原创关于 LoRa 应用场景的讨论

 2023-1-27 22:50  1724 8 8 分类: 通信

说明: 本文中斜体部分表示来自公告文件的部分内容剪贴或合并整理.

1. "第52号文" 对 470MHz 的约束

引自 <微功率(短距离)无线电设备规范要求(或简称"第52号文")> 如下:

（四）民用计量仪表
限在建筑楼宇、住宅小区及村庄等小范围内组网应用，任意时刻限单个信道发射。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。
1．使用频率：470-510MHz。
2．发射功率限值：50mW(e.r.p)。
3. 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)。
4. 单次发射持续时间：不超过 1 秒。
5．占用带宽：不大于 500kHz。
6．频率容限：100×10-6。

讨论: (1) 由于 470MHz 在中国大陆广泛被用作 Lora 设备的频率, 此节选即意味对 Lora 的主要约束.

(2) 这里又引入了一个有趣的讨论:

阅读 "LoRaWAN Spec V1.0(2015)", 可以发现, 在 "Physical Layer" 章节的描绘中, 在物理频段的章节部分, 以 868M(EU), 915M(US), 779~787M(China), 以及 433MHz(EU) 等 ISM Band 为例. 这里提到的 779~787MHz(China ISM), 在我们的 <对 ISM 频段的探索> 文中是不存在的.

P.S. 中国大陆 ISM 频段定义依据来源于: <中华人民共和国无线电频率划分规定>, 最近公告版本似为: 2018 年2月7日(中华人民共和国工业和信息化部令第46 号公布, 自2018年7月1日起施行).

为了清晰认识, 我们于 LoRa Alliance 的 resource org 网站, 以在线方式快速浏览了 "LoRaWAN Spec V1.1(2017)", 确认该 China ISM 频段(779~787M)的具体描述在 V1.1 业已删除.

似可推测 "LoRaWAN Spec V1.0(2015)" 定义时, 似未阅读 <中华人民共和国无线电频率划分规定(2013)> 版本(也验证我们曾经的说法: '查询中国大陆的 ISM 频段定义并非易事'). 不过从 V1.1 版本来看, 该 China ISM 780MHz 频段的未知定义已删除.

2. NBIoT 被鼓励作为物联网应用场景

"限在建筑楼宇、住宅小区及村庄等小范围内组网应用" 似限制 Lora 作为工业互联网与物联网作为广域网使用的可能.

而相反的, NBIoT 作为主要的竞争者, <工业互联网和物联网无线电频率使用指南（2021 年版）>文件明确鼓励以下述标准构建的网络应用, 即 NBIoT -> eMTC -> LTE(4G)-Cat.1 -> 5G, 构成了低速 -> 中速-中速 -> 高速之通讯场景. 节选其作为 "公众移动通信系统"(属于"广域网")的定义如下:

(1) 所属标准:
公众移动通信网络: 已获得许可的 2G/3G/4G/5G 使用频率
NB-IoT: 已获得许可的 2G/4G/5G 使用频率（FDD 方式）
(2) 具体频段:
NB-IoT: 800MHz、900MHz、1800MHz、2100MHz 频段（2017 年第 27 号）

3. 470MHz 频段的功率限制

"发射功率限值：50mW(e.r.p)"或模糊了"微功率"或"近距离"的定义范畴(且Lora 使用跳频或又较大延伸通信距离), 这或与 Lora 设备较早出现, 并早期进行了相当部署的现状有关.

尝试对几款 Lora 的(可能过时的) modules 搜索发射功率数据如下:

SX1255: TXOIP3(TX Ouput IP3), +16dBm(typ)

SX1276/77/78/79: +20 dBm - 100 mW constant RF output vs. V supply

P.S. 以上列举设备均为约 10年前的产品系列, 应已过时. 当前设计选择, 或可考虑应用 Semtech 授权中国 module 大厂 IP 后的较新的产品系列.

讨论: 50mW 对应 17dBm. 对于"微功率(近距离)"概念来说, 似带来不确定与模糊. 但如果比较 Lora module 列举的 20dBm 左右的发射参数, 或发射功率约束定义已经尽量保守.

4. 其他可选择的广域网互联场景

如 <工业互联网和物联网无线电频率使用指南（2021 年版）> 列举的各种广域网互联场景的举例, 类似大型应用场景建议如下:

(1) 公众移动通信系统: 某水务公司联合电信运营企业发布全球首个 NB-IoT 智慧水务商用项目.

(2) 专用移动通信系统: 某市政府部门利用 1447MHz-1467MHz (eMTC) 频段共 20MHz带宽建设基于 4G 技术的无线政务专网系统。

(3) 专用移动通信系统: 某化工有限公司利用 1785-1800MHz 频段共 15MHz (eMTC) 带宽，建成基于大数据运用的联动综合管控平台.

(4) 专用移动通信系统: 某电力公司利用 230MHz 频段开展了电力行业首个地市级区域全覆盖的电力无线专网示范工程建设

对大型企业(如抄表)应用或其他政务应用的受鼓励场景如下:

电力、燃气、人防、水务等行业的相关单位可申请 230MHz 频段相关频率，建设基于载波聚合和动态频谱共享技术的宽带无线数据传输系统。
政务、公共安全、社会管理、应急等部门的相关单位可申请 1400MHz 频段，建设宽带数字集群系统。
交通（城市轨道交通等）、石油等（电力除外）行业、单位可申请 1800MHz 频段，建设无线接入系统。

讨论: 文件中倾向大型企业(如抄表)业务, 或其他政务部门等, 使用竞争性的参考方案, 即基于"广域网"中的 NBIoT, eMTC, 230MHz 等公众移动通信网络, 或(特别是)专用移动通信网络模式. 这或者意味着, 若干大规模市场应用场景或被建议使用其他竞争性网络.

6. 场景优势

上述约束, 似影响了若干大型企业或政务市场的实施. 但 Lora 在微功率设备应用领域, 仍然因: 高发射功率(与接收灵敏度), 低设备整体功耗, 跳频模式增加通信距离与质量, 对移动终端兼容等优点, 仍然在某些场景下极具竞争力.

用某种粗略的模型进行下述 SubG 通信场景比较与推论:

(1) 简单基于 SubG 的(特别是) ISM 频段的通信, 如缺乏应用软件栈支持, 或不具备多点通讯能力, 全球识别能力, 或移动识别(不同基站)的能力等. 而这一点, 或 Lora 在基于 Phy 的通信层即已经有一定支持.

(2) 跳频功能使用, 使得 Lora 或能够避免频段拥挤, 提供更高的通信质量.

(3) 假设使用 1.2kbps 的 OOK 模式通信, 可假设如 433M, 868MHz 以较低数传频率模式通讯, 即使在不拥挤的应用场景,

(a) 如仅使用 PCB 板载天线, 可能仅具有室内通信价值或较近距离通信价值(如无线钥匙场景等).

(b) 如使用外接天线, 在 10dBm 左右(见 "第52号文" 的各自约定), 或合理推测具有室外空旷极限约 90m, 室内穿越 1 or 2 堵墙壁的能力(对钢筋混凝土的穿透能力或更差).

(4) Lora module 最大发射功率或超 20dBm, "第52号文"约束极限值为 17dBm, 且配合跳频模式. 或可合理推测, 即便或无法达到一般所宣称数 km 的距离, 但室内通信之效果, 或能远超上述列举的其他 SubG 微功率设备.

总结: 尽管在大规模或超大市场规模的抄表, 政务等应用不被文件鼓励. 但比较极低成本, 极低功率, 缺乏通用协议栈, 几乎无法彻底避免网络拥塞, 室内通信距离有限的, 诸如 315M, 433M, 868MHz 等 SubG 普通遥控遥测应用, Lora 在某些超越上述特性的应用中, 仍然能够表现出若干强大的优势. 在比如在更远距离的室内或室外短距通信, 更高通信质量, 区域内容纳更多 end devices, 以及原生的移动接入需求等场景中, 或仍然会大放光彩.

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