IoT應(yīng)用/裝置數(shù)量飛速成長(zhǎng)認(rèn)識(shí)LPWAN發(fā)展刻不容緩

　　物聯(lián)網(wǎng)(IoT)發(fā)展需要長(zhǎng)距離的通訊，進(jìn)而催生出低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(LPWAN)的問世。

　　事實(shí)上，LPWAN一詞在2013年之前還不存在，但為了達(dá)成生活全面智能化的愿景，不論是產(chǎn)/官/學(xué)界，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展都抱持著高度的期待。根據(jù)預(yù)測(cè)，10年后的社會(huì)，將會(huì)有超過25億個(gè)設(shè)備串連在一起，足見落實(shí)LPWAN技術(shù)的應(yīng)用刻不容緩。其中，被高度探討的是作為非授權(quán)頻譜代表的LoRa，以及授權(quán)頻譜代表的窄頻物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)。

　　LoRa：低連網(wǎng)復(fù)雜性、低耗能為特點(diǎn)

　　LoRa技術(shù)是基于1GHz以下的資料傳輸，由Semtech公司所開發(fā)?；诰€性Chirp Spread Spectrum(CSS)擴(kuò)頻調(diào)制，在相同頻率下，不同擴(kuò)頻序列的終端設(shè)備也不會(huì)互相干擾。

　　再者，LoRaWAN則是專為依賴電池供電的無(wú)線裝置所設(shè)計(jì)的規(guī)范，通訊實(shí)體主要包括三個(gè)部份(如圖1所示)：終端設(shè)備(End Device)、閘道器(Gateway)和伺服器(Network Service)。

　　圖1 LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)屬于星狀拓?fù)洌薪K端設(shè)備透過LoRa傳輸連接到閘道器，閘道器則透過實(shí)體網(wǎng)絡(luò)連線到伺服器進(jìn)行訊息整合。此架構(gòu)能減少網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性以及能量的損耗，有效的延長(zhǎng)電池壽命。

　　另一方面，依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，終端設(shè)備可以不同的工作模式運(yùn)作，以滿足不同應(yīng)用的需求，一共分為3種不同傳輸方式：Class A、Class B、Class C。數(shù)據(jù)延遲與電能消耗兩者之間成為決定傳輸方式的關(guān)鍵因素。

　　Class A：雙向通信

　　此一方式能夠省下最多的電能，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)下載的延遲也最為明顯。由于裝置的傳輸功能平常是處于關(guān)閉的狀態(tài)，當(dāng)裝置上傳數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)短暫執(zhí)行接收數(shù)據(jù)二次，緊接著又會(huì)再次關(guān)閉傳輸，借此節(jié)省電力。這樣一來(lái)，節(jié)電機(jī)制會(huì)導(dǎo)致裝置無(wú)法即時(shí)傳送數(shù)據(jù)，進(jìn)而造成相對(duì)較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)延遲。

　　Class B：具有預(yù)設(shè)接收槽的雙向通信

　　此一方式需負(fù)擔(dān)較多的電量，由于能夠在設(shè)定的時(shí)間定期開啟下載功能、接收數(shù)據(jù)，以降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。

　　以Class B來(lái)說(shuō)，終端設(shè)備會(huì)在預(yù)設(shè)的時(shí)間中開放多余的接收視窗;為能達(dá)到這一目的，終端設(shè)備會(huì)同步從閘道器中接收一個(gè)Beacon，并通過此Beacon將基站與模組的時(shí)間進(jìn)行同步。透過這種方式，能使伺服器掌握到終端設(shè)備正在接收資料。為了讓數(shù)據(jù)保持同步的狀態(tài)，因此會(huì)消耗較多的電量。

　　Class C：具有最大接收槽的雙向通信

　　此一方式消耗最多的電量，在上傳數(shù)據(jù)以外的時(shí)間，持續(xù)開啟下載功能，以大幅降低延遲。

　　NB-IoT：采授權(quán)頻譜提升傳輸效能/品質(zhì)

　　NB-IoT技術(shù)始于2015年9月的3GPP會(huì)議制定工作項(xiàng)目，其第13版在2016年的年中制定完成。由于是布建在授權(quán)頻譜，相對(duì)于其他LPWAN技術(shù)，在大量布建時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生的連線碰撞問題，NB-IoT對(duì)此可有明顯的改善。

　　目前來(lái)看，NB-IoT一共有三種操作模式：其一為載波獨(dú)立于原先LTE的Standalone Mode;其二為在原先LTE載波間的Guard Band中，塞入NB-IoT的Guard-Band Mode;其三則為在運(yùn)營(yíng)商所使用的LTE載波中，切割出給NB-IoT操作的In-Band Mode。

　　其中，Standalone Mode最容易實(shí)作出，也是被很多NB-IoT基地臺(tái)開發(fā)商首先建構(gòu)出的版本。然而，對(duì)于現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)商而言，為了在現(xiàn)有購(gòu)買的頻譜中提供NB-IoT服務(wù)，則傾向采用在原先LTE載波中切割NB-IoT操作頻段的模式。

　　有鑒于此，對(duì)于要滿足運(yùn)營(yíng)商需求的NB-IoT基地臺(tái)開發(fā)商來(lái)說(shuō)，必須設(shè)法解決NB-IoT頻段，以及現(xiàn)有LTE頻段間的干擾問題，才有辦法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)In-Band Mode的操作模式。

　　現(xiàn)階段，3GPP的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)一共有三種，一種是eMTC，第二種是NB-IoT，第三種是EC-GSM-IoT。三種規(guī)格比較表格如圖2所示。

　　圖2 eMTC、NB-IOT和EC-GSM-IOT的比較

　　對(duì)比NB-IoT系統(tǒng)，eMTC和EC-GSM-IoT只能應(yīng)用在In-Band的架構(gòu)。再者，相較于eMTC，NB-IoT具有更低的成本、更高的涵蓋范圍，并可提供更長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間(10年每小時(shí)5瓦的功率消耗)，每個(gè)NB-IoT蜂巢可支援到5萬(wàn)個(gè)對(duì)應(yīng)物件。

　　NB-IoT有自己的物理層通道和同步訊號(hào)，支援單一的HARQ流程、簡(jiǎn)易的RLC AM模組及一組DRB。NB-IoT和eMTC都可支援在控制層傳送小封包資料，核心網(wǎng)的MME、S-GW和P-GW整合成C-SGN，支援non-IP資料的傳輸，支援在連線時(shí)無(wú)建立PDN Connectivity。

　　除此之外，NB-IoT可支援到三種不同的涵蓋范圍，即便NB-IoT物件隨機(jī)存取失敗，倘若連線到的基地臺(tái)可支援其他涵蓋范圍時(shí)，則可更改到不同的涵蓋范圍，進(jìn)行隨機(jī)存取。

　　第14版NB-IoT規(guī)格于2017年年中制訂完成，可支援OTDOA以及UTDOA的定位功能。此規(guī)格能提供多方傳送模式(SC-PTM)，允許系統(tǒng)同時(shí)對(duì)多個(gè)設(shè)定物件傳送相同資料，并提供低功率消耗和透過上下行兩組HARQ減低傳送延遲問題。

　　另外，新版規(guī)格亦可允許NB-IoT物件透過非定錨的載波連接上基地臺(tái)，或借此呼叫物件以建立連線。相對(duì)第13版強(qiáng)制NB-IoT物件必須在同一個(gè)蜂巢下連線，新規(guī)格則提供NB-IoT物件可移動(dòng)性和服務(wù)連續(xù)性等功能。

　　盡管設(shè)計(jì)上較原先3GPP的eMTC物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，NB-IoT就其他LPWAN技術(shù)而言，由于需要支援蜂巢網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，外加芯片設(shè)計(jì)較復(fù)雜，其建置成本自是高于一般LoRa、Sigfox等，卻也相對(duì)有辦法提供較佳的系統(tǒng)表現(xiàn)，以及較高的傳輸速率。不僅如此，因運(yùn)用原先蜂巢網(wǎng)絡(luò)的加密設(shè)計(jì)，NB-IoT較其他LPWAN具備更佳的傳送安全性。

　　此外，NB-IoT物件也能運(yùn)用在智慧電表、停車場(chǎng)感應(yīng)服務(wù)、智慧城市等自動(dòng)感應(yīng)器應(yīng)用上。

　　現(xiàn)階段，全球已布建eMTC和NB-IoT系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)商如圖3所示。

　　圖3全球eMTC和NB-IoT布建的情況

　　Cat-M1為支援eMTC規(guī)格的物件，至于Cat-NB1則為支援NB-IoT規(guī)格的物件。eMTC系統(tǒng)可提供較寬頻寬，因此Cat-M1支援移動(dòng)性的功能;相對(duì)地，第13版的Cat-NB1只支援再選蜂巢網(wǎng)絡(luò)功能。除此之外，Cat-M1也支援語(yǔ)音服務(wù)。

　　另一方面，NB-IoT系統(tǒng)在第15版、即5G架構(gòu)下，預(yù)計(jì)支援TDD模組的Wake-Up Receiver，可望提供更有效的功率消耗操作模式。

　　eMTC和NB-IoT系統(tǒng)在第14版和第15版提供的功能如圖4所示。

　　圖4 Release 14和Release 15功能

　　5G需要支援更大量的物件、使它們同時(shí)連上蜂巢網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，整體系統(tǒng)也能提供更高的頻寬、速率，提供大量物件傳送資料的功能。5G預(yù)計(jì)在2019年先提供eMBB和URLLC的功能，大量IoT物件聯(lián)網(wǎng)的功能則預(yù)計(jì)在第二階段提供。得利于此，NB-IoT系統(tǒng)可望在5G架構(gòu)下支援LoRa以及Sigfox系統(tǒng)，進(jìn)而支援其生態(tài)系下大量物件的物件量。

　　LoRa技術(shù)趨近純熟NB-IoT極具發(fā)展?jié)摿?/strong>

　　無(wú)論是LoRa、NB-IoT，都能為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供良好的技術(shù)支援，不過兩項(xiàng)技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn)(圖5)，以及不同的應(yīng)用取向。下列將分別以服務(wù)品質(zhì)、電池壽命與延遲、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、部署形式、成本等不同面向進(jìn)行較詳細(xì)的說(shuō)明。

　　圖5 LoRa與NB-IoT特性比較

　　服務(wù)品質(zhì)(QoS)

　　高品質(zhì)服務(wù)提供需要傳輸環(huán)境保持穩(wěn)定狀態(tài)，而屬授權(quán)頻譜、同步協(xié)定的NB-IoT所能提供的服務(wù)品質(zhì)，自然優(yōu)于非屬授權(quán)頻譜、同步協(xié)定的LoRa。

　　當(dāng)然，倘若高品質(zhì)服務(wù)為系統(tǒng)建置的重點(diǎn)訴求，就不得不付出相應(yīng)的代價(jià)，采用成本較高的NB-IoT;相對(duì)地，若對(duì)服務(wù)品質(zhì)無(wú)太大追求，成本較低的LoRa是較適宜的選擇。

　　電池壽命與延遲(Battery Life& Latency)

　　LoRaWAN由于為非同步協(xié)定，網(wǎng)域內(nèi)設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)的時(shí)間可長(zhǎng)可短。相形之下，NB-IoT由于設(shè)備會(huì)定期同步，因而將耗損額外的電力。倘若對(duì)于訊息的延遲較不敏感，也沒有大量的資訊需要傳遞的情況下，LoRa會(huì)是較適宜的選擇。

　　部署形式(Deployment Model)

　　NB-IoT的部署可以透過升級(jí)現(xiàn)存的蜂巢式網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成，但此功能現(xiàn)階段還在發(fā)展階段。相形之下，LoRaWAN已然具備堪稱成熟的生態(tài)系。

　　網(wǎng)絡(luò)覆蓋(Network Coverage)

　　LoRa最大的優(yōu)勢(shì)之一在于其覆蓋面積。以比利時(shí)為例，總面積約30500平方公里，約7個(gè)基站就能將網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國(guó)。相形之下，NB-IoT的布署受限于4G/LTE基站，到鄉(xiāng)村或郊區(qū)等無(wú)4G覆蓋的地區(qū)，就失去收訊。

　　成本(Cost)

　　在成本的計(jì)算上，除了得考慮到網(wǎng)絡(luò)成本、設(shè)備成本和部署成本外，還不得不考量頻譜成本。鑒于NB-IoT屬于授權(quán)頻譜，必需額外付費(fèi)，成本上自然高于LoRa。