【 LoRa规范及认证】

文章目录

  • LoRa规范及认证
    • 一、LoRaWAN全球区域规范
      • 1.美国规范
      • 2.中国规范
    • 二、LoRaWAN认证
      • 1.LoRaWAN认证常见问题
    • 三、中国LoRa无线电规范
    • 四、小结

LoRa规范及认证

​ 在使用LoRa设备时,必须遵循各区域无线电管理规范,尤其是工作频率、输出功率、占空比这些参数。只有当每个使用者都按照规范使用无线电设备时,自己受到他人的影响才是最小的。无论在国内还是国外,违反无线电发射规定都是要受到行政处罚的。

​ 由于LoRaWAN协议具有全球性和通用性,许多大项目都是由多个供应商提供LoRaWAN设备的。为了保证不同厂家的LoRaWAN设备具有兼容性,LoRa联盟推动了LoRaWAN认证。

一、LoRaWAN全球区域规范

​ LoRa联盟根据全球各区域无线电管理规范及LoRaWAN特点,制定了各区域不同的LoRaWAN参数。本小节主要针对欧洲、美国和中国的主要参数进行介绍。

1.欧洲区域规范

1)信道频率

​ LoRaWAN欧洲规范中有三个频率信道是所有设备作为入网使用必须具有的,如表6-1所示,其他的频率可以在ISM863~870MHz中选择125kHz带宽的任意信道。

表6-1 欧洲规范信道频率表

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​ 在欧洲规范中,对终端设备的发射占空比有严格要求,必须小于 1%,建议采用LBT模式监听信道后再发送数据。

2)终端设备通信编码及最大载荷

​ 如表6-2所示,LoRaWAN欧洲规范中有8种定义的通信配置参数对应不同的通信速率DR0~DR7,其中DR0~DR5均为带宽125kHz的LoRa调制,其扩频因子为SF12~SF7,当终端设备进行ADR时会根据其信号强度和信噪比规划DR0~DR5中的一个作为下次通信的配置参数。DR6为带宽250kHz的LoRa调制,DR7为数据率为50kb/s的FSK调制。

表 欧洲规范通信编码及最大载荷表

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​ 不同DR对应的数据率不同,所以其每包数据的最大载荷不同,表6-2中的最大载荷均为不兼容repeater模式下在MACPayload中和ApplicationLoad中的最大载荷M和N。

3)设备的输出功率

​ 欧洲规范中对终端设备的输出功率共有8挡可选,如表6-3所示,也是针对终端设备进行ADR时不同的输出功率选择挡位。欧盟无线电管理较为严格,其最大输出功率很小,仅为EIRP=16dBm。等效全向辐射功率(Equivalent Isotropic Radiated Power,EIRP),或叫有效全向辐射功率,16dBm可以理解为16dBm输出功率连接0dBi的天

线。

表 欧洲规范输出功率表

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1.美国规范

1)信道频段

​ LoRaWAN美国规范中频道规范如图6-22所示,上行64路125kHz带宽的LoRa信道,其速率选择为DR0~DR3,采用4/5的前向纠错算法,其工作频率为902.3~914.9MHz,每隔200kHz一个信道。同时美国规范中还有8条500kHz带宽的LoRa上行信道,速率选择为DR4,频率为903~914.2MHz,每隔1.6MHz一个信道。可以看到这两种上行信道的频率是重叠的,由于LoRa具有不同扩频因子正交特性,在相同频段内,不会互相干扰。美国规范中下行信道为500kHz带宽的LoRa调制,其速率为DR8~DR13,其频率为923.3~927.5MHz,每隔600kHz一个信道。

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图6-22 美国规范信道频段规划图

2)终端设备通信编码及最大载荷

​ 如表6-4所示,LoRaWAN美国规范中有11种定义的通信配置参数对应不同的通信速率,其中DR0~DR3均为带宽125kHz的LoRa调制,其扩频因子为SF10~SF7,用于上行信道。其中DR4为带宽500kHz的LoRa调制,其扩频因子为SF=8,用于高速上行信道。DR8~DR13为带宽500kHz的LoRa调制,扩频因子为SF=12~SF=7。

表6-4 美国规范通信编码及最大载荷表

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3)设备的输出功率

​ 如表6-5所示,美国规范对输出功率管理比较放松,最大输出功率为EIPR为30dBm,其ADR调整的输出功率挡位有15挡。

表6-5 美国规范输出功率表

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​ 美国LoRaWAN规范中给的带宽和输出功率都非常富裕,所以可以使用500kHz的带宽完成下行通信,欧洲频段无法使用500kHz频段很大原因是其最大输出功率很小,必须选择较低的通信速率换取灵敏度。

2.中国规范

中国的LoRaWAN频率有过多次尝试,最终确定为470~510MHz频段。

1)信道频段

​ 中国的LoRaWAN信道频段也发生过调整,根据2019年的调整,分为20MHz天线方案和26MHz天线方案,每种方案都有A、B两类。所有的频率规划和类别中上下行信道都为125kHz的SF=7~SF=12调制方式,前向纠错编码都选择4/5编码,且相邻信道频率间隔均为200kHz。

​ 图6-23(a)为20MHz天线A类,其具有两组上下行通道。第一组上行信道32个,频率为470.3~476.5MHz;下行信道为32个,频率为483.9~490.1MHz。第二组上行信道32个,频率为503.5~509.7MHz;下行信道为32个,频率为490.3~496.5MHz。

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图6-23 中国频段LoRaWAN信道规划(20MHz天线)

​ 图6-23(b)为20MHz天线B类,其具有两组上下行通道。第一组上行信道32个,频率为476.9~483.1MHz;下行信道为32个,频率为476.9~483.1MHz。第二组上行信道32个,频率为496.9~503.1MHz;下行信道为32个,频率为496.9~503.1MHz。此方案的上下行信道功用相同频率。

​ 图6-24(a)为26MHz天线A类,上行信道48个,频率为470.3~479.7MHz;下行信道为24个,频率为490.1~494.7MHz。494.9~495.9MHz规划为下行信道参数使用,如beacon、ping-slot和RX2频率使用。RX2默认信道为第12个下行信道492.5MHz。

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图6-24 中国频段LoRaWAN信道规划(26MHz天线)

​ 图6-24(b)为26MHz天线B类,上行信道48个,频率为480.3~489.7MHz;下行信道为24个,频率为500.1~504.7MHz。504.9~505.9MHz规划为下行信道参数使用,如beacon、ping-slot和RX2频率使用。RX2默认信道为第12个下行信道502.5MHz。

2)终端设备通信编码及最大载荷

​ 如表6-6所示,LoRaWAN中国规范中有6种定义的通信配置参数对应不同的通信速率,其中DR0~DR5均为带宽125kHz的LoRa调制,其扩频因子从SF=12~SF=7,用于上下行信道。

表6-6 中国规范通信编码及最大载荷表

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3)设备的输出功率

​ 如表6-7所示,中国规范的输出功率在美国规范和欧洲规范之间,设备的射频输出要求小于E.R.P17dBm相当于EIRP19.15dBm,其ADR调整的输出功率挡位有8挡。

表6-7 输出功率表

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​ 从欧洲、美国、中国三个区域的LoRaWAN规范可以看出,美国ISM频段管理最宽,欧洲是管理最严格的。

二、LoRaWAN认证

​ LoRaWAN认证项目为最终用户提供了保证,使应用终端设备将能够在任何LoRaWAN网络里工作。认证项目的范围确认终端设备满足LoRaWAN协议规范的功能要求。

1.认证项目

认证项目包括在以下文档里列出的一系列地区性测试。

  • LoRa联盟欧洲863~870MHz区域终端设备认证。
  • LoRa联盟美国、加拿大US902~928MHz区域终端设备认证。
  • LoRa联盟亚洲923MHz区域终端设备认证。
  • LoRa联盟韩国920~923MHz区域终端设备认证。
  • LoRa联盟印度865~867MHz区域终端设备认证。

扩展性能测试:

​ 设备的射频性能对于成功部署LoRaWAN网络以及最大限度地使用设备可用的无线电频谱是至关重要的。联盟认证新的可选扩展RF测试将提供完整的3D辐射功率扫描,以及设备接收LoRaWAN数据包的灵 敏度图。这里注意,中国的LoRa联盟频率还没有列入测试中,LoRa联盟(中国)也正在筹备此工作。

​ 设备厂家在提交其产品来通过LoRa联盟认证之前必须成为LoRa联盟的成员。它们也必须使用授权认可的LoRa联盟认证实验室来进行功能协议测试。在测试成功完成之后,产品将被列入LoRa联盟网站上的认证产品目录,并获得LoRa联盟颁发的LoRa联盟认证证书。此外,在依照LoRa联盟标志使用政策与指导意见的情况下,成功通过联盟认证项目的产品可以在其产品与包装上使用LoRa联盟认证标志。

2.LoRaWAN认证流程

如图6-25所示,LoRaWAN的认证流程如下。

(1)联系LoRa联盟授权测试实验室(ATH)进行询价。

(2)完成认证调查问卷(LoRa联盟网站会员区或从ATH处)。

(3)准备认证样品。

(4)产品必须满足最新的LoRaWAN规范与地区性参数文档。

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​ 图6-25 LoRaWAN认证流程图

(5)产品必须满足相关区域LoRa联盟终端设备认证要求的文件。

(6)发送你的产品到ATH,设备应准备好空中激活或已经被独立激活。

(7)ATH将执行认证测试并把结果提交给厂商和(或)联盟。

(8)测试通过则将结果提交给厂商或LoRa联盟。

(9)LoRa联盟将审核测试结果并颁发LoRaWANCertified证书。

​ 认证结果和基本产品信息会在LoRa Alliance网站上发布。如果需要,可以自定义发布日期以保持与产品发布日期一致。调查问卷中不想展现在网站上的数据可以申请保密。

1.LoRaWAN认证常见问题

LoRaWAN认证中的常见问题如下。

1)为什么要认证我的产品?

​ 答:LoRaWAN认证可确保任何LoRaWAN网络的互操作性和合规 性。通过认证来确保终端设备符合LoRaWAN协议规范的功能要求。通过认证还使您的产品可以使用LoRaWANCertified徽标。您还将在LoRaAlliance网站上收到认证过的产品列表,以及其他LoRaAlliance附带中的产品推广。销售到欧美的LoRaWAN设备,客户基本都要求通过LoRaWAN认证。

2)为了认证我的产品是否要先成为LoRaAlliance会员?

​ 答:是的,设备制造商必须是LoRaAlliance的成员才能将其产品提交为LoRaWANCertified,并且只有LoRa Alliance会员才有权使用LoRaWAN认证徽标。
3)什么样的产品可以进行LoRaWAN认证?

答:目前,认证计划适用于以下方面的A类设备:

​ EU863-870;EU433;US902-928;AU915-928;KR920-923;AS923;
​ 网关设备的认证计划尚未开通。不使用上述频段的地区的认证计划正在制定中。如果您对尚未拥有认证计划的设备进行预认证测试,您可以联系LoRaAlliance授权的测试服务提供商。

4)LoRaWAN认证主要测试什么?

​ 答:LoRaWAN认证测试终端节点功能,它测试节点的LoRaWAN协议栈和应用程序是否符合LoRaWAN规范。该认证可选择涵盖无线电性能。无线电性能包括辐射功率、无线电灵敏度等。

5)LoRaWAN认证是否会对法规认证(CE/FCC)有要求?

​ 答:没有要求。法规认证与测试可以在LoRaWAN认证测试之前、之后或同时进行。

三、中国LoRa无线电规范

​ 2019年11月28日中华人民共和国工业和信息化部(以下简称工信部)公告《微功率短距离无线电发射设备管理要求》。标志着中国针对LoRa的无线电管理规范尘埃落定。

​ 经过2017年12月,工信部无线电管理局发布《微功率短距离无线电发射设备技术要求(征求意见稿)》。到2018年11月28日,事情有了进一步的进展,工信部无线电管理局在认真梳理分析反馈意见建议,并与相关单位协调和沟通基础上,参考微功率短距离无线电发射设备国际使用和管理情况,依据我国无线电管理法律法规和相关行业管理规定,对征求意见稿进行了完善和修改。在工信部和LoRa行业生态伙伴的共同努力下历经三年多的权衡和讨论,最终确定下来。

​ LoRa属于微功率短距离的第四部分民用计量仪表:

​ 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:占用带宽小于或等于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1s。

(5)占用带宽:不大于500kHz。

(6)频率容限:100×10-6。
规范解读:

(1)干扰规避功能。如果使用LoRaWAN协议,其上下行通道都是采用8路跳频模式,具备干扰规避功能。若使用于单信道应用中,需要软件增加SX126X或SX127X的CAD侦听功能。在发包前,检测是否有干扰在信道中以实现LBT(ListenBeforeTalk)。欧洲和日本的设备都有LBT的要求。

(2)发射持续时长不超过1s。LoRaWAN协议中,原本SF=12参数下的最大包长度为59B,但是由于新规范要求发射持续时长不超过1s的,此时只能发送带有15B的短数据包,如表6-8所示。同理,SF=11由原来LoRaWAN协议中最大包长的59B变为现在的46B。其他的扩频因子受影响。

​ 注意:在实际应用中,应优先遵循当地的政策法规,再遵从行业的协议标准。这个1s的限制对于LoRa在智慧城市的超远距离应用有一定的影响,但总体来看,影响不大,采用Relay的手段可以大幅降低SF=12的使用。

表6-8 8路LoRaWAN扩频因子与载荷规范表

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四、小结

本章介绍了多种LoRa协议,其中最关键的是LoRaWAN协议,也是市场上应用最多的协议。随着多个新的协议出现,也预示着LoRa有了新的应用扩展,在这些新的协议中,Relay协议是其他几个协议的基础技术。通过学习这些协议,在遇到应用时可以触类旁通,创造新的协议才是最重要的目的。说不定不久的将来,LoRaWAN协议的新一代版本中就有来自你的贡献。LoRa各地区和行业规范,是一定要严格遵从的。随着LoRa应用的扩展,原有协议的局限性就越明显,就好像我们用今天蓝牙5的眼光看待蓝牙2一样。看到协议的问题,说明技术在进步,下一代的产品会更好,只有掌握好了过去的协议,才能设计出更好的协议,从而带动产业链的产品开发和应用推广。

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