授权/非授权技术各有所长 LPWAN抢滩物联网

　　低功耗广域网(LPWAN)市场热度渐升，包括用户许可证频段的NB-IoT，以及采用非授权频段的LoRa、Sigfox、Weightless、HaLow、RPMA等技术皆积极展开布局，各技术阵营也都希望早日商业化运作，以便在此一新兴市场取得先机。

　　低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN)具有低功耗、低成本、长距离、多节点等特性(图1)，近来随着物联网及机器对机器(M2M)应用发展日益火热而快速成为市场关注焦点。现阶段，包括用户许可证频段的NB-IoT(Narrow Band-IoT)，以及采用非授权频段的LoRa、Sigfox、Weightless、HaLow、RPMA(Random Phase Multiple Access)等技术皆积极展开布局，也都不约而同投入搭建实验网并推动商业应用，期抢得业界主流标准的地位。

　　图1 低功耗广域网定义与特性

　　尤其由3GPP主导的NB-IoT大动作提前完成标准制定工作，2017年R14版本的规格将进一步订定更细部的规范。显而易见，LPWAN已经进入插旗抢市的阶段，每个技术都希望迅速建立完整的产业链与商业模式，但不管是授权/非授权频段技术，现阶段都有各自的发展问题，各技术阵营也都希望可以尽力排除以便早日商业化运作，以便在此一新兴市场取得先机。

　　授权/非授权频段互相角力

　　物联网简单定义为没有插头或仅靠电池供电的装置，以搜集与传输各种数据，并接受来自服务器的指令，让物体实作互联互通，所以电池供电的时间成为物联网装置的运作关键。LPWAN低功耗长距离的连网方式与物联网的需求不谋而合。物联网谈论多年，直到最近市场需求与相关应用都更为具体，导致市场热度快速提升，从技术分类的角度上来看，MIC产业分析师曾巧灵(图2)指出，使用非授权频段的LPWAN技术，包括Sigfox、LoRa、Weightless、HaLow、RPMA等，由于使用公开非授权频段，因此进入门坎低、搭建简单、商业化进程较快，不过需要搭建新的网络，而且非授权频段各种应用繁多，频段拥挤容易产生干扰，也会导致电池寿命降低。

　　▲图2 MIC产业分析师曾巧灵指出，Sigfox与LoRa目前进展稍微领先，而NB-IoT标准有其优势但预计要2018年才会商业化。

　　至于用户许可证频段的技术则以3GPP主导的NB-IoT为主，因为频段使用需要授权，所以不会有非授权技术的干扰问题，且可利用现有的3G/4G基地台基础建设，不用搭建新网络，但标准制定过程相对严谨且繁复，需要耗费更多时间，2016年才在R13发布第一版标准内容，又即将于2017年的R14版本推出补充与增补的内容。综合来看授权与非授权LPWAN阵营的优劣势几乎互补，未来几年的推动进展，将更为重要。 以个别技术来看，曾巧灵说明，Sigfox网络已覆盖三大洲、24个国家，如荷兰、西班牙、法国、俄罗斯、英国、美国的许多城市，预计于2018年拓展至60个国家和地区，目前已有700万个对象连接，截至2015年超过50%物联网连结来自Sigfox。该技术的产业链中，Sigfox不仅扮演规格制定者，也是网络服务供货商，同时提供软件及云端服务平台(Sigfox Cloud)。另外，2015年由IBM、思科(Cisco)、微芯(Microchip)、Laird与Semtech等厂商发起的LoRa，获得多个信息大厂支持，2016年有17个国家宣搭建网计划，超过120个城市已有运行网络，也受到多个电信营运商支持。

　　而采用2.4GHz频段的RPMA，以美国为主要据点，技术由芯片商Ingenu主导，2016年底在30个主要都会区提供服务。2016年3月，Ingenu与25个国家和地区包括澳洲、中国、纽西兰、印度尼西亚、台湾地区、南非、泰国与阿拉伯联合大公国等签定授权协议。由IEEE主导的802.11ah标准，则早于2010年就开始发展，Draft 9.0版本于2016年9月完成，同年12月完成标准委员会核定程序，预计2018年可以商业化，命名为HaLow，传输距离达1公里，传输速率150kbit/s∼347Mbit/s。

另外，还有由ARM与Neul共同推动的Weightless标准，2015年组成SIG推动，目前已有三个国家地区搭建，连网节点数目为100万个，通讯距离依不同版本为2或5公里，速率为100 kbit/s或30∼100kbit/s。综合来看，Sigfox与LoRa目前进展稍微领先，而NB-IoT虽然标准与支持有其优势，但预计要2018年才会商业化。

　　NB-IoT标准制订快马加鞭

　　最受各界瞩目的NB-IoT，主导的3GPP早在2010年就注意到物联网的发展，并于R10就提出MTC(Machine-type Communication)规范，历经R11版本的改善，2015年3月的R12版本正式推出LTE Cat.0标准，上下行传输峰值1Mbit/s、带宽20MHz。并导入省电模式(Power Saving Mode, PSM)，往更低功耗与低传输速率的物联网需求靠拢，以提升电池续航力，不过20MHz的带宽还是太大，成本也太高，未能引起产业注意。

　　到了2016年3月的R13版本，3GPP透过复杂度简化技术降低MTC终端装置成本，发表了LTE Cat. M标准，传输速率同样维持1Mbit/s，带宽缩小至1.4MHz，强调终端节点的电池寿命可长达10年。MIC智通所前瞻移动通讯系统中心主任陈仕易(图3)说，2016年6月3GPP赶忙又宣布传输速率100kbit/s，带宽需求仅200kHz的NB-IoT。对于提供服务的电信商来说，可以透过Standalone(另开专用新频段)、Guard Band(原先3/4G主频的保护频段)、In Band(使用原LTE之中的频段)等三种方式规划各自的NB-IoT频谱。

　　▲图3 MIC智通所前瞻移动通讯系统中心主任陈仕易说，2016年3GPP发布速率100kbit/s，带宽仅200kHz的NB-IoT。

　　此外，NB-IoT有以下几个设计目标，陈仕易说明，包括支持庞大的低效能装置，每个cell至少支持5万个device，并达成10年的电池寿命目标，延伸传输距离，也降低技术的复杂性，允许较大的传输延迟，进一步降低成本，3GPP宣称比eMTC更低。总之，为在降低数据传输率、缩减带宽、支持移动性的情况下最佳的IoT通讯协议。

　　2017年3GPP预计发表R14版本内容，针对NB-IoT的部分，陈仕易进一步解释，将定义定位方法(Positioning Method)、群播服务(Multicast Service)、移动性与服务连续性(Mobility and Service Continuity)、非标定的PBR增强(Non-Anchor PRB Enhancement)、新的功率消耗模式(New Power Class)，更加完善标准的技术内涵。

　　LoRa产业链发展健康

　　受到最多信息厂商支持的LoRa，在2012年组成LoRa联盟，包括IBM与思科(Cisco)两大厂与电信公司都押宝，发展至今已经有400多个会员厂商，独家芯片解决方案供货商Semtech产品应用工程师林忠杰(图4)表示，LoRa在许多物联网应用需求的特性上表现杰出。传输距离至少15公里，仅需要很简单的基础建设所以搭建简单，传输信息时的耗电量约10mA，休眠时耗电量小于200nA。另外，采用非授权频段、低基础建设与终端成本，整体成本相对也低。

　　▲图4 Semtech产品应用工程师林忠杰表示，LoRa的产业链与其他LPWAN技术相较完整许多，是发展的优势。

　　相较于其他的LPWAN技术，LoRa在产业链(图5)的发展可说是其一大优势，林忠杰指出，终端节点/设备方面有正文、鸿海、Microchip、研华等厂商，在基地台与网关部分有正文、鸿海、Cisco等厂商投入，网络服务器等局端设备目前有IBM、正文、Actility、Stream等厂商，而在应用发展平台部分有IBM、Senet与ARM的mbed平台可以支持。比如在智能建筑、智慧城市、智能制造、智能运输、智能农业等应用都非常适合采用LoRa做为其物联网解决方案。

　　图5 LoRa产业链概况

　　Weightless期待后发先至

　　2015年才起步的Weightless标准，网络搭建的步伐不像LoRa或Sigfox那样迅速，产业链样貌也还不够具体，优必阔科技(ubiik)研发副总经理傅倬(图6)认为，Weightless频谱利用效率很高，在相同条件下与LoRa、Sigfox相较，网络讯号覆盖LoRa最好，但在支持节点数量与频谱效率部分，Weightless则较LoRa、Sigfox表现更好。

　　▲图6 优必阔科技研发副总经理傅倬认为，Weightless支持多项先进网络功能，可以提供接近NB-IoT的网络服务质量。

　　与其他LPWAN技术相同，Weightless也强调长距离、省电、支持多节点链接、网络传输安全、弹性架构与开放性标准等。傅倬进一步说明，目前Weightless SIG中，主要的会员包括ARM、Accenture、Sony等，该技术架构中，支持多项先进网络功能，包括：对称式的上传/下载(Symmetric DL/UL)、群播/广播(Multicast/Broadcast)、讯息确认(Message Ack)、电池运作(Battery Operation)、电源控制(Power Control)、定位服务(Location Service)、换手支持(Handover Support)、韧体升级(Firmware Upgrade)等，其他技术并不完整支持的功能，可以提供接近NB-IoT的网络服务质量。

　　HaLow延续WiFi荣光

　　2016年1月正名为HaLow的IEEE 802.11ah技术，植基于现在大家熟悉的WiFi技术，采用非授权的900MHz频段，并降低功耗、延伸传输距离，也希望在物联网的市场占有一席之地。PC-Semi(Palma Ceia SemiDesign)亚洲业务发展总经理易思齐(图7)解释，802.11ah技术与高带宽的802.11ac技术相较，讯息信道带宽从20∼160MHz缩减为1∼16MHz，载波间距(Subcarrier Spacing)从312.5KHz缩小到31.25KHz，天线从8×8MIMO减为4×4MIMO，传输速率从6.5∼6933.3Mbit/s降为0.15∼347Mbit/s，同时联机人数也由2,007提升至8,000人以上。

　　▲图7 PC-Semi亚洲业务发展总经理易思齐解释，HaLow是现在一般人熟悉的WiFi延伸，网络搭建几乎没有门坎。

　　另外，在传输距离部分，原则上为1公里，透过Multi-hop Relays技术可以延伸到数公里，HaLow定义在“LPLAN”的应用，与其他强调距离更远的LPWAN应用互补。易思齐强调，HaLow是现在一般人熟悉的WiFi延伸，网络搭建几乎没有门坎，对于一般消费者或智慧家庭中的应用，可以无痛衔接。未来几年IEEE还计划发展更大传输距离的IEEE802.11af方案，采用54∼790MHz频段。

　　HaLow的应用领域包括智能家居、智能工厂、感测网络的数据搜集、户外的监控等，也可以视为WiFi讯号延伸的解决方案，易思齐进一步说明，WiFi已经是一般消费大众接受的无线技术，HaLow可视为新版本并提供新功能，相信也会拥有高接受度。该技术2016年正式推出，预计2017年芯片解决方案可以问世，目标价格5美元以下，2018年进入市场提供商业化服务，未来可以做为NB-IoT的中继解决方案，形成更完整的智慧城市物联网网络架构。

　　Sigfox商业模式自成一格

　　已经投入物联网应用且近期因为扩展迅速，也相当受到瞩目的Sigfox，成立于2009年，与其他LPWAN技术相较，最特别之处在于营运模式，该公司定位为全球的物联网营运商，自行搭建网络并营运，再向终端使用者收取服务费。Sigfox在台湾地区的营运商UnaBiz业务发展协理何承翰(图8)表示，Sigfox已经在26个国家搭建网络，每个国家一个Operator，网络覆盖面积达150万平方公里，网络覆盖人口达3亿人，已经有900万个联网装置运作中，预计2018年网络搭建将延伸到60个国家和地区。台湾从2016年12月启动网络搭建，先由六都开始，目标2018年第二季完成95%人口覆盖率。

　　▲图8 UnaBiz业务发展协理何承翰说明，Sigfox已经在26个国家搭建网络，网络覆盖面积达150万平方公里，覆盖人口达3亿人。

　　在技术与传送讯息机制上，何承翰指出，Sigfox的双向网络基于超窄频带(Ultra Narrow Band, UNB)无线通信技术，这项技术是以极低功耗和频谱效率提供可扩展及高容量网络。每天每个装置最多可以传送最140个讯息，每个讯息酬载(Payload)最大12bytes，速度100bit/s。装置(TX)跟基地台(RX)之间不需要任何沟通，只要在正确频率发射讯号(使用SigFox Radio Protocol)，基地台会自行听取讯息，译码后将讯息丢到后台存放，每个讯息会同时发送三次，在有效的传送距离内建议能建置二∼三个热点，所以热点之间没有沟通机制而造成讯息漏失的状况也不常见。

　　Sigfox目前在欧洲发展最为顺利，台湾算是该技术在亚洲较早布局的地区之一，并不是看中台湾的市场潜力，而是该技术未来几年需要积极建构产业链，台湾地区完整的科技产业有助于Sigfox迅速充实产业链。由于Sigfox的业务模式与其他技术相较最为独特，但对于吸引厂商加入产业链也较没吸引力，所以何承翰强调，Sigfox产业链是最为开放、可受信赖的，希望厂商与该公司一起努力壮大生态圈(Ecosystem)。