深度│LoRa:从技术到思维的碰撞?
林起劲| 流媒体网| 2019-12-02

  【流媒体网】消息:致力于物联网的LoRa应用,或是IT界和通信界的典型交叉点;而工信部52文或将其推向三岔道。

  

工信部新规背后的多重沟通

  2019年11月28日,工业和信息化部公告2019年第52号文,关于进一步规范微功率短距离无线电发射的事项进行了公告。这一公告在LoRa业内引起众多争议,行业各种声音纷起,比如:“LoRa要凉凉”,“LoRa拿到特别通信证”,“LoR割韭菜”等等。

  此前,工信部分别在2017年12月和2018年11月发布了两次(微功率短距离无线电发射设备目录和技术要求)征求意见稿。在第一次《意见稿》发布之后,微功率物联网产业可谓一片恐慌,尤其担心此前的投资、未来的规划会因为政策的变动,而充满不确定性甚至化为乌有。2018年1月11日(第一次《意见稿》反馈截止日前),LoRa产业界也积极展开“自救”行动,自发地组织起来,在北京举办了一场“为物联网未来发声——物联网微功率频谱应用研讨会”。经过激烈的讨论后,LoRa产业界达成了“十点共识”。最核心的共识是:在1GHz频点以下的、完全免费的物联网应用免授权频段,是推动我国物联网发展的核心基础条件之一,也是在物联网领域中实现国家信息安全和防止无线电干扰的重要手段,无管局应当予以高度重视并尽早落实推出。上述意见反馈到给无管局之后,最终得到了无管局的回应并体现在第二次《意见稿》。

  经过LoRa产业界一年的沟通,2018年11月28日,无管局对征求意见稿进行了完善和修改,放宽了限制,允许470-510MHz用于组网应用。2019年4月2号,无管局还专门主持了一个小范围的研讨会(有20多家企业参加),专门讨论了业界2018年底针对第二次《征求意见稿》后反馈的信息的处理意见。而对于此次公告,一位LoRa产业界人士表示:“这与我们之前与无管局沟通的结果,基本上是一致的,没有太大差别。”对于该公告种的限制情况,上述LoRa产业界人士表示:“虽不满意,但可接受”,LoRa产业会继续向前发展。

  从这些信息来看,此次52号文应该是LoRa业界与监管当局经过多轮沟通的结果,而这一结果或是对LoRa应用的基本定性。

LoRa生态简介

  LoRaWAN是以MAC层为主的一套协议标准,提供了多信道接入、频率切换、自适应速率、信道管理、定时收发,节点接入认证与数据加密、漫游等特性。有了这个标准之后,LoRaWAN就变成一种网络技术,可将其用于不同的协议和不同网络架构。Semtech芯片公司(LoRa技术拥有者)主导成立的LoRa联盟(LoRa Alliance)制定了以LoRa技术为基础的组网、端到端的通信业务的协议标准—LoRaWAN。

  在产业层面,LoRa的身份问题之所以备受关注,一方面是众多非授权频谱LPWAN中,LoRa击败了SigFox等竞争对手脱颖而出。LoRa从民营小企业开始,逐步获得了中兴通讯、阿里巴巴、腾讯、贵广网络、中国联通等大企业和运营商的认可,在中国形成了一个繁荣的生态系统。一方面行业企业看中LoRa优秀的技术特性,面临NB-IoT等政策更支持的技术,在市场中敢打敢拼,另一方面芯片供应商Semtech愿意将知识产权授权给中国企业自行开发,其开放心态也是成就LoRa的重要因素。阿里巴巴和腾讯均是以最高级别会员身份加入LoRa联盟。

  阿里巴巴不仅获得Semtech的授权,可以开发LoRa芯片,把芯片导入光宝科技、海华科技等模组大厂,更开发了LinkWAN核心网管理平台,改变目前LoRa管理平台各自为战的局面,形成平台合力,对整个LoRa的网关和节点设备进行有效管理的核心网平台。腾讯在深圳与当地合作伙伴共同建立一个LoRaWAN网络,为各种物联网应用和终端用户(如政府公共服务)提供从设备、边缘到云端的LoRaWAN一体化解决方案。联通物联网公司也表示联通正在打造一个基于LoRa的统一云化核心网或者LoRaWAN连接管理平台,在偏远地区、公共事业管理等方面,考虑LoRaWAN业务的落地。而以中兴通讯旗下克拉科技为主导力量的中国LoRa应用联盟(CLAA),其成员已经增加到了1200多家。

  

  图为:LoRa联盟

  依托中国庞大的市场和CLAA成员的努力,2018年中国市场LoRa芯片出货量占全球一半以上,中国已成为LoRa产业生态最大的市场。从使用场景上来看,LoRa因其功耗低,传输距离远,组网灵活等诸多特性与物联网碎片化、低成本、大连接的需求十分的契合,因此被广泛部署在城市照明、智慧管网、智慧社区、智能家居和楼宇、智能表计、智慧农业、智能物流等多个垂直行业。

  但是,美国公司在LoRa标准与核心技术的唯一垄断,一直都是LoRa在中国发展的“痛点”。Semtech虽然通过授权IP开启LoRa芯片国产化以及多供应商的进程;但外界不清楚其授权模式以及LoRa IP后续演进路径的情况下,中国本土行业机构在此问题上不得不持谨慎态度。特别是在目前中美贸易战等复杂国际政治经济博弈背景下,大力发展LoRaWAN生态,有一种置整个产业于火山口的感觉。

  谈LoRa不能不谈NB-IoT。作为一种基于LTE的低速率蜂窝物联网技术,NB-IoT是电信运营商部署物联网的重要选择。2017年6月,工信部办公厅下发《关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》,要求到2020年,我国NB-IoT基站规模要达到150万个,实现对于全国的普遍覆盖以及深度覆盖。

  不过,官方机构支持的NB-IoT在2018年商用后并不如人意,而LoRa在中国的芯片发货量就达到千万级。但NB-IoT进入2019年逐步上量,最先发力NB-IoT的中国电信,在上个月宣布其NB-IoT燃气表、水表用户数双双突破千万。按照这个势头发展下去,2020年NB-IoT可能会出现亿级的行业应用。从表面上看,两种技术分别出身“庙堂”和“江湖”,存在较大的竞争关系;经过市场“无形的手”的选择,貌似都迎来了繁荣发展的局面。但此次工信部52号文对LoRa的定性,或许将之在此推到转折点。

工信部52号文解读:LoRa技术与场景限制非常明确

  以下物联网服务机构“米风感知”对上述最新公告的解读(参考《2019微功率短距离无线电发射设备目录和技术要求解读》)。

  2019工信部微功率短距离技术要求规定:“任意时刻限单个信道发射”。这就是说,同一时间,要么上行读取数据,要么下行发送控制数据,但是,不能同时接收和发送数据。因此,只能用于计量仪表数据读取。由于LoRa不是TDD,而是FDD,就是说,下行信道与上行信道不是一个信道。规定要求,要么上行信道,要么下行信道。不能同时用上行信道抄数据又用下行信道发控制。也就是说,LoRa不能进行控制操作,只能进行抄表操作

  表1、工信部52号文对使用场景限定

  新规明确: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。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。

  新规明确:通用规范的调整,使用场景不得改变。使用微功率设备不得擅自改变使用场景、扩大发射频率范围、加大发射功率(包括额外加装射频功率放大器),不得擅自外接天线或改用其他发射天线。具体使用场景包括:通用无线遥控设备、无线传声器、民用计量仪表、生物医学遥测和医疗植入设备、2.4GHz 频段数字无绳电话机、发射功率不大于10mW的蓝牙设备、工业用无线遥控设备、模型无线电遥控设备、微型无人机用设备、超宽带(UWB)无线电发射设备。这其中只有(民用计量仪表)可以用于物联网项目,但是确定了只能用于计量。不能用于其它用途。限制了LoRa和Sigfox的使用范围。

  新规增加功率谱密度限制,限制了覆盖半径;发射机单次工作时间,限制在1秒之内。一般LoRa的发射功率是200mW,限定发射功率和功率谱密度后,LoRa只能通过扩频来解决问题。但是,带来的问题是发射时间肯定超过1秒。结合功率方面的要求,可以确定工信部新规后的LoRa覆盖半径大约250米

  表2、工信部52号文对功率

  表3、工信部52号文对发射时间限定

  

  图2、解析工信部52号文对功率及时间的限定

  频谱使用,单频点使用只能带200个终端。实际调研,一个LoRa基站大约带800-1000个终端,如果限定单频点使用,只能带200个终端左右。符合应用场景需求。

  综上,该公告通过技术指标来规定民用计量仪表这一使用场景。这个使用场景具体的限制就是:(1)覆盖半径50米;(2)单个基站(网关)智能容纳200-300个终端;(3)可以组网使用,但因为覆盖半径只有50米(一平方公里需要400个基站),组网成本非常高(性价比极低)。

  这个公告的影响是非常深远的:(1)限制了发射时间为1秒,与以前的发射时间5秒比较,这是非常致命的(网关覆盖半径在250米水平);(2)增加了功率谱密度限制,针对的就不仅仅是LoRa,还包括Sigfox;(3)发射功率(与之前征求意见相比)没有变化;(4)要求“发射前搜寻”,这就提出了核心技术掌控需求;(5)增加了应用场景限制,而且不可变更;(6)单频点发射,与之前征求意见相比没有变化;(7)取消了不能组网,但是限定了应用场景,限定了发射时间,限定了功率谱密度。总体而言,这次的公告更加细致和有可操作性,也加大了规范力度。

LoRa网络碎片化or接地气?

  归纳米风感知的部分观点,可以发现LoRa网络本身呈现显著的碎片化特点:(1)由于使用非授权频谱,众多的用户可以使用LoRa网络,造成互相干扰;(2)由于众多的干扰的存在,LoRa无法形成大范围的覆盖。因为在大范围覆盖中,干扰更多;(3)LoRa本身缺乏有效的频谱协调机制,无法避免这种干扰情况,也就无法形成大范围覆盖。

  LoRa网络碎片化是如何产生的?由于使用非授权频谱,这样:任何人、在任何时间、任何地点、随机使用任何频谱、为了任何目的来建设LoRa的专网。由于任何人都可以建设LoRa网络,而且网络普遍比较小,就形成的能够了众多的属于不同单位的碎片化的小网络。

  

  图为:LoRa网络碎片化示意1

  LoRa,碎片网络的噩梦,可控半径仅100米。就是在470-510MHz频段,LoRa无法满足碎片网络应用要求。在任何时候,任何地方,都可能有增加新的LoRa基站,使用的频谱是随机的。组网需要的频谱是1000KHz,占用频谱越宽,互相干扰的可能性越大。关键是成千上万的网络都在使用。这些碎片化的应用,使得客户的碎片网络随时可能受到干扰。

  

  图为:LoRa网络碎片化示意2

  

  图为:大客户面临的LoRa网络碎片化困境1

  

  图为:大客户面临的LoRa网络碎片化困境2

  有行业人士认为,Lora的碎片化对于大客户尤其是有全国性组网需求的客户而言是不足的(该人士用“噩梦”一词形容,笔者理解其不适合“物联网+区块链”这样的高大上场景)。其关键原因在于:作为非授权频谱应用,LoRa没有传统通信领域的频谱资源协调机制。

       这里必须普及一下LoRa信息传输机制(以下来自运营商人士的解读)。3GPP(2、3、4、5G)的标准里,通信之前要建立连接,通信过程中连接独占,通信后释放频谱。这样通信质量更高,但成本也高。LoRaWAN的标准是基于Aloha(冲突机制)的,就是没有上述建立连接、独占连接和释放连接的过程,LoRa进行通信前先侦听,通道没被占用就发,被占用就侦听下一个通道,如果所有通道都被占用就延时,如果超过延时极限仍都被占用就丢包。这种机制通信质量不能完全保证,但链路成本低。所以相比起来,3GPP的标准更适合用于大数据量高频次传输,LoRaWAN标准更适合小数据量、低频次传输,换句话说,如果LoRaWAN也用链路独占的方式传输,低频小数据量传输就太不划算了——因为几乎不会出现通道全被长时间占用数据出不去的情况。所以说,LoRa虽然没有严谨的频谱协调机制,但基于冲突机制实现了简约化的信道协调机制;实际上,LoRa作为窄带、低速率、小数据、短链接、低频应用和非授权频段应用,被认为抗干扰能力强。这种机制符合我国很多实际的应用场景。

从LoRa看物联网领域的思维碰撞

  物联网已经被认为是未来核心驱动技术之一,包括电信业界、互联网公司、广电业界等机构纷纷进入该领域。LoRa在没有拿到国家法定频谱的状态下,过去这几年被市场驱动着不断前行,已经形成了相对完整的物联网生态圈,甚至成为全球LoRa生态的核心。

  而工信部52号文,可以说是监管当局与LoRa业界多次协调沟通的结果,在政策层面对LoRa给予组网支持的同时,从防止无线干扰、应用场景等角度对其明确的限定限制。所以,部分行业人士认为LoRa领取了一张“特别通行证”。但是,52号文通过“任意时刻限单个信道发射”这一技术要求,将LoRa技术限定在抄表操作(并且不能进行控制操作)范畴!再加上功率等限制,导致LoRa的组网成本非常高。从产业界与监管当局的互动角度来看,这一沟通结果仅仅是“虽不满意,但可接受”吗?

  在另一方面,LoRa技术作为非授权频谱应用可能存在所谓的“网络碎片化”问题,或者说,该技术初衷更像是一种局域网应用。与之相比,全程全网并吸收了SDN虚拟化思维的5G网络,在广域组网方面则有显著优点。但LoRa作为一种非授权频谱应用——这一点更像是一种IT技术,定位精准,非常适应低频、小数据量场景。尤其是该技术能够被Comcast、谷歌、阿里巴巴、中兴通讯、中国联通所青睐,过去数年间被市场认可快速发展起来。

      笔者对此的感受是:信息化发展到当前阶段,物联网领域是IT、通信界以及互联网公司的典型交叉点,其中不仅存在各种利益碰撞,也存在思维的碰撞。从IT人和互联网人的角度,利用非授权频谱进入和抢占物联网市场,是一个不用思考的问题。但在物联网暨产业互联网快速崛起的背景下,网络安全问题日益复杂性、敏感性和重要性。并且该技术底层技术在一定程度上由美国Semtech公司掌控。不过,很显然,仅仅靠LoRa技术和Semtech的芯片远远不能驱动广泛的物联网产业生态,国内的LoRa产业生态更多是在产业链各方共同努力下形成的,其中一些大型企业发挥了很大作用。或许,从行业信息安全的角度,笔者部分理解工信部52号文进行限制的某些初衷,只是这个限制或许太细致甚至太僵化,对LoRa行业机构和现有产业投资者的打击或许太大。例如,1秒发射时间的限制,对于TDD和基于Aloha(冲突机制)的LoRa,实在是太致命了。

     作为非技术从业人员,笔者从发展的角度期望:在安全和谐的前提下,给予充分的竞争空间有利于不同技术的演进和不同市场参与者的有效竞争,最终推动产业的发展

 


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责任编辑:王楠

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