論52號公告對LoRa的影響

2020-01-17 11:26

從52號公告的政策解讀中可知,微功率設備種類較多(從《微功率短距離無線電發射設備目錄和技術要求》中可以看到微功率設備分14類),因此52號公告並非針對使用LoRa技術的設備。同時數十年前已對微功率設備開始規范管理,並非由於近年來LoRa技術的發展才有類似的政策規定。

PART/前言

2019年11月28日,工信部發布了《中華人民共和國工業和信息化部公告2019年第52號》(以下簡稱“52號公告”)(參考資料1),該公告進一步規范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。這一公告毫無懸念引起業界熱議,不少人認為這對LoRa發展不利,甚至將導致LoRa“涼涼”。對此,本文將從法規面及未來發展方向說明此文件對LoRa發展的影響。

首先,52號公告並非針對LoRa,規范的是微功率設備,涵蓋的頻率范圍從低於10kHz到2.4G,並非針對LoRa,而是LoRa在中國使用到的470 – 510 MHz(另外也有LoRa運行在2.4G頻段)技術也包含在此范圍。

從52號公告的政策解讀中可知,微功率設備種類較多(從《微功率短距離無線電發射設備目錄和技術要求》中可以看到微功率設備分14類),因此52號公告並非針對使用LoRa技術的設備。同時數十年前已對微功率設備開始規范管理,並非由於近年來LoRa技術的發展才有類似的政策規定。

其次,仔細查閱針對頻率范圍在470-510MHz的詳細規范並加以解釋(參考資料2),ISM(Industrial, Scientific, Medical Band)的民用計量儀表本來就應該不幹擾聲音、電視廣播,與其他微功率設備合理共享非授權頻段。

圖 1 《微功率短距離無線電發射設備目錄和技術要求》節選

PART/對52號公告的理解

仔細斟酌文字中的意義:

1、“限在建築樓宇、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(參考資料6)的傳輸距離。根據52號公告規定,LoRa的長距離特性將會被限制在村莊范圍內應用,也就是網上很多人說LoRa被限制了(長距離、廣覆蓋特性)。WAN的功能可能未來會被NB-IoT或5G等使用授權頻段的電信運營商主宰。私企想利用LoRa成為中國WAN運營商的夢想,已被52號公告明白否決,而在浪客劍的文章表述(參考資料6),在國外則仍存在應用運營的機會(見表1)。即使如此,LoRa仍可借由和其他通信方式(如4G等)接入互聯網,將多個LoRa小網,聯結成互聯互通的物聯網應用。(見圖2)。

表1 全球主要的區域參數

圖2 網絡結構示意圖

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於建築樓宇,智能工地管理系統應用於住宅小區,智能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、“任意時刻限單個信道發射”

目前引領LoRa技術的Semtech的網關芯片SX13xx系列、終端芯片SX12xx系列都不支持在多個信道同時發送數據,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”等幹擾規避功能,且不能被用戶調整或關閉”

Semtech的LoRa芯片本身已提供CAD(Channel Activity Detection)功能,已經很好地提供了“發射前搜尋”等幹擾規避功能的技術基礎。另外,“發射前搜尋”等幹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”等幹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、電視廣播接收產生幹擾時,應立即停止使用,待消除幹擾或調整到無幹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(見圖3)。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3 52號公告節選

LoRaWAN為公平合理分享頻帶資源,規定了發射占空比小於1%,LBT(listen before talk)避免碰撞,具體符合52號公告第三點的要求。

5、“發射功率限值:50mW(e.r.p)。發射功率譜密度限值:占用帶寬小於等於200kHz的,為50mW/200kHz(e.r.p);占用帶寬200-500kHz的,為 10mW/100kHz(e.r.p)。”

在建築樓宇、住宅小區等范圍內組網,由於距離較短,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,由於村莊較空曠,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。

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,大的擴頻因子抗幹擾能力越強的特性。LoRaWAN規定各擴頻因子和對應的數據載荷如表2:

表2 LoRaWAN數據載荷

以LoRaWAN常用的參數(Bandwidth=125kHz,Preamble=8,Coding rate =4/5)下的一組理論發射時間和數據長度關系(單位:ms)

表3 發射時間-數據載荷

從表3可以看出,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。LoRa是一種窄帶技術,像智能家居、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很少會超過1s。

7、“占用帶寬:不大於500kHz”

目前LoRa芯片支持的最大帶寬為500kHz,滿足該條規定。

PART/LoRa未來可能的發展方向

綜合以上對52號公告技術參數的規范,LoRa在中國未來可能的發展:

1.LoRaWAN協議仍可適用,但區域參數(regional parameter)需要合理修訂,符合1秒傳輸時間下,數據長度變更小,發射功率也變更小;

2.LoRa除了應用於LPWAN(Low Power Wide Area Network)外,會增加LAN(Local Area Network)應用,增加更多的室內應用場景;

3.由於LoRa可自組網,可很好地覆蓋建築角落、地下室等盲區、同時這些解決方案的成本較低;

4.由於52號公告將LoRa限制在小范圍內組網,因此一定程度降低協議通用性的必要性,更多投入LoRa私有協議研發,只要符合工信部要求即可;

5.與現有PAN(Personal Area Network)、LAN傳輸技術產生競爭或互補關系。

LoRa少了傳輸距離優勢,據Semtech數據手冊,LoRa接收靈敏度(-148 dBm)和低功耗特點(休眠下0.2 uA)(見表4、表5)在微功率設備群裏仍具優勢。趙小飛撰文,回擊“LoRa涼涼論”,工信部監管政策最強詳細解讀!,(參考資料 5)提到LoRa 2.0概念,也呼應上述第2點LoRa在中國未來發展可能方向。

表4 接收靈敏度

表5 功耗

通信系統性能的評估指標可從有效性和可靠性兩方面來考慮(見圖5)。

圖4 通信系統性能指標

主要的物聯網傳輸技術的關鍵性能比較見表6:

表6 主要的物聯網技術的關鍵性能

從圖4和表6中可看出,各種物聯網的數據傳輸技術均有其特點及相應的使用場景,LoRa具有低功耗、信道容量大、抗幹擾、帶寬窄等優勢。即使在距離上被限制了,在微功率設備群裏仍有其不可替代的一席之地。

PART/對網上觀點的看法

現網絡上的一些文章認為52號文件的發布將導致LoRa“涼涼”,這種說法並不正確。

1、新公告將導致符合原標准的產品要停止生產和進口?

52號公告指出,“自2022年1月1日起,停止生產或者進口不符合本公告但符合《關於發布<微功率(短距離)無線電設備的技術要求>的通知》(信部無〔2005〕423號)規定的民用計量儀表、模擬式無繩電話機和698-787MHz頻段的微功率設備。”

因此有人說原來符合(信部無〔2005〕423號)要求的,包括470-510MHz頻段內的LoRa設備將要停止生產和進口。但仔細比對52號公告和423號公告,其中涉及470MHz-510MHz的技術要求並非完全不同,雖然看起來限制增加了,比如:從原來的“發射機工作時間不超過5秒”變成“單次發射持續時間:不超過1秒”。但從實際應用上講,大部分使用LoRa技術的應用,發射時間都不超過1s,並且處於功耗、數據碰撞等方面性能考慮,發射時間越短越好,因此大多數設備不會受到此限制;此外帶寬方面,423號公告規定“占用帶寬:不大於200kHz”,而52號公告規定“占用帶寬:不大於500kHz”。因此新的公告並非完全對以前的技術要求加強限制,甚至將個別指標放寬。

2、發射時間<1s,LoRa的優勢將不複存在?

對於發射時間小於1s的限制,網絡上一些文章認為該條限制將導致LoRa喪失擴頻技術的優勢。但仔細看其推論的過程,“以105個字節的數據尺寸為例,如果同時又限制了帶寬低於200kHz,就只有BW125,SF7~9可以選擇”,這樣的假設是對於LoRa技術的不合理利用。首先,帶寬低於200kHz的條件完全是假設出來的,而且對於大多數應用來說,數據包長不需要105個字節甚至更小。LoRa有眾多可配置的參數以適用於不同的需求,只要理解並合理設置,LoRa的優勢便可展現。

3、傳輸距離將只有100~200米?

對於傳輸距離,有人用以下的數據作為依據,認為“如果擴頻因子限制在SF7~9的范圍,要保證90%以上的傳輸正確率,可能只有100~200米的傳輸距離甚至更差!”。

圖5 擴頻因子與距離的關系

(注:以上圖片來自參考資料6)

從上表可以看出,在視距(Line-of-Sight)環境中,不管使用哪種擴頻因子,保證90%以上的傳輸正確率的前提下,其傳輸范圍均可接近甚至超過5公裏。雖然非視距(Non-Line-of-Sight)環境中要保證較高的傳輸正確率,傳輸范圍會縮減,但如果在有遮擋的環境中使用SF7~9的擴頻因子,LoRa擴頻抗幹擾能力不如使用SF10~12的擴頻因子,所以非視距參數設置是不合理的。若環境比較惡劣,其它物聯網數據傳輸技術的性能同樣會受到很大影響。從無線通信學理上,相同環境下,頻率越高,信號衰減越嚴重,在中國LoRa的工作頻率主要為470MHz-510MHz,若由於環境造成LoRa的傳輸距離縮短,那么工作在高於510MHz的技術所受影響必然會更大。

4、LoRa將完敗於其它物聯網技術?

除了LoRa具體技術上的性能外,有人認為在小范圍組網的限制下,LoRa與其它無線技術相比,無論在帶寬、實時性、雙向控制都不占優,這是不合理的結論。首先,LoRa組網成本低、在覆蓋盲區方面有著獨特的優勢。此外,即使距離受限,LoRa抗多徑衰落、低功耗等優勢也不會被抹殺。根據學術機構(參考資料7)中提到“LoRa是基於線性調頻擴頻技術(CSS)的一種調制方案,通過產生頻率線性變化的調制信號來實現頻率的擴展、並結合前向糾錯(FEC)來實現遠距離低功耗通信。此外LoRa的調制方案還有效地解決了無線通信系統中常見的多徑衰落和多普勒頻移,並且利用正交的擴頻序列提高了信道容量。

LoRa技術可在城市或郊區等應用場景中快速部署,且可以廣泛地應用在數據吞吐量低的物聯網中,如M2M、工業物聯網、農業物聯網、智能電表應用、土木工程和基礎設施的監測、環境監測等。在智能工廠的應用中,機器設備監控、產品質量自動檢測、物料追溯等工作都需要高可靠性的網絡將設備連接起來,通過智能工廠與LoRa技術結合起來將有效地拓展智能工廠的信息采集能力,進一步提升工廠生產管理效率和管理產品生命周期的能力。” 因此LoRa有著絕不會因為52號公告對LoRa的一些小限制而失去所有優勢及適用的場景。

5、使用LoRa將有可能受制於人?

有人認為目前美國Semtech公司是LoRa芯片的核心供應商,掌握著LoRa底層技術的核心專利,一旦發生類似美國針對中興、華為那樣的事件,國內的LoRa也必然將受制於人。其實,早在2018年,Semtech已開始向國內企業IP授權(見圖6)。

圖6 Semtech向國內廠家開放IP授權

參考資料:

1.中華人民共和國工業和信息化部公告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

3.中華人民共和國工業和信息化部公告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

5.回擊“LoRa涼涼論”,工信部監管政策最強詳細解讀!-趙小飛 物聯網智庫

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

6.工信部新規落地,對LoRa到底是利好還是利空?- 芯智訊-浪客劍

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

7.LoRa傳輸技術特性分析

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

 

 

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