LoRa/Sigfox/NB-IoT各領(lǐng)風(fēng)騷 LPWAN滿足IoT省電需求

　　資通訊產(chǎn)業(yè)下一階段的發(fā)展重點(diǎn)之一為物聯(lián)網(wǎng)，將會(huì)有許多新創(chuàng)團(tuán)隊(duì)鎖定物聯(lián)網(wǎng)，以智能城市為主題推出各種產(chǎn)品與應(yīng)用，將資通訊領(lǐng)域發(fā)展推向另一高峰。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展下，以智能城市做為主軸，相關(guān)的應(yīng)用盡管變化莫測(cè)，但依然都需要無線網(wǎng)絡(luò)做為底層機(jī)制。 此外，為了滿足物聯(lián)網(wǎng)裝置省電、長距離傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用場景需求，低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network, LPWAN)因此而生。

　　LPWAN是物聯(lián)網(wǎng)被談?wù)摱嗄曛?，萬物聯(lián)網(wǎng)最具體的實(shí)現(xiàn)。 由于對(duì)于影音、數(shù)據(jù)傳輸、即時(shí)消息等沒有過于復(fù)雜的要求，學(xué)者相當(dāng)看好物聯(lián)網(wǎng)裝置數(shù)量的成長，并預(yù)估聯(lián)網(wǎng)裝置數(shù)量將在2021年累積高達(dá)280億個(gè)，其中的150億是物聯(lián)網(wǎng)裝置。 面對(duì)此一趨勢(shì)，產(chǎn)業(yè)界也興起一波投入熱潮，希望能快速布局搶占商機(jī)。

　　無線通信領(lǐng)域的發(fā)展相當(dāng)迅速，二十年來，從移動(dòng)電話問世到現(xiàn)在已經(jīng)在討論第五代標(biāo)準(zhǔn)。 而在5G正式上路之前，LPWAN提供產(chǎn)業(yè)持續(xù)前進(jìn)的動(dòng)力，由于LPWAN相關(guān)技術(shù)難度不高，所以許多低功耗長距離的技術(shù)陸續(xù)被提出。 根據(jù)愛立信行動(dòng)趨勢(shì)報(bào)告(Ericsson Mobility Report)的預(yù)測(cè)，2023年具備有LPWAN能力的物聯(lián)網(wǎng)裝置將超過40億臺(tái)。

　　目前備受注目的LPWAN技術(shù)為LoRa、Sigfox、NB-IoT。 就LPWAN業(yè)者提供的服務(wù)現(xiàn)況而言，大致可歸類為智能讀表系統(tǒng)、停車管理、資產(chǎn)追蹤、環(huán)境監(jiān)測(cè)等四大領(lǐng)域。

　　LoRa技術(shù)屬于非授權(quán)頻段(Unlicense Band)，數(shù)據(jù)傳輸在1GHz以下。 基于線性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。 而伴隨著應(yīng)用場景的改變，終端設(shè)備的工作模式亦可以隨之調(diào)整成三種不同的傳輸方式：ClassA、ClassB、ClassC，以滿足不同應(yīng)用的需求。

　　而Sigfox技術(shù)同樣為非授權(quán)頻段，其傳輸速率最低僅100bits/s，每個(gè)裝置每天最多只能傳送140個(gè)訊息，而每個(gè)訊息酬載(Payload)最大至12bytes。 裝置只要使用Sigfox Radio Protocol，在對(duì)的頻率發(fā)射訊號(hào)，基地臺(tái)會(huì)自行接收訊息，裝置(TX)跟基地臺(tái)(RX)之間不需要任何溝通。

　　另一方面，NB-IoT技術(shù)屬于授權(quán)頻段(License Band)，大幅改善了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)LPWAN在大量布建下所產(chǎn)生的聯(lián)機(jī)碰撞問題。 操作模式可分為三種，第一種為NB-IoT的載波獨(dú)立于原先LTE的操作頻段(Stand-Alone Mode)，第二種為在原先LTE載波間的保護(hù)頻段(Guard Band)塞入NB-IoT的操作載波(Guard-Band Mode)，第三種為在運(yùn)營商所使用的LTE載波中切割出給NB-IoT操作的載波頻段(In-Band Mode)。

　　聯(lián)網(wǎng)技術(shù)各臨挑戰(zhàn)

　　LoRa、Sigfox、NB-IoT各有優(yōu)勢(shì)，以下針對(duì)技術(shù)的現(xiàn)況進(jìn)行說明，并探討這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)將為LoRa帶來哪些發(fā)展上的挑戰(zhàn)。

　　. LoRa大張旗鼓

　　LoRa是最受產(chǎn)業(yè)支持的LPWAN技術(shù)，由IBM、Cisco領(lǐng)軍，組成LoRa聯(lián)盟。 聯(lián)盟中各領(lǐng)域的廠商雖然類型不同，但都有著成為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代領(lǐng)導(dǎo)廠商的共同目標(biāo)。 使得聯(lián)盟自2015年3月成立以來，會(huì)員快數(shù)增長，已高達(dá)460個(gè)。 LoRaWAN尤其受到電信營運(yùn)商支持，韓國SK Telecom、法國Orange、大陸中興電信等，而臺(tái)灣的亞太電信也在鴻海集團(tuán)資源的支持下，成立富鴻網(wǎng)進(jìn)軍LoRaWAN領(lǐng)域。 目前已超過120個(gè)城市有網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，而富鴻網(wǎng)于臺(tái)灣的臺(tái)北市與新北市布建了500個(gè)基地臺(tái)。 然而，聯(lián)盟中芯片相關(guān)的廠商還是比較弱勢(shì)的一環(huán)，由于LoRa網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)掌握在Semtech身上，芯片廠商若想展開合作關(guān)系，通常是以MCU搭配Semtech的通訊芯片，或者推出模塊的方式。

　　. Sigfox搶灘登陸

　　Sigfox是由法國網(wǎng)絡(luò)營運(yùn)商Sigfox所自行研發(fā)的技術(shù)，擴(kuò)大建置網(wǎng)絡(luò)，比其他競爭對(duì)手更快的搶下市場，是這家新創(chuàng)公司所采取的策略。 目前，Sigfox全球網(wǎng)絡(luò)覆蓋已達(dá)32個(gè)國家，明年有望完成60個(gè)國家的基礎(chǔ)布建。 Sigfox上游技術(shù)IP免費(fèi)授權(quán)，輔以垂直整合模式，從上游的硬件制造到網(wǎng)絡(luò)布建、服務(wù)供應(yīng)一條龍的作法，吸引許多廠商加入其生態(tài)系統(tǒng)。 設(shè)備制造伙伴已經(jīng)有71家、IoT平臺(tái)供貨商有49家、芯片供貨商8家、模塊廠商15家、軟件與設(shè)計(jì)服務(wù)業(yè)者30家與育成/創(chuàng)投業(yè)者4家。 其中芯片供貨商包括德州儀器(TI)、意法半導(dǎo)體(ST)、芯科(Silicon Labs)、安森美(On-Semi)、恩智浦(NXP)、Ethertronics、Microchip與云創(chuàng)通訊(M2Comm)。

　　智能停車是導(dǎo)入LPWAN技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)之一，可以預(yù)見的是此應(yīng)用很快會(huì)掀起一波價(jià)格戰(zhàn)，而Sigfox的低價(jià)化優(yōu)勢(shì)，且技術(shù)最為簡單，有可能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到終端芯片2美元的目標(biāo)，預(yù)計(jì)能搶下部分市場。 另一方面，Sigfox亞洲營運(yùn)商優(yōu)納比已于今年10月公布收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，月租費(fèi)介于新臺(tái)幣2元到22元之間，使臺(tái)灣成為Sigfox全球收費(fèi)最便宜的市場，勢(shì)必為LoRa帶來挑戰(zhàn)。

　　. NB-IoT蓄勢(shì)待發(fā)

　　NB-IoT是由國際電信標(biāo)準(zhǔn)制定組織3GPP所推廣的新一代物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)，不僅有較高的數(shù)據(jù)傳送率，還有較大的數(shù)據(jù)傳送量，此外基于授權(quán)頻段而有較佳的傳輸質(zhì)量。 而技術(shù)采用原先蜂巢網(wǎng)絡(luò)的加密設(shè)計(jì)，因此在訊息的傳送上，具有更高的安全性。 盡管NB-IoT今年才完成標(biāo)準(zhǔn)制定，最快明年才會(huì)正式推出商業(yè)應(yīng)用，但也獲得不少企業(yè)力挺，如英國電信商Vodafone等，有機(jī)會(huì)在2018年領(lǐng)導(dǎo)LPWAN市場，是LoRa較勁的對(duì)手。

　　聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用各有優(yōu)勢(shì)

　　隨著智能城市的公用事業(yè)IoT應(yīng)用如水表、煙霧偵測(cè)器、加油箱等規(guī)模持續(xù)增長，增加了更多需要設(shè)備與設(shè)備間的小量數(shù)據(jù)且遠(yuǎn)距無線傳輸用途的應(yīng)用需求。 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍將日益擴(kuò)大，但是應(yīng)用的情況會(huì)隨著建置場域的不同而有所差異。

　　. LoRa成本低

　　LoRa技術(shù)是一種采用免許可頻段的IoT無線通信技術(shù)，具備有能實(shí)現(xiàn)長距離且低功耗的傳輸特性，包括了傳輸距離可涵蓋至十多公里的范圍，而靠著裝置內(nèi)建的電池可維系10年以上的使用時(shí)間，對(duì)于企業(yè)安裝部署所需負(fù)擔(dān)的成本也較低。

　　荷蘭電信巨頭KPN僅透過在原有的3G/4G電信基地臺(tái)加裝數(shù)百個(gè)LoRa無線通信基地臺(tái)，就成功打造一個(gè)能涵蓋全國戶外的LoRa物聯(lián)無線感測(cè)網(wǎng)絡(luò)，至少提供包括道路照明、交通號(hào)志、煙霧報(bào)警器、 廢棄物管理及移動(dòng)追蹤等用途之150萬個(gè)IoT裝置使用。 另外南韓最大電信商鮮京電信也在大邱市提供LoRa網(wǎng)絡(luò)之商用IoT服務(wù)。 就連臺(tái)北市、紐約等城市也陸續(xù)布建LoRa網(wǎng)絡(luò)來打造IoT應(yīng)用。

　　Atilze Digital在2017年4月底宣告在馬來西亞布建第一個(gè)LoRa網(wǎng)絡(luò)，并使用LoRaWAN的技術(shù)建置25個(gè)LoRa Gateway，預(yù)計(jì)在2020年時(shí)提供3億多的LoRa組件連上網(wǎng)絡(luò)。Atilze Digital提供聯(lián)網(wǎng)車載、進(jìn)階駕駛協(xié)助系統(tǒng)(ADAS)、智能城市、智能農(nóng)業(yè)、智能家庭等物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。 SK Telecom在今年9月利用LoRa技術(shù)在車輛行駛管理系統(tǒng)，將車輛行駛情況回報(bào)系統(tǒng)。 SK Telecom的LoRa物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合LTE-M的技術(shù)，提供在電表、追蹤系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、工廠及建筑的服務(wù)。 圖1為SK Telecom用在追蹤系統(tǒng)的平臺(tái)。 如圖所示，追蹤功能的組件透過LPWA技術(shù)連接到DCU上，且由ThinkgPlug平臺(tái)來做組件控制。ThinkPlug平臺(tái)藉由oneM2M技術(shù)來提供管理者可以透過Web接口來控制組件。SK Telecom也利用LoRa技術(shù)在印度尼西亞提供車輛位置追蹤系統(tǒng)、智能電表等服務(wù)。SK Telecom也預(yù)計(jì)在2018年在印度提供由SK Telecom的ThingPlug物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建置的電視服務(wù)。Telecom利用LoRa物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供在安全系統(tǒng)以及智能工廠和智能建筑的服務(wù)。 如圖所示，SK Telecom利用在安全系統(tǒng)或是工廠機(jī)器人上布建大量的傳感器，透過傳感器組件所發(fā)出的Beacon來溝通，再透過LoRa組件收集傳感器的信息，利用LoRa或是WiFi網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞到后端SK Telecom系統(tǒng)的服務(wù)器，管理者可以透過SK Telecom的EHS平臺(tái)來監(jiān)控系統(tǒng)。

　　LoRa雖然可用在許多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)上，而被越來越多業(yè)者采用，但是LoRa也有在使用上的利弊。 如圖5所示，要如何將LoRa網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有建置的IT環(huán)境無縫整合也是一個(gè)影響LoRa建置的議題。 LoRa網(wǎng)絡(luò)如何和舊有環(huán)境和未來新建置的環(huán)境結(jié)合，如何能管理這些系統(tǒng)，如何能提供系統(tǒng)的安全性，也是待解決的問題，尤其是這些物聯(lián)網(wǎng)組件因?yàn)榈统杀炯暗蛷?fù)雜度， 這些LoRa物聯(lián)網(wǎng)組件提供的安全機(jī)制遠(yuǎn)低于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)和手機(jī)系統(tǒng)能提供的安全性，因?yàn)槿狈Π踩珯C(jī)制設(shè)計(jì)，更容易在被駭入后被拿來做大量的網(wǎng)絡(luò)攻擊(DDoS);而且因?yàn)椴冀↙oRa系統(tǒng)在智能家電上會(huì)更接近用戶的生活， 造成的資安問題將會(huì)更嚴(yán)重。 有許多業(yè)者采用LoRa系統(tǒng)來提供智能工廠的服務(wù)，但安裝在機(jī)器上的物聯(lián)網(wǎng)感測(cè)系統(tǒng)被駭入后，則會(huì)還有工廠安全的問題要考慮。 LoRa物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)因?yàn)榈统杀?、低功耗、廣域傳輸、組件可以長時(shí)間使用(超過十年壽命)等優(yōu)點(diǎn)，能在初期提供快速的自動(dòng)化智能管理的建置，但布建后衍生的安全漏洞也是一大問題。

　　. Sigfox宜大范圍監(jiān)控

　　Sigfox最大的特點(diǎn)在于傳輸速率低、傳輸范圍廣泛，相當(dāng)適合發(fā)展大范圍的環(huán)境監(jiān)控。 不過該技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸量有每日上限，不能傳輸龐雜的訊息。 以基礎(chǔ)訊息為主，流量回報(bào)頻率低，每小時(shí)僅需回報(bào)一次的應(yīng)用，如水表、電表、路燈等智能控制，就適合采用Sigfox技術(shù)。 然而，歐美等地近期為響應(yīng)節(jié)能減碳，紛紛實(shí)施尖離峰差別電價(jià)，流量回報(bào)頻率將提高至每15分鐘回報(bào)一次。 如此密集的傳輸頻率，Sigfox技術(shù)就無法負(fù)荷。 而Sigfox核心網(wǎng)絡(luò)的營運(yùn)與布建都掌握在法國網(wǎng)絡(luò)營運(yùn)商Sigfox，并強(qiáng)調(diào)一個(gè)國家地區(qū)一個(gè)營運(yùn)商，全球同一網(wǎng)絡(luò)，某種程度也是發(fā)展的一大阻礙，因?yàn)樯倭穗娦派痰闹С?，Sigfox要進(jìn)入消費(fèi)性的物聯(lián)網(wǎng)市場難度恐將更為提升。

　　. NB-IoT占先機(jī)

　　NB-IoT因采用授權(quán)頻譜，可具備運(yùn)營商級(jí)的安全和QoS保證，且支持現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)，勢(shì)必可在最短時(shí)間內(nèi)搶占市場。 NB-IoT技術(shù)最適合運(yùn)用在需要頻繁傳輸且具較短的下行延遲(Downlink Delay)之應(yīng)用。

　　但是，NB-IoT的部署成本是高于其他LPWAN技術(shù)，其硬件成本較高，電池壽命的損耗較大，裝置消耗的功耗是LoRa裝置的5倍多。 而目前市場上IoT裝置多數(shù)是以數(shù)據(jù)傳輸為用途，例如：水表、傳感器等。 因此，即使NB-IoT開始發(fā)展商業(yè)應(yīng)用，還是難以取代LoRa的裝置。 LoRa技術(shù)成熟度領(lǐng)先NB-IoT約一～二年，若可以利用這不到兩年的時(shí)間好好發(fā)展，把握這拉開差距的最佳時(shí)機(jī)，或許就可以搶占先機(jī)，并藉此在市場上取得一席之地。

　　各技術(shù)合作截長補(bǔ)短

　　智能城市的發(fā)展已如火如荼的進(jìn)行著，而不久的將來，身為臺(tái)灣經(jīng)濟(jì)重心的科技園區(qū)，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)入物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，搜集工廠內(nèi)的數(shù)據(jù)，例如：溫度、水、氣體，進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)來提高產(chǎn)能以實(shí)現(xiàn)智能制造。 雖然LoRa的數(shù)據(jù)傳輸距離沒有Sigfox來得遠(yuǎn)，但是相對(duì)擁有較高的傳輸帶寬，是技術(shù)選擇的首選。 以占地十公里的晶圓廠為例，在廠區(qū)內(nèi)搭建一個(gè)封閉型的LoRaWAN，建設(shè)成本與難度都不高。 企業(yè)將廠區(qū)所搜集到的數(shù)據(jù)，可采用透過更大范圍的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)或者現(xiàn)有的4G LTE網(wǎng)絡(luò)傳送到開放的云端或私有云，將整合多個(gè)廠區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯整分析。 正如同LoRa標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)始人Olivier Hersent所言：LoRa和NB-IoT并不存在競爭關(guān)系，而是將會(huì)發(fā)展成為如同Wi-Fi和LTE的合作關(guān)系，彼此共存。 然而LoRa也有如何將LoRa網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有建置的IT環(huán)境無縫整合、以及如何能管理這些系統(tǒng)、如何提供系統(tǒng)的安全性等待解決的問題，尤其是物聯(lián)網(wǎng)的裝置若在缺乏安全機(jī)制的設(shè)計(jì)下，更容易引發(fā)嚴(yán)重的資安問題。