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NB-IoT/LoRa/Sigfox產業應用實務
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低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network, LPWAN)2017下半年將陸續投入商轉,NB-IoT、LoRa、Sigfox三大陣營脫離試運行的實驗網階段。NB-IoT經過R13與R14版本的強化,技術架構逐漸完善;LoRa聯盟會員已經突破500大關,周邊商品陸續問世;Sigfox全球網路覆蓋達32個國家,預計2018年將完成60個國家的網路布建。另外各陣營近期密集宣稱開台、核照,相關服務在2018年都將上路,市場好不熱鬧。 

NB-IoT各大電信營運商陸續宣布開台,並投入公共事業、共享經濟、智慧城市等相關服務;LoRa在智慧讀表、智慧農業、工業物聯網具備優勢;Sigfox領先取得國內二類電信執照,並於跨國大範圍的智慧讀表、智慧監測等應用持續發展。本次邀請現今主要LPWAN技術陣營的廠商現身說法,剖析各技術內涵與開發要點,並勾勒產業應用前景。 

圖1 資策會MIC產業分析師曾巧靈說,未來兩年LPWAN晶片預計將朝向多頻多模的方向發展,提供跨網跨域之服務基礎。
LPWAN商用摩拳擦掌 

物聯網由The Next Big Things口號發展至今,IoT架構中的各項元素陸續發展到位,低功耗廣域網路由於具備低功耗(Low Power)、低複雜度(Low Complexity)、低成本(Low Cost)、長距離(Long Distance)、大量連結(Large Number of Connections)特性,而且技術難度不高,從早期的M2M發展起,近期已屆商用階段,較受市場注目的技術包括:eMTC、NB-IoT、Sigfox、LoRaWAN、HaLow、Weightless等。 

上述LPWAN從使用頻段來觀察,分成授權頻段(Licensed Band)與非授權頻段(Unlicensed Band),資策會MIC產業分析師曾巧靈(圖1)說,授權頻段以3GPP電信網路相關的物聯網標準為主,包括GSM-IoT、LTE-M與NB-IoT等。非授權頻段則以LoRaWAN與Sigfox,這兩個源起自法國,運作於1GHz以下的技術發展最為迅速。 

LPWAN的發展目前還屬戰國時代,因此不僅技術紛雜,使用的頻段也是,不利於部分應用與市場的推動,曾巧靈指出,未來兩年LPWAN晶片預計將朝向多頻多模的方向發展,Qualcomm與華為協助韓國電信營運商開發同時支援1.8GHz與800MHz的雙頻NB-IoT晶片;摩拜單車、Qualcomm及中國移動研究院2017年5月使用高通MDM9206晶片,進行支援LTE-M、NB-IoT與E-GPRS的多模測試。對營運商而言,多模多頻解決方案可以提供跨網跨域之服務基礎,擴大其服務類型與範圍。 

圖2 LPWAN三大陣營積極拓展產業鏈

資料來源:各公司,MIC整理(9/2017)

現階段,包括3GPP LPWAN與LoRa、Sigfox三大陣營,都持續強化自身產業鏈(圖2)在晶片、模組、閘道器(Gateway)/基地台(Base Station)、營運商等不同層面的產業實力,整體而言各有優劣勢,較特別的是有越來越多廠商多方押寶,不只投入一項技術。曾巧靈強調,未來搶占有潛力的應用市場與發展為消費者接受的商業模式,可能會是脫穎而出的關鍵之一。 

圖3 資策會智慧所蔡宜學博士說明,2018年Release 15的NB-IoT版本,預計會有更多細節的技術改善。
NB-IoT持續改善技術缺陷

3GPP發展物聯網應用其實早在2008年Release 8版本中的LTE Cat-1,就有MTC(Machine Type Communication)的應用設計,資策會智慧所蔡宜學博士(圖3)說明,其後幾年針對MTC應用的技術內容持續簡化以提升連結數、傳輸距離、降低功耗、傳輸速率,發展出LTE Cat-0與Cat-M1等,一直到Release 13版本正式發表Cat-NB1也就是NB-IoT。 

Release 13版本的NB-IoT僅具最基本的技術內涵,許多應用需要的特殊功能都還付之闕如,在Release 14版本強化了定位(Positioning)功能,蔡宜學提到,NB-IoT的定位是以OTDOA利用基地台的三角定位,實際的運作是以Idle Mode進行量測定位訊號,因為進行量測的同時,無法監控NPDCCH,進而影響傳收資料。NB-IoT延長量測時間以增加量測精準度,因此相對的必須延長LPP反應時間(Response Time)。 

圖4 遠傳電信物聯網應用發展部協理張連成表示,未來物聯網服務價值鏈的營收分配高達73%將由服務與應用產生。
到了2018年Release 15的NB-IoT版本,預計會有更多細節的技術改善,蔡宜學解釋,這個版本的技術演進主要分成三個部分,一是針對功耗、量測與支援小型基地台的架構,同時首次加入支援低延遲(Low Latency)達10ms。第二部分就是支援分時多工系統(Time-division Duplex, TDD),並增加更多頻段的支援。第三部分就是與服務品質有關的QoS、存取限制(Access Barring)、終端回饋(UE Feedback)等。 

NB-IoT強調服務品質優勢 

物聯網在近年之所以會受到產業高度關注的主要原因之一,就在於物聯網裝置的數量規模從幾十億到幾百億,而支撐這個連結依靠的可能就是LPWAN技術,其中扮演服務提供者的電信商角色非常關鍵,遠傳電信物聯網應用發展部協理張連成(圖4)表示,NB-IoT與eMTC同為3GPP的物聯網技術,但在許多技術指標上還是有其區隔(圖5),NB-IoT在成本、覆蓋、功耗、連接數等指標持續強化;而eMTC則考慮與LTE相容,在延遲、語音、移動性等功能更勝一籌。 

圖5 NB-IoT與eMTC關鍵技術指標比較

資料來源:遠傳電信整理

未來物聯網服務價值鏈的營收分配,跟傳統電信服務不同,張連成認為,高達73%將由服務與應用產生,因此未來電信業者必須調整角色,整合更多合作夥伴,各種形式的異業結盟或產業垂直整合將更為常見,對於物聯網市場提出新的收費模式(New Price Model),並發展新的產品設計(New Product Design)。 

事實上,遠傳積極布局物聯網,與中華電信都已經申請到第一批300萬門物聯網專用門號,提供商業服務箭在弦上,張連成分析,物聯網應用類型有四類,自動上報/異常上報,應用如煙霧檢測、智慧儀表失效通知、闖入通知;自動上報/周期上報,應用如智慧三表、智慧農業監測、智慧環境監測;網路命令,應用如開關、觸發設備上報數據、請求讀表數據;軟體升級/重配置模型,應用如軟體補強升級OTA軟體更新。 

圖6 u-blox商業開發經理廖容僈{為,智慧讀表應該是第一個發展的應用,再來是智慧城市等政府專案需求。
NB-IoT晶片強調整合與可靠度 

電信商扮演提供NB-IoT服務最關鍵角色,晶片/模組廠就是此一應用推動的引擎,u-blox多年前就看好此一市場潛力並積極投入,2015年與華為/neul及Vodafone合作,展示全球第一個NB-IoT水表解決方案。在各式應用當中,u-blox商業開發經理廖容(圖6)認為,智慧讀表應該是第一個發展的應用,再來是智慧城市如智慧路燈、停車抄表、廢棄物管理等,共通性是政府專案需求。 

廖容僆i一步說明,第二個階段才會發展消費市場應用,如智慧家庭/建築,包括警報系統、用電管理等;個人需求,如老人/動物追蹤;最後一部分是智慧農業/環境監控如國土、噪音、雨量、污染等的監控。NB-IoT有電信商的支持與服務品質的保證,國外媒體也大膽預測2022年,NB-IoT將瓜分90%的LPWAN市場營收。 

隨著支援Release 13版本的NB-IoT晶片陸續發表,2017下半年~2018上半年,包括亞太、歐洲、美洲許多電信營運商都陸續宣布NB-IoT開台訊息,德國電信(Deutsche Telecom)更於2017年6月率先宣布,全球第一個NB-IoT服務智慧停車正式上路。其中NB-IoT模組價格能否快速降價,也是市場能不能普及的關鍵要素之一,一般而言終端用模組要降至5美元以下,中國的供應商更喊出1美元以下的激進目標。 

圖7 正文科技綠色物聯網事業部行銷經理張興皇說明,LoRa因應不同應用情境需求,設計了三種傳輸模式。
LoRa獲業界廣泛支持 

LoRaWAN是Long Range WAN也就是長距離廣域網路的意思,其在市區傳輸距離約2~5公里,在遮蔽物較少的郊區則為15公里。LoRa聯盟目前會員數已經超過500家,是近年成長最為迅速的產業團體。正文科技綠色物聯網事業部行銷經理張興皇(圖7)說明,LoRa傳輸模式稱為擴散因子(Spreading Factor),採用SF7模式時,傳輸速率為5468bit/s,傳輸距離約2公里,可應用在需求較大資料量的應用,SF8模式傳輸速率3125bit/s,傳輸距離4公里,一直到SF12模式,是傳輸速率最小但距離最長的模式。 

LoRa資料傳輸時透過兩層加密技術包括Network Session Key與Application Session Key,一為傳輸加密,一為資料加密,是一種很安全的無線技術。張興皇解釋,LoRa因應不同應用情境需求,設計了三種傳輸模式,Class-A設計給搭載電池的裝置,以最省電的方式運作,資料傳送後馬上進入待機/休眠狀態,延長電池續航力。 

Class-B則是可應用在電池供電與電源線供電裝置,該模式傳送資料後不會馬上休眠,是Class-A加上額外的接收視窗。Class-C則建議為電源線供電裝置應用,採用連續聽模式,是三個模式最耗電的一種,但服務品質也最好,終端裝置可以隨時收訊。 

LoRa強調開放生態系

LoRaWAN網路架構是由應用伺服器(Application Server)、網路伺服器(Network Server)、閘道器(Gateway)與終端節點(End Node)組成。如果是建置私有網路則不需應用伺服器與網路伺服器,架構更加簡單。LoRa在應用上非常適合不用常時連網,只要定期收到特定資訊,如空氣品質、電表、水表等。 

圖8 群登科技產品應用處長邱文正說,LoRaWAN的網路架構是由應用伺服器、網路伺服器、閘道器與終端節點組成。
LoRa採用1GHz以下ISM的免授權頻段,依照地區國家的規畫也有不同的頻段,群登科技產品應用處長邱文正(圖8)說,像台灣NCC是開放920~925MHz給物聯網使用,每個頻道125kHz,共可切分16個頻道,其他歐洲433/868MHz、美國915MHz、大陸779~787MHz等等,最大的缺點是容易受到干擾,像是台灣eTag就在920~925MHz,另外還有手機網路,因為功率較大,也容易出現俗稱蓋台的干擾。 

Sigfox發展全球一大網 

物聯網的話題已經炒作好幾年,但是大量連結物聯網發展的關鍵因素包括節能、低價、簡單與無所不在的網路環境,這也是LPWAN會迅速受到產業矚目的原因,現有我們熟悉的網路技術如4G LTE、Wi-Fi、藍牙都無法同時擁有以上四個要素,三大LPWAN則是盡力強化自身在這四個要素上的競爭力,比如提供更遠的傳輸距離、更低價的晶片模組、更無所不在的網路環境。 

圖9 UnaBiz生態圈總監鄒宏平指出,Sigfox利用超窄頻傳輸技術,因此具備最大的平均傳輸距離與穿牆能力。
Sigfox的最大特色是想在全球建立一個共同的物聯網網路,再透過各地類似特許的網路營運商提供服務,Sigfox在台灣的網路營運商UnaBiz生態圈總監鄒宏平(圖9)指出,Sigfox利用超窄頻傳輸技術,相較NB-IoT與LoRa傳輸速率最低(每次約12bytes),也因此具備最大的平均傳輸距離與穿牆能力。同時Sigfox無須配對即可進行連線,可在全球運作。 

由於網路架構的一致性,全球Sigfox網路都是由Sigfox建置所以不會有相容性的問題,全球數據資料也在同一個雲端資料庫,存取與利用有其一致性。Sigfox與LoRa一樣採用非授權的ISM頻段,所以網路成本較低,鄒宏平強調,在台灣每個裝置的服務費最低每年新台幣22元,最高也不會超過每年12美元,而且Sigfox網路沒有國際漫遊的問題,不會因為服務區域不同就有不同的費率或重複收費。 

Sigfox充分發揮超窄頻特性 

Sigfox全球同一網路的特性,適合跨國性的應用,如個人行李箱、貨物追蹤等,目前Sigfox使用頻段全球大致分成四區,相較NB-IoT與LoRa使用頻段紛雜,Sigfox網路架構最為單純,預計今年就會有整合四區頻段的多頻模組問世。傳輸距離部分,一般市區約5公里,郊區可達20~30公里。 

圖10 雲創通訊新技術開發處長 李俊頤說明,Sigfox全球同一網路的特性,特別適合跨國性的應用服務。
Sigfox的超窄頻(Ultra Narrow Band, UNB)訊號頻寬小於1kHz,雲創通訊新技術開發處長李俊頤(圖10)說明,優勢是鏈路預算(Link Budget)達157dB,不考慮空氣、水分、建築物阻擋等,訊號直線傳輸距離高達2,100公里;另外,支援大量終端節點連結,抗干擾能力佳,而且可以直接連線,終端節點架構簡單,Sigfox收(聽)訊息能力佳,傳輸訊息能力則相對較差。 

同樣,Sigfox的UNB技術缺點就是傳輸速率較低、傳輸每位元耗費能源較高,原因是其超窄頻,所以傳送封包的時間就較長,而且基地台的設計較為複雜。應用類型上,狀態報告(Status Reporting)、裝置識別(Device Identification)、事件檢測(Event Detector)、感測器分散配置(Sensor at Scattered Location)的工作需求都是Sigfox可以發揮功能的應用類型。

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