用非授權頻段架設、安全可控的私有物聯網。 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。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。

以下是本問答文檔中討論的LoRa在中國的關鍵要點：

LoRa符合中國工信部公告52號的所有要求：

√   限在建筑樓宇、住宅小區及村莊等小范圍內組網應用；

√   任意時刻限單個信道發射；

√   民用計量設備應具有防干擾功能；

√   避免干擾當地的廣播電臺和電視臺；

√   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；

√   占用帶寬不大于500kHz。

LoRa很安全

物理層的安全性： LoRa CSS技術可以在噪聲以下20dB進行解調，普通設備很難檢測和干擾LoRa信號。

網絡層的安全性： 在本地收集，處理和存儲數據。數據受網絡所有者的完全控制，不會離開私有的網絡。

應用層的安全性： 根據應用層的要求進行加密。應用層安全管理可以與網絡層配合以實現應用層的整體安全性。對于使用LoRaWAN協議的中國客戶，LoRaWAN協議通過在網絡層和應用層進行加密，提供了強大的端到端安全性。

我們鼓勵中國開發LoRa產品的廠商遵守當地安全法規并實施安全方案來滿足客戶的需求。

LoRa 產品研發和供應

在中國使用的LoRa芯片是由Semtech (International) AG 研發和供應的。 Semtech (International) AG是一家瑞士公司。 LoRa芯片的制造、組裝和代理分銷是在亞洲地區進行的。

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，從而實現了LoRa芯片供應的多元化。

問題1：LoRa是什么？

LoRa是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 ）。常見的無線數字通信調制技術為FSK、ASK、PSK三種，運營商的NB-IoT、4G、5G以及Wi-Fi、藍牙等幾乎所有常見數字無線通信技術的物理層都是采用FSK、ASK、PSK這三種調制技術進行通信的。

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。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，為圖1 OSI模型中的網絡層+數據鏈路層+物理層。

圖1 OSI網絡分層示意圖

問題2：LoRa的組網方式是什么？

LoRa只是物理層的一種調制技術，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生態在國外主要是運營商使用的LPWAN技術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。

圖2 LoRa網絡示意圖

問題3：LoRa的無線電規范的無線電規范的無線電規范的無線電規范的無線電規范的無線電規范要求

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。 

對52號公告的理解：

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。（見圖3）。

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, 均符合該條規定)。

圖3 LoRa在小范圍內與公網結合的網絡結構示意圖

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。”

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（見圖4）。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。

圖4 52號公告節選

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：

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數據長度關系（單位:ms）。

從表2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。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。

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。

圖5 擴頻技術隱蔽性分析

問題4：LoRa的通信安全

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 。如圖5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。

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（圖6），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。

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。

從數據傳輸過程分析，使用公網技術的終端設備的數據先到達基站，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。不需要先將數據送到運營商云端便可直接發到客戶端。私網的LoRa數據直接在本地完成采集和計算，數據甚至不會離開這個園區的范圍。數據傳輸越遠，中轉次數越多，安全風險越高，而采用私網技術數據可以完全存儲在本地，數據始終掌握在自己手里。許多政企的網絡都是通過內網、外網隔離實現網絡安全，如果采用私網可以直接對接原有政企的內網，安全級別非常高。從數據傳輸過程分析（網絡層分析）LoRa私網/專網具有較高的安全特性。

從數據加密方法分析，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。

從應用層分析，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。

圖6 LoRa調制抗造特性圖

問題5：LoRa產品研發和供應

在中國使用的LoRa芯片是由Semtech (International) AG 研發和供應的。 Semtech (International) AG 是一家瑞士公司，總部位于瑞士拉珀斯維爾。

LoRa芯片的制造、組裝和代理分銷是在亞洲地區進行的。

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。這些公司已在銷售基于LoRa芯片作為系統集成電路封裝的一部分（通常稱為"SiP"）和基于LoRa技術的集成芯片，從而實現了LoRa芯片供應的多元化。

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

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

4. 微功率（短距離）無線電設備的技術要求 -信部無[2005]423 號