授權(quán)/非授權(quán)技術(shù)各有所長 LPWAN搶灘物聯(lián)網(wǎng)

　　低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)市場熱度漸升，包括用戶許可證頻段的NB-IoT，以及采用非授權(quán)頻段的LoRa、Sigfox、Weightless、HaLow、RPMA等技術(shù)皆積極展開布局，各技術(shù)陣營也都希望早日商業(yè)化運作，以便在此一新興市場取得先機。

　　低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network, LPWAN)具有低功耗、低成本、長距離、多節(jié)點等特性(圖1)，近來隨著物聯(lián)網(wǎng)及機器對機器(M2M)應用發(fā)展日益火熱而快速成為市場關(guān)注焦點?，F(xiàn)階段，包括用戶許可證頻段的NB-IoT(Narrow Band-IoT)，以及采用非授權(quán)頻段的LoRa、Sigfox、Weightless、HaLow、RPMA(Random Phase Multiple Access)等技術(shù)皆積極展開布局，也都不約而同投入搭建實驗網(wǎng)并推動商業(yè)應用，期搶得業(yè)界主流標準的地位。

　　圖1 低功耗廣域網(wǎng)定義與特性

　　尤其由3GPP主導的NB-IoT大動作提前完成標準制定工作，2017年R14版本的規(guī)格將進一步訂定更細部的規(guī)范。顯而易見，LPWAN已經(jīng)進入插旗搶市的階段，每個技術(shù)都希望迅速建立完整的產(chǎn)業(yè)鏈與商業(yè)模式，但不管是授權(quán)/非授權(quán)頻段技術(shù)，現(xiàn)階段都有各自的發(fā)展問題，各技術(shù)陣營也都希望可以盡力排除以便早日商業(yè)化運作，以便在此一新興市場取得先機。

　　授權(quán)/非授權(quán)頻段互相角力

　　物聯(lián)網(wǎng)簡單定義為沒有插頭或僅靠電池供電的裝置，以搜集與傳輸各種數(shù)據(jù)，并接受來自服務器的指令，讓物體實作互聯(lián)互通，所以電池供電的時間成為物聯(lián)網(wǎng)裝置的運作關(guān)鍵。LPWAN低功耗長距離的連網(wǎng)方式與物聯(lián)網(wǎng)的需求不謀而合。物聯(lián)網(wǎng)談論多年，直到最近市場需求與相關(guān)應用都更為具體，導致市場熱度快速提升，從技術(shù)分類的角度上來看，MIC產(chǎn)業(yè)分析師曾巧靈(圖2)指出，使用非授權(quán)頻段的LPWAN技術(shù)，包括Sigfox、LoRa、Weightless、HaLow、RPMA等，由于使用公開非授權(quán)頻段，因此進入門坎低、搭建簡單、商業(yè)化進程較快，不過需要搭建新的網(wǎng)絡，而且非授權(quán)頻段各種應用繁多，頻段擁擠容易產(chǎn)生干擾，也會導致電池壽命降低。

　　▲圖2 MIC產(chǎn)業(yè)分析師曾巧靈指出，Sigfox與LoRa目前進展稍微領(lǐng)先，而NB-IoT標準有其優(yōu)勢但預計要2018年才會商業(yè)化。

　　至于用戶許可證頻段的技術(shù)則以3GPP主導的NB-IoT為主，因為頻段使用需要授權(quán)，所以不會有非授權(quán)技術(shù)的干擾問題，且可利用現(xiàn)有的3G/4G基地臺基礎建設，不用搭建新網(wǎng)絡，但標準制定過程相對嚴謹且繁復，需要耗費更多時間，2016年才在R13發(fā)布第一版標準內(nèi)容，又即將于2017年的R14版本推出補充與增補的內(nèi)容。綜合來看授權(quán)與非授權(quán)LPWAN陣營的優(yōu)劣勢幾乎互補，未來幾年的推動進展，將更為重要。 以個別技術(shù)來看，曾巧靈說明，Sigfox網(wǎng)絡已覆蓋三大洲、24個國家，如荷蘭、西班牙、法國、俄羅斯、英國、美國的許多城市，預計于2018年拓展至60個國家和地區(qū)，目前已有700萬個對象連接，截至2015年超過50%物聯(lián)網(wǎng)連結(jié)來自Sigfox。該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈中，Sigfox不僅扮演規(guī)格制定者，也是網(wǎng)絡服務供貨商，同時提供軟件及云端服務平臺(Sigfox Cloud)。另外，2015年由IBM、思科(Cisco)、微芯(Microchip)、Laird與Semtech等廠商發(fā)起的LoRa，獲得多個信息大廠支持，2016年有17個國家宣搭建網(wǎng)計劃，超過120個城市已有運行網(wǎng)絡，也受到多個電信營運商支持。

　　而采用2.4GHz頻段的RPMA，以美國為主要據(jù)點，技術(shù)由芯片商Ingenu主導，2016年底在30個主要都會區(qū)提供服務。2016年3月，Ingenu與25個國家和地區(qū)包括澳洲、中國、紐西蘭、印度尼西亞、臺灣地區(qū)、南非、泰國與阿拉伯聯(lián)合大公國等簽定授權(quán)協(xié)議。由IEEE主導的802.11ah標準，則早于2010年就開始發(fā)展，Draft 9.0版本于2016年9月完成，同年12月完成標準委員會核定程序，預計2018年可以商業(yè)化，命名為HaLow，傳輸距離達1公里，傳輸速率150kbit/s∼347Mbit/s。

另外，還有由ARM與Neul共同推動的Weightless標準，2015年組成SIG推動，目前已有三個國家地區(qū)搭建，連網(wǎng)節(jié)點數(shù)目為100萬個，通訊距離依不同版本為2或5公里，速率為100 kbit/s或30∼100kbit/s。綜合來看，Sigfox與LoRa目前進展稍微領(lǐng)先，而NB-IoT雖然標準與支持有其優(yōu)勢，但預計要2018年才會商業(yè)化。

　　NB-IoT標準制訂快馬加鞭

　　最受各界矚目的NB-IoT，主導的3GPP早在2010年就注意到物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，并于R10就提出MTC(Machine-type Communication)規(guī)范，歷經(jīng)R11版本的改善，2015年3月的R12版本正式推出LTE Cat.0標準，上下行傳輸峰值1Mbit/s、帶寬20MHz。并導入省電模式(Power Saving Mode, PSM)，往更低功耗與低傳輸速率的物聯(lián)網(wǎng)需求靠攏，以提升電池續(xù)航力，不過20MHz的帶寬還是太大，成本也太高，未能引起產(chǎn)業(yè)注意。

　　到了2016年3月的R13版本，3GPP透過復雜度簡化技術(shù)降低MTC終端裝置成本，發(fā)表了LTE Cat. M標準，傳輸速率同樣維持1Mbit/s，帶寬縮小至1.4MHz，強調(diào)終端節(jié)點的電池壽命可長達10年。MIC智通所前瞻移動通訊系統(tǒng)中心主任陳仕易(圖3)說，2016年6月3GPP趕忙又宣布傳輸速率100kbit/s，帶寬需求僅200kHz的NB-IoT。對于提供服務的電信商來說，可以透過Standalone(另開專用新頻段)、Guard Band(原先3/4G主頻的保護頻段)、In Band(使用原LTE之中的頻段)等三種方式規(guī)劃各自的NB-IoT頻譜。

　　▲圖3 MIC智通所前瞻移動通訊系統(tǒng)中心主任陳仕易說，2016年3GPP發(fā)布速率100kbit/s，帶寬僅200kHz的NB-IoT。

　　此外，NB-IoT有以下幾個設計目標，陳仕易說明，包括支持龐大的低效能裝置，每個cell至少支持5萬個device，并達成10年的電池壽命目標，延伸傳輸距離，也降低技術(shù)的復雜性，允許較大的傳輸延遲，進一步降低成本，3GPP宣稱比eMTC更低。總之，為在降低數(shù)據(jù)傳輸率、縮減帶寬、支持移動性的情況下最佳的IoT通訊協(xié)議。

　　2017年3GPP預計發(fā)表R14版本內(nèi)容，針對NB-IoT的部分，陳仕易進一步解釋，將定義定位方法(Positioning Method)、群播服務(Multicast Service)、移動性與服務連續(xù)性(Mobility and Service Continuity)、非標定的PBR增強(Non-Anchor PRB Enhancement)、新的功率消耗模式(New Power Class)，更加完善標準的技術(shù)內(nèi)涵。

　　LoRa產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展健康

　　受到最多信息廠商支持的LoRa，在2012年組成LoRa聯(lián)盟，包括IBM與思科(Cisco)兩大廠與電信公司都押寶，發(fā)展至今已經(jīng)有400多個會員廠商，獨家芯片解決方案供貨商Semtech產(chǎn)品應用工程師林忠杰(圖4)表示，LoRa在許多物聯(lián)網(wǎng)應用需求的特性上表現(xiàn)杰出。傳輸距離至少15公里，僅需要很簡單的基礎建設所以搭建簡單，傳輸信息時的耗電量約10mA，休眠時耗電量小于200nA。另外，采用非授權(quán)頻段、低基礎建設與終端成本，整體成本相對也低。

　　▲圖4 Semtech產(chǎn)品應用工程師林忠杰表示，LoRa的產(chǎn)業(yè)鏈與其他LPWAN技術(shù)相較完整許多，是發(fā)展的優(yōu)勢。

　　相較于其他的LPWAN技術(shù)，LoRa在產(chǎn)業(yè)鏈(圖5)的發(fā)展可說是其一大優(yōu)勢，林忠杰指出，終端節(jié)點/設備方面有正文、鴻海、Microchip、研華等廠商，在基地臺與網(wǎng)關(guān)部分有正文、鴻海、Cisco等廠商投入，網(wǎng)絡服務器等局端設備目前有IBM、正文、Actility、Stream等廠商，而在應用發(fā)展平臺部分有IBM、Senet與ARM的mbed平臺可以支持。比如在智能建筑、智慧城市、智能制造、智能運輸、智能農(nóng)業(yè)等應用都非常適合采用LoRa做為其物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

　　圖5 LoRa產(chǎn)業(yè)鏈概況

　　Weightless期待后發(fā)先至

　　2015年才起步的Weightless標準，網(wǎng)絡搭建的步伐不像LoRa或Sigfox那樣迅速，產(chǎn)業(yè)鏈樣貌也還不夠具體，優(yōu)必闊科技(ubiik)研發(fā)副總經(jīng)理傅倬(圖6)認為，Weightless頻譜利用效率很高，在相同條件下與LoRa、Sigfox相較，網(wǎng)絡訊號覆蓋LoRa最好，但在支持節(jié)點數(shù)量與頻譜效率部分，Weightless則較LoRa、Sigfox表現(xiàn)更好。

　　▲圖6 優(yōu)必闊科技研發(fā)副總經(jīng)理傅倬認為，Weightless支持多項先進網(wǎng)絡功能，可以提供接近NB-IoT的網(wǎng)絡服務質(zhì)量。

　　與其他LPWAN技術(shù)相同，Weightless也強調(diào)長距離、省電、支持多節(jié)點鏈接、網(wǎng)絡傳輸安全、彈性架構(gòu)與開放性標準等。傅倬進一步說明，目前Weightless SIG中，主要的會員包括ARM、Accenture、Sony等，該技術(shù)架構(gòu)中，支持多項先進網(wǎng)絡功能，包括：對稱式的上傳/下載(Symmetric DL/UL)、群播/廣播(Multicast/Broadcast)、訊息確認(Message Ack)、電池運作(Battery Operation)、電源控制(Power Control)、定位服務(Location Service)、換手支持(Handover Support)、韌體升級(Firmware Upgrade)等，其他技術(shù)并不完整支持的功能，可以提供接近NB-IoT的網(wǎng)絡服務質(zhì)量。

　　HaLow延續(xù)WiFi榮光

　　2016年1月正名為HaLow的IEEE 802.11ah技術(shù)，植基于現(xiàn)在大家熟悉的WiFi技術(shù)，采用非授權(quán)的900MHz頻段，并降低功耗、延伸傳輸距離，也希望在物聯(lián)網(wǎng)的市場占有一席之地。PC-Semi(Palma Ceia SemiDesign)亞洲業(yè)務發(fā)展總經(jīng)理易思齊(圖7)解釋，802.11ah技術(shù)與高帶寬的802.11ac技術(shù)相較，訊息信道帶寬從20∼160MHz縮減為1∼16MHz，載波間距(Subcarrier Spacing)從312.5KHz縮小到31.25KHz，天線從8×8MIMO減為4×4MIMO，傳輸速率從6.5∼6933.3Mbit/s降為0.15∼347Mbit/s，同時聯(lián)機人數(shù)也由2,007提升至8,000人以上。

　　▲圖7 PC-Semi亞洲業(yè)務發(fā)展總經(jīng)理易思齊解釋，HaLow是現(xiàn)在一般人熟悉的WiFi延伸，網(wǎng)絡搭建幾乎沒有門坎。

　　另外，在傳輸距離部分，原則上為1公里，透過Multi-hop Relays技術(shù)可以延伸到數(shù)公里，HaLow定義在“LPLAN”的應用，與其他強調(diào)距離更遠的LPWAN應用互補。易思齊強調(diào)，HaLow是現(xiàn)在一般人熟悉的WiFi延伸，網(wǎng)絡搭建幾乎沒有門坎，對于一般消費者或智慧家庭中的應用，可以無痛銜接。未來幾年IEEE還計劃發(fā)展更大傳輸距離的IEEE802.11af方案，采用54∼790MHz頻段。

　　HaLow的應用領(lǐng)域包括智能家居、智能工廠、感測網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)搜集、戶外的監(jiān)控等，也可以視為WiFi訊號延伸的解決方案，易思齊進一步說明，WiFi已經(jīng)是一般消費大眾接受的無線技術(shù)，HaLow可視為新版本并提供新功能，相信也會擁有高接受度。該技術(shù)2016年正式推出，預計2017年芯片解決方案可以問世，目標價格5美元以下，2018年進入市場提供商業(yè)化服務，未來可以做為NB-IoT的中繼解決方案，形成更完整的智慧城市物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡架構(gòu)。

　　Sigfox商業(yè)模式自成一格

　　已經(jīng)投入物聯(lián)網(wǎng)應用且近期因為擴展迅速，也相當受到矚目的Sigfox，成立于2009年，與其他LPWAN技術(shù)相較，最特別之處在于營運模式，該公司定位為全球的物聯(lián)網(wǎng)營運商，自行搭建網(wǎng)絡并營運，再向終端使用者收取服務費。Sigfox在臺灣地區(qū)的營運商UnaBiz業(yè)務發(fā)展協(xié)理何承翰(圖8)表示，Sigfox已經(jīng)在26個國家搭建網(wǎng)絡，每個國家一個Operator，網(wǎng)絡覆蓋面積達150萬平方公里，網(wǎng)絡覆蓋人口達3億人，已經(jīng)有900萬個聯(lián)網(wǎng)裝置運作中，預計2018年網(wǎng)絡搭建將延伸到60個國家和地區(qū)。臺灣從2016年12月啟動網(wǎng)絡搭建，先由六都開始，目標2018年第二季完成95%人口覆蓋率。

　　▲圖8 UnaBiz業(yè)務發(fā)展協(xié)理何承翰說明，Sigfox已經(jīng)在26個國家搭建網(wǎng)絡，網(wǎng)絡覆蓋面積達150萬平方公里，覆蓋人口達3億人。

　　在技術(shù)與傳送訊息機制上，何承翰指出，Sigfox的雙向網(wǎng)絡基于超窄頻帶(Ultra Narrow Band, UNB)無線通信技術(shù)，這項技術(shù)是以極低功耗和頻譜效率提供可擴展及高容量網(wǎng)絡。每天每個裝置最多可以傳送最140個訊息，每個訊息酬載(Payload)最大12bytes，速度100bit/s。裝置(TX)跟基地臺(RX)之間不需要任何溝通，只要在正確頻率發(fā)射訊號(使用SigFox Radio Protocol)，基地臺會自行聽取訊息，譯碼后將訊息丟到后臺存放，每個訊息會同時發(fā)送三次，在有效的傳送距離內(nèi)建議能建置二∼三個熱點，所以熱點之間沒有溝通機制而造成訊息漏失的狀況也不常見。

　　Sigfox目前在歐洲發(fā)展最為順利，臺灣算是該技術(shù)在亞洲較早布局的地區(qū)之一，并不是看中臺灣的市場潛力，而是該技術(shù)未來幾年需要積極建構(gòu)產(chǎn)業(yè)鏈，臺灣地區(qū)完整的科技產(chǎn)業(yè)有助于Sigfox迅速充實產(chǎn)業(yè)鏈。由于Sigfox的業(yè)務模式與其他技術(shù)相較最為獨特，但對于吸引廠商加入產(chǎn)業(yè)鏈也較沒吸引力，所以何承翰強調(diào)，Sigfox產(chǎn)業(yè)鏈是最為開放、可受信賴的，希望廠商與該公司一起努力壯大生態(tài)圈(Ecosystem)。