上千上萬個LoRa節點；

電池壽命：長達10年；

安全：AES128加密；

傳輸速率：0.3-50Kbps。

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

LoRaWAN則基于LoRa遠距離通信網絡設計的一套通訊協議和系統架構，通常大型物聯網網絡數據采集才需要用到。在國外，主要是一些運營商使用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。

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。

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。區域性的局域網絡是公網有效且必要的補充。

二、工信部第52號公告到底有何影響？

2019年11月28日，工信部發布了2019年第52號公告，進一步規范了微功率短距離無線電發射設備的諸多事項。在該公告發布之后，有業內人士認為，根據新規，低功耗、遠距離的局域網無線標準LoRa因為新規的一些限制，恐怕是要涼涼了。而另一部人則認為，國內LoRa非但沒有受到限制，反而新規肯定了LoRa可以用于無線組網，使得Lora在國內的發展有法可依，有規可循，對LoRa是利好。那么工信部的這個新規到底對于LoRa到底是利好還是利空呢？

1、“限在建筑樓宇、住宅小區及村莊等小范圍內組網應用”

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）接入互聯網，將多個LoRa小網，連接成互聯互通的物聯網應用。

△LoRa在小范圍內與公網結合的網絡結構示意

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

2、“任意時刻限單個信道發射”

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

3、“民用計量儀表設備應當具備“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芯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”等干擾規避功能的技術基礎。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避。 除此之外，LoRa網關芯片還啟用彼此正交的信道和數據速率， 在避免干擾方面提供了額外的魯棒性。

另外，“發射前搜尋”等干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?！?/p>

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定。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。

Semtech的LoRa芯片具有“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。

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。

5、“發射功率限值：50mW（e.r.p）。發射功率譜密度限值：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、住宅小區等范圍內組網，由于距離較短，即使發送功率較低，依然能滿足通信需求。如果是在村莊范圍內智慧農業類的應用，由于村莊較空曠，信號衰減比較不明顯，即使較低的發射功率，依然能覆蓋較大范圍。

E.R.P 50mW已經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，依然符合上述規范。

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，大的擴頻因子抗干擾能力越強的特性。LoRa各擴頻因子和對應的數據載荷如表1：

LoRa擴頻因子與載荷規范表 （“B”- 字節）

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系（單位：ms）。

在Bandwidth=125kHz，Preamble=8，Coding rate =4/5的設置下，傳輸100Bytes數據分別使用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。

總的來說，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盡可能少的數據量，因此單次發射持續時間不會超過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。

小結：52號公告對于LoRa生態在中國發展的幫助：

該公告規范了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，公告為規范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范，因此公告的正式發布，正是從政策層面給業界一個定心丸，不論是對于自身影響程度如何，各企業至少得到了合法和違法的確定性界定，那么就可以在合法范疇中開展業務。

三、LoRa生態加速發展

據Semtech LoRa及物聯網事業部副總裁Marc Pegulu介紹，目前，全球已部署 80 多萬個基于 LoRa 的網關，其中基于 LoRa 的終端節點超過 1.45 億個；已有157個國家和地區部署了 LoRa 或 LoRaWAN。從LoRa聯盟的會員數量可以看出從事LoRa產品開發的公司數量也在迅速增長。LoRa聯盟現有約500個會員，其中許多來自中國，例如阿里巴巴和騰訊。預計到 2023 年，43% 的 LPWAN 物聯網解決方案將基于 LoRa。

△LoRa全球生態

Semtech市場戰略總結甘泉也表示，在去年中國工信部第52號公告發布之后，國內的LoRa發展也開始提速，目前中國的LoRa生態已經匯聚了一大批的知名廠商。

LoRa在全球范圍持續高速增長，截至2020年1月，LoRa的連接節點超過了1.45億個。

四、打造自組、安全、可控的LoRa網

“自組、安全、可控”是此次2020 LoRa創新應用論壇的主題。那么LoRa是如何來實現“自組、安全、可控”的呢？

1、自組

LoRa本身就是一項遠距離、低功耗的無線局域網技術，并且在國內外的應用也大都已經獲得了授權頻段，用戶可以根據自己的需要進行規劃和部署網絡，可根據現場環境，針對終端位置，合理部署基站。在靈活性和便利性方面，LoRa網絡的擴展十分簡單，可以根據節點規模的變化，隨時對覆蓋進行增強或擴展。同時也可以構建靈活的商業模式。另外，根據工信部的第52號公告，符合該公告技術要求的微功率短距離無線電設備，不需要去無委會做型號核準。這也意味著LoRa網絡的部署將非常自由。

2、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。

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干擾很小 。如下圖所示，擴頻前數據高于噪聲基底，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、通訊等行業一直使用擴頻技術作為通信手段的原因。

△擴頻技術隱蔽性分析

由于與通信數率相比，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，信號湮沒在噪聲里，一般不容易被發現，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信號。

在所有的物聯網通信技術中，LoRa技術可以在噪聲下20dB解調，而其它的物聯網通信技術必須高于噪聲一定強度才能實現解調。這也使得普通設備很難檢測和干擾LoRa信號。

△LoRa調制抗造特性

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。

在網絡層的安全性方面，從數據傳輸過程來分析，使用公網技術的終端設備的數據需要先到傳輸達基站，再到達移動交換中心，最后到達運營商的云端，之后才將最終的數據轉發給客戶應用端或客戶的云端。但是，數據傳輸越遠，中轉次數越多，安全風險也就越高。而LoRa網絡的數據是在本地收集，處理和存儲數據，不需要先將數據送到運營商云端便可直接發到客戶端。數據受網絡所有者的完全控制，不會離開私有/專有的網絡。

在安全加密方算法方面，移動蜂窩網技術代表的公網為了方便和效率，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制，還可以加入硬加密芯片。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。

在應用層的安全性方面，用戶可以根據實際的應用需求進行加密，由于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。

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、成本和供應鏈上的可控。

特別需要指出的是，LoRa芯片在整個產業鏈中處于基礎核心地位。而作為掌握著LoRa底層技術的核心的Semtech Corporation則是一家美國公司，在當前的中美關系之下，也引發了很多人對于供應鏈安全可控的擔憂。不過，據Semtech市場戰略總結甘泉介紹，在中國使用的LoRa芯片實際上是由Semtech Corporation位于瑞士的子公司Semtech （International） AG 研發和供應的， 而且LoRa芯片的制造、組裝和代理分銷是在亞洲地區（如中國臺灣、馬來西亞、中國大陸）進行的。因此不會出現大家擔心的受制于美國的問題。

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，具體的合作形式有兩種，一種是獲得Semtech LoRa芯片IP授權的半導體公司，他們可以在此基礎上添加相關模塊，設計出自己的芯片；第二種是直接采用Semtech提供的晶圓做SIP級芯片的廠商，包括微芯科技（Microchip）等。這兩種形式的對外合作，也使得LoRa芯片供應實現了多元化。
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