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低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network, LPWAN)具有低功耗、低成本、長距離、多節點等特性(圖1),近來隨著物聯網及機器對機器(M2M)應用發展日益火熱而快速成為市場關注焦點。現階段,包括使用授權頻段的NB-IoT(Narrow Band-IoT),以及採用非授權頻段的LoRaWAN、Sigfox、Weightless、HaLow、RPMA(Random Phase Multiple Access)等技術皆積極展開布局,也都不約而同投入布建實驗網並推動商業應用,期搶得業界主流標準的地位。

圖1 低功耗廣域網路定義與特性

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版本的規格將進一步訂定更細部的規範。顯而易見,LPWAN已經進入插旗搶市的階段,每個技術都希望迅速建立完整的產業鏈與商業模式,但不管是授權/非授權頻段技術,現階段都有各自的發展問題,各技術陣營也都希望可以盡力排除以便早日商業化運作,以便在此一新興市場取得先機。

授權/非授權頻段互相角力

物聯網簡單定義為沒有插頭或僅靠電池供電的裝置,以蒐集與傳輸各種數據,並接受來自伺服器的指令,讓物體實作互聯互通,所以電池供電的時間成為物聯網裝置的運作關鍵。LPWAN低功耗長距離的連網方式與物聯網的需求不謀而合。物聯網談論多年,直到最近市場需求與相關應用都更為具體,導致市場熱度快速提升,從技術分類的角度上來看,資策會MIC產業分析師曾巧靈(圖2)指出,使用非授權頻段的LPWAN技術,包括Sigfox、LoRaWAN、Weightless、HaLow、RPMA等,由於使用公開非授權頻段,因此進入門檻低、布建簡單、商業化進程較快,不過需要布建新的網路,而且非授權頻段各種應用紛陳,頻段擁擠容易產生干擾,也會導致電池壽命降低。

圖2 資策會MIC產業分析師曾巧靈指出,Sigfox與LoRa目前進展稍微領先,而NB-IoT標準有其優勢但預計要2018年才會商業化。

至於使用授權頻段的技術則以3GPP主導的NB-IoT為主,因為頻段使用需要授權,所以不會有非授權技術的干擾問題,且可利用現有的3G/4G基地台基礎建設,不用布建新網路,但標準制定過程相對嚴謹且繁複,需要耗費更多時間,2016年才在R13發布第一版標準內容,又即將於2017年的R14版本推出補充與增補的內容。綜合來看授權與非授權LPWAN陣營的優劣勢幾乎互補,未來幾年的推動進展,將更為重要。 以個別技術來看,曾巧靈說明,Sigfox網路已覆蓋三大洲、24個國家,如荷蘭、西班牙、法國、俄羅斯、英國、美國的許多城市,預計於2018年拓展至60個國家,目前已有700萬個物件連接,截至2015年超過50%物聯網連結來自Sigfox。該技術的產業鏈中,Sigfox不僅扮演規格制定者,也是網路服務供應商,同時提供軟體及雲端服務平台(Sigfox Cloud)。另外,2015年由IBM、思科(Cisco)、微芯(Microchip)、Laird與Semtech等廠商發起的LoRa,獲得多個資訊大廠支持,2016年有17個國家宣布建網計劃,超過120個城市已有運行網路,也受到多個電信營運商支持。

而採用2.4GHz頻段的RPMA,以美國為主要據點,技術由晶片商Ingenu主導,2016年底在30個主要都會區提供服務。2016年3月,Ingenu與25個國家包括澳洲、中國、紐西蘭、印尼、台灣、南非、泰國與阿拉伯聯合大公國等簽定授權協議。由IEEE主導的802.11ah標準,則早於2010年就開始發展,Draft 9.0版本於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布建,連網節點數目為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目前進展稍微領先,而NB-IoT雖然標準與支援有其優勢,但預計要2018年才會商業化。

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年就注意到物聯網的發展,並於R10就提出MTC(Machine-type Communication)規範,歷經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、頻寬20MHz。並導入省電模式(Power Saving Mode, PSM),往更低功耗與低傳輸速率的物聯網需求靠攏,以提升電池續航力,不過20MHz的頻寬還是太大,成本也太高,未能引起產業注意。

到了2016年3月的R13版本,3GPP透過複雜度簡化技術降低MTC終端裝置成本,發表了LTE Cat. M標準,傳輸速率同樣維持1Mbit/s,頻寬縮小至1.4MHz,強調終端節點的電池壽命可長達10年。資策會智通所前瞻行動通訊系統中心主任陳仕易(圖3)說,2016年6月3GPP趕忙又宣布傳輸速率100kbit/s,頻寬需求僅200kHz的NB-IoT。對於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)等三種方式規畫各自的NB-IoT頻譜。

圖3 資策會智通所前瞻行動通訊系統中心主任陳仕易說,2016年3GPP發布速率100kbit/s,頻寬僅200kHz的NB-IoT。

此外,NB-IoT有以下幾個設計目標,陳仕易說明,包括支援龐大的低效能裝置,每個cell至少支援5萬個device,並達成10年的電池壽命目標,延伸傳輸距離,也降低技術的複雜性,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,為在降低資料傳輸率、縮減頻寬、支援移動性的情況下最佳的IoT通訊協定。

2017年3GPP預計發表R14版本內容,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內涵。

LoRaWAN產業鏈發展健康

受到最多資訊廠商支持的LoRaWAN,在2012年組成LoRa聯盟,包括IBM與思科(Cisco)兩大廠與電信公司都押寶,發展至今已經有400多個會員廠商,獨家晶片解決方案供應商Semtech產品應用工程師林忠傑(圖4)表示,LoRaWAN在許多IoT應用需求的特性上表現傑出。傳輸距離至少15公里,僅需要很簡單的基礎建設所以布建簡單,傳輸資訊時的耗電量約10mA,休眠時耗電量小於200nA。另外,採用非授權頻段、低基礎建設與終端成本,整體成本相對也低。

圖4 Semtech產品應用工程師林忠傑表示,LoRaWAN的產業鏈與其他LPWAN技術相較完整許多,是發展的優勢。

相較於其他的LPWAN技術,LoRaWAN在產業鏈(圖5)的發展可說是其一大優勢,林忠傑指出,終端節點/設備方面有正文、鴻海、Microchip、研華等廠商,在基地台與閘道器部分有正文、鴻海、Cisco等廠商投入,網路伺服器等局端設備目前有IBM、正文、Actility、Stream等廠商,而在應用發展平台部分有IBM、Senet與ARM的mbed平台可以支援。舉凡在智慧建築、智慧城市、智慧製造、智慧運輸、智慧農業等應用都非常適合採用LoRaWAN做為其IoT解決方案。

圖5 LoRaWAN產業鏈概況

Weightless期待後發先至

2015年才起步的Weightless標準,網路布建的步伐不像LoRaWAN或Sigfox那樣迅速,產業鏈樣貌也還不夠具體,優必闊科技(ubiik)研發副總經理傅倬(圖6)認為,Weightless頻譜利用效率很高,在相同條件下與LoRa、Sigfox相較,網路訊號覆蓋LoRa最好,但在支援節點數量與頻譜效率部分,Weightless則較LoRa、Sigfox表現更好。

圖6 優必闊科技研發副總經理傅倬認為,Weightless支援多項先進網路功能,可以提供接近NB-IoT的網路服務品質。

與其他LPWAN技術相同,Weightless也強調長距離、省電、支援多節點連結、網路傳輸安全、彈性架構與開放性標準等。傅倬進一步說明,目前Weightless SIG中,主要的會員包括ARM、Accenture、Sony等,該技術架構中,支援多項先進網路功能,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)、換手支援(Handover Support)、韌體升級(Firmware Upgrade)等,其他技術並不完整支援的功能,可以提供接近NB-IoT的網路服務品質。

HaLow延續WiFi榮光

2016年1月正名為HaLow的IEEE 802.11ah技術,植基於現在大家熟悉的WiFi技術,採用非授權的900MHz頻段,並降低功耗、延伸傳輸距離,也希望在IoT的市場占有一席之地。PC-Semi(Palma Ceia SemiDesign)亞洲業務發展總經理易思齊(圖7)解釋,802.11ah技術與高頻寬的802.11ac技術相較,訊息通道頻寬從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,同時連線人數也由2,007提升至8,000人以上。

圖7 PC-Semi亞洲業務發展總經理易思齊解釋,HaLow是現在一般人熟悉的WiFi延伸,網路布建幾乎沒有門檻。

另外,在傳輸距離部分,原則上為1公里,透過Multi-hop Relays技術可以延伸到數公里,HaLow定義在「LPLAN」的應用,與其他強調距離更遠的LPWAN應用互補。易思齊強調,HaLow是現在一般人熟悉的WiFi延伸,網路布建幾乎沒有門檻,對於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還計畫發展更大傳輸距離的IEEE802.11af方案,採用54∼790MHz頻段。

HaLow的應用領域包括智慧家庭、智慧工廠、感測網路的資料蒐集、戶外的監控等,也可以視為WiFi訊號延伸的解決方案,易思齊進一步說明,WiFi已經是一般消費大眾接受的無線技術,HaLow可視為新版本並提供新功能,相信也會擁有高接受度。該技術2016年正式推出,預計2017年晶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IoT網路架構。

Sigfox商業模式自成一格

已經投入物聯網應用且近期因為擴展迅速,也相當受到矚目的Sigfox,成立於2009年,與其他LPWAN技術相較,最特別之處在於營運模式,該公司定位為全球的IoT營運商,自行布建網路並營運,再向終端使用者收取服務費。Sigfox在台灣的營運商UnaBiz業務發展協理何承翰(圖8)表示,Sigfox已經在26個國家布建網路,每個國家一個Operator,網路覆蓋面積達150萬平方公里,網路覆蓋人口達3億人,已經有900萬個聯網裝置運作中,預計2018年網路布建將延伸到60個國家。台灣從2016年12月啟動網路布建,先由六都開始,目標2018年第二季完成95%人口覆蓋率。

圖8 UnaBiz業務發展協理何承翰說明,Sigfox已經在26個國家布建網路,網路覆蓋面積達150萬平方公里,覆蓋人口達3億人。

在技術與傳送訊息機制上,何承翰指出,Sigfox的雙向網路基於超窄頻帶(Ultra Narrow Band, UNB)無線通訊技術,這項技術是以極低功耗和頻譜效率提供可擴展及高容量網路。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)跟基地台(RX)之間不需要任何溝通,只要在正確頻率發射訊號(使用SigFox Radio Protocol),基地台會自行聽取訊息,解碼後將訊息丟到後台存放,每個訊息會同時發送三次,在有效的傳送距離內建議能建置二∼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目前在歐洲發展最為順利,台灣算是該技術在亞洲較早布局的國家之一,並不是看中台灣的市場潛力,而是該技術未來幾年需要積極建構產業鏈,台灣完整的ICT產業有助於Sigfox迅速充實產業鏈。由於Sigfox的業務模式與其他技術相較最為獨特,但對於吸引廠商加入產業鏈也較沒吸引力,所以何承翰強調,Sigfox產業鏈是最為開放、可受信賴的,希望台灣廠商與該公司一起努力壯大生態圈(Ecosystem)。

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