LPWAN的三大陣營(yíng)NB-IoT、LoRa、Sigfox正處于脫離試運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)階段，2018年都要大舉投入商轉(zhuǎn)，肩負(fù)海量物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)的重責(zé)大任，相關(guān)技術(shù)與廠商都卯足全力在網(wǎng)絡(luò)、產(chǎn)品、服務(wù)等方面布局，希望能搶占物聯(lián)網(wǎng)的廣大商機(jī)。

低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network, LPWAN)2017下半年將陸續(xù)投入商轉(zhuǎn)，NB-IoT、LoRa、Sigfox三大陣營(yíng)脫離試運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)階段。

NB-IoT經(jīng)過(guò)R13與R14版本的強(qiáng)化，技術(shù)架構(gòu)逐漸完善。

LoRa聯(lián)盟會(huì)員已經(jīng)突破500大關(guān)，周邊商品陸續(xù)問(wèn)世。

Sigfox全球網(wǎng)絡(luò)覆蓋達(dá)32個(gè)國(guó)家，預(yù)計(jì)2018年將完成60個(gè)國(guó)家的網(wǎng)絡(luò)布建。

NB-IoT各大電信營(yíng)運(yùn)商陸續(xù)宣布開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，并投入公共事業(yè)、共享經(jīng)濟(jì)、智慧城市等相關(guān)服務(wù)。

LoRa在智慧讀表、智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)具備優(yōu)勢(shì)。

Sigfox領(lǐng)先取得***地區(qū)二類電信執(zhí)照，并于跨地區(qū)大范圍的智慧讀表、智慧監(jiān)測(cè)等應(yīng)用持續(xù)發(fā)展。

LPWAN商用摩拳擦掌

物聯(lián)網(wǎng)由The Next Big Things口號(hào)發(fā)展至今，物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的各項(xiàng)元素陸續(xù)發(fā)展到位。

低功耗廣域網(wǎng)由于具備低功耗、低復(fù)雜度、低成本、長(zhǎng)距離、大量連結(jié)特性，而且技術(shù)難度不高，從早期的M2M發(fā)展起，近期已屆商用階段，較受市場(chǎng)注目的技術(shù)包括：eMTC、NB-IoT、Sigfox、LoRaWAN、HaLow、Weightless等。

資策會(huì)MIC產(chǎn)業(yè)分析師曾巧靈(圖1)說(shuō)，授權(quán)頻段以3GPP電信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為主，包括GSM-IoT、LTE-M與NB-IoT等；非授權(quán)頻段則以LoRaWAN與Sigfox，這兩個(gè)起自法國(guó)，運(yùn)作于1GHz以下的技術(shù)發(fā)展最為迅速。

圖1 資策會(huì)MIC產(chǎn)業(yè)分析師曾巧靈說(shuō)，未來(lái)兩年LPWAN芯片預(yù)計(jì)將朝向多頻多模的方向發(fā)展，提供跨網(wǎng)跨域之服務(wù)基礎(chǔ)。

LPWAN的發(fā)展目前還屬戰(zhàn)國(guó)時(shí)代，因此不僅技術(shù)紛雜，使用的頻段也不利于部分應(yīng)用與市場(chǎng)的推動(dòng)。

曾巧靈指出，未來(lái)兩年LPWAN芯片預(yù)計(jì)將朝向多頻多模的方向發(fā)展，Qualcomm與華為協(xié)助韓國(guó)電信營(yíng)運(yùn)商開(kāi)發(fā)同時(shí)支持1.8GHz與800MHz的雙頻NB-IoT芯片；摩拜單車、Qualcomm及中國(guó)移動(dòng)研究院2017年5月使用高通MDM9206芯片，進(jìn)行支持LTE-M、NB-IoT與E-GPRS的多模測(cè)試。

對(duì)營(yíng)運(yùn)商而言，多模多頻解決方案可以提供跨網(wǎng)跨域之服務(wù)基礎(chǔ)，擴(kuò)大其服務(wù)類型與范圍。

現(xiàn)階段，包括3GPP LPWAN與LoRa、Sigfox三大陣營(yíng)，都持續(xù)強(qiáng)化自身產(chǎn)業(yè)鏈(圖2)在芯片、模塊、網(wǎng)關(guān)(Gateway)/基地臺(tái)(Base Station)、營(yíng)運(yùn)商等不同層面的產(chǎn)業(yè)實(shí)力，整體而言各有優(yōu)劣勢(shì)，較特別的是有越來(lái)越多廠商多方押寶，不只投入一項(xiàng)技術(shù)。

圖2 LPWAN三大陣營(yíng)積極拓展產(chǎn)業(yè)鏈

曾巧靈強(qiáng)調(diào)，未來(lái)?yè)屨加袧摿Φ膽?yīng)用市場(chǎng)與發(fā)展為消費(fèi)者接受的商業(yè)模式，可能會(huì)是脫穎而出的關(guān)鍵之一。

NB-IoT持續(xù)改善技術(shù)缺陷

3GPP發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用其實(shí)早在2008年Release 8版本中的LTE Cat-1，就有MTC(Machine Type Communication)的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

資策會(huì)智能所蔡宜學(xué)博士(圖3)說(shuō)明，其后幾年針對(duì)MTC應(yīng)用的技術(shù)內(nèi)容持續(xù)簡(jiǎn)化以提升連結(jié)數(shù)、傳輸距離、降低功耗、傳輸速率，發(fā)展出LTE Cat-0與Cat-M1等，一直到Release 13版本正式發(fā)表Cat-NB1也就是NB-IoT。

圖3 資策會(huì)智慧所蔡宜學(xué)博士說(shuō)明，2018年Release 15的NB-IoT版本，預(yù)計(jì)會(huì)有更多細(xì)節(jié)的技術(shù)改善。

Release 13版本的NB-IoT僅具最基本的技術(shù)內(nèi)涵，許多應(yīng)用需要的特殊功能都還付之闕如，在Release 14版本強(qiáng)化了定位(Positioning)功能，蔡宜學(xué)提到，NB-IoT的定位是以O(shè)TDOA利用基地臺(tái)的三角定位，實(shí)際的運(yùn)作是以Idle Mode進(jìn)行量測(cè)定位訊號(hào)，因?yàn)檫M(jìn)行量測(cè)的同時(shí)，無(wú)法監(jiān)控NPDCCH，進(jìn)而影響傳收數(shù)據(jù)。NB-IoT延長(zhǎng)量測(cè)時(shí)間以增加量測(cè)精準(zhǔn)度，因此相對(duì)的必須延長(zhǎng)LPP反應(yīng)時(shí)間(Response Time)。

到了2018年Release 15的NB-IoT版本，預(yù)計(jì)會(huì)有更多細(xì)節(jié)的技術(shù)改善，蔡宜學(xué)解釋，這個(gè)版本的技術(shù)演進(jìn)主要分成三個(gè)部分，一是針對(duì)功耗、量測(cè)與支持小型基地臺(tái)的架構(gòu)，同時(shí)首次加入支持低延遲(Low Latency)達(dá)10ms。第二部分就是支持分時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)(Time-division Duplex, TDD)，并增加更多頻段的支持。第三部分就是與服務(wù)質(zhì)量有關(guān)的QoS、存取限制(Access Barring)、終端回饋(UE Feedback)等。

NB-IoT強(qiáng)調(diào)服務(wù)質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)

物聯(lián)網(wǎng)在近年之所以會(huì)受到產(chǎn)業(yè)高度關(guān)注的主要原因之一，就在于物聯(lián)網(wǎng)裝置的數(shù)量規(guī)模從幾十億到幾百億，而支撐這個(gè)連結(jié)依靠的可能就是LPWAN技術(shù)，其中扮演服務(wù)提供商的電信商角色非常關(guān)鍵。

遠(yuǎn)傳電信物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展部協(xié)理張連成(圖4)表示，NB-IoT與eMTC同為3GPP的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，但在許多技術(shù)指標(biāo)上還是有其區(qū)隔(圖5)，NB-IoT在成本、覆蓋、功耗、連接數(shù)等指標(biāo)持續(xù)強(qiáng)化；而eMTC則考慮與LTE兼容，在延遲、語(yǔ)音、移動(dòng)性等功能更勝一籌。

圖4 遠(yuǎn)傳電信物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展部協(xié)理張連成表示，未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)價(jià)值鏈的營(yíng)收分配高達(dá)73%將由服務(wù)與應(yīng)用產(chǎn)生。

圖5 NB-IoT與eMTC關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)比較

未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)價(jià)值鏈的營(yíng)收分配，跟傳統(tǒng)電信服務(wù)不同，張連成認(rèn)為，高達(dá)73%將由服務(wù)與應(yīng)用產(chǎn)生，因此未來(lái)電信業(yè)者必須調(diào)整角色，整合更多合作伙伴，各種形式的異業(yè)結(jié)盟或產(chǎn)業(yè)垂直整合將更為常見(jiàn)，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)提出新的收費(fèi)模式(New Price Model)，并發(fā)展新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)(New Product Design)。事實(shí)上，遠(yuǎn)傳積極布局物聯(lián)網(wǎng)，與中華電信都已經(jīng)申請(qǐng)到第一批300萬(wàn)門(mén)物聯(lián)網(wǎng)專用號(hào)碼，提供商業(yè)服務(wù)箭在弦上，張連成分析，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用類型有四類，自動(dòng)上報(bào)/異常上報(bào)，應(yīng)用如煙霧檢測(cè)、智能儀表失效通知、闖入通知；自動(dòng)上報(bào)/周期上報(bào)，應(yīng)用如智能三表、智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、智慧環(huán)境監(jiān)測(cè)；網(wǎng)絡(luò)命令，應(yīng)用如開(kāi)關(guān)、觸發(fā)設(shè)備上報(bào)數(shù)據(jù)、請(qǐng)求讀表數(shù)據(jù)；軟件升級(jí)/重配置模型，應(yīng)用如軟件補(bǔ)強(qiáng)升級(jí)OTA軟件更新。

NB-IoT芯片強(qiáng)調(diào)整合與可靠度

電信商扮演提供NB-IoT服務(wù)最關(guān)鍵角色，芯片/模塊廠就是此一應(yīng)用推動(dòng)的引擎，u-blox多年前就看好此一市場(chǎng)潛力并積極投入，2015年與華為/neul及Vodafone合作，展示全球第一個(gè)NB-IoT水表解決方案。

在各式應(yīng)用當(dāng)中，u-blox商業(yè)開(kāi)發(fā)經(jīng)理廖容嫻(圖6)認(rèn)為，智慧讀表應(yīng)該是第一個(gè)發(fā)展的應(yīng)用，再來(lái)是智能城市如智能路燈、停車抄表、廢棄物管理等，共通性是政府項(xiàng)目需求。

圖6 u-blox商業(yè)開(kāi)發(fā)經(jīng)理廖容嫻認(rèn)為，智慧讀表應(yīng)該是第一個(gè)發(fā)展的應(yīng)用，再來(lái)是智慧城市等政府項(xiàng)目需求。

廖容嫻進(jìn)一步說(shuō)明，第二個(gè)階段才會(huì)發(fā)展消費(fèi)市場(chǎng)應(yīng)用，如智慧家庭/建筑，包括警報(bào)系統(tǒng)、用電管理等；個(gè)人需求，如老人/動(dòng)物追蹤；最后一部分是智慧農(nóng)業(yè)/環(huán)境監(jiān)控如國(guó)土、噪音、雨量、污染等的監(jiān)控。

NB-IoT有電信商的支持與服務(wù)質(zhì)量的保證，海外媒體也大膽預(yù)測(cè)2022年，NB-IoT將瓜分90%的LPWAN市場(chǎng)營(yíng)收。

隨著支持Release 13版本的NB-IoT芯片陸續(xù)發(fā)表，2017下半年~2018上半年，包括亞太、歐洲、美洲許多電信營(yíng)運(yùn)商都陸續(xù)宣布NB-IoT啟動(dòng)訊息，德國(guó)電信(Deutsche Telecom)更于2017年6月率先宣布，全球第一個(gè)NB-IoT服務(wù)智慧停車正式上路。

其中NB-IoT模塊價(jià)格能否快速降價(jià)，也是市場(chǎng)能不能普及的關(guān)鍵要素之一，一般而言終端用模塊要降至5美元以下，中國(guó)的供貨商更喊出1美元以下的激進(jìn)目標(biāo)。

LoRa獲業(yè)界廣泛支持

LoRaWAN是Long Range WAN也就是長(zhǎng)距離廣域網(wǎng)的意思，其在市區(qū)傳輸距離約2~5公里，在遮蔽物較少的郊區(qū)則為15公里。

LoRa聯(lián)盟目前會(huì)員數(shù)已經(jīng)超過(guò)500家，是近年成長(zhǎng)最為迅速的產(chǎn)業(yè)團(tuán)體。

正文科技綠色物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)部營(yíng)銷經(jīng)理張興皇(圖7)說(shuō)明，LoRa傳輸模式稱為擴(kuò)散因子(Spreading Factor)，采用SF7模式時(shí)，傳輸速率為5468bit/s，傳輸距離約2公里，可應(yīng)用在需求較大數(shù)據(jù)量的應(yīng)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(zhǎng)的模式。

圖7 正文科技綠色物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)部營(yíng)銷經(jīng)理張興皇說(shuō)明，LoRa因應(yīng)不同應(yīng)用情境需求，設(shè)計(jì)了三種傳輸模式。

LoRa數(shù)據(jù)傳輸時(shí)透過(guò)兩層加密技術(shù)包括Network Session Key與Application Session Key，一為傳輸加密，一為數(shù)據(jù)加密，是一種很安全的無(wú)線技術(shù)。

張興皇解釋，LoRa因應(yīng)不同應(yīng)用情境需求，設(shè)計(jì)了三種傳輸模式，Class-A設(shè)計(jì)給搭載電池的裝置，以最省電的方式運(yùn)作，數(shù)據(jù)傳送后馬上進(jìn)入待機(jī)/休眠狀態(tài)，延長(zhǎng)電池續(xù)航力。Class-B則是可應(yīng)用在電池供電與電源線供電裝置，該模式傳送數(shù)據(jù)后不會(huì)馬上休眠，是Class-A加上額外的接收窗口。

Class-C則建議為電源線供電裝置應(yīng)用，采用連續(xù)聽(tīng)模式，是三個(gè)模式最耗電的一種，但服務(wù)質(zhì)量也最好，終端裝置可以隨時(shí)收訊。

LoRa強(qiáng)調(diào)開(kāi)放生態(tài)系

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是由應(yīng)用服務(wù)器(Application Server)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器(Network Server)、網(wǎng)關(guān)(Gateway)與終端節(jié)點(diǎn)(End Node)組成。

如果是建置私有網(wǎng)絡(luò)則不需應(yīng)用服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，架構(gòu)更加簡(jiǎn)單。LoRa在應(yīng)用上非常適合不用常時(shí)連網(wǎng)，只要定期收到特定信息，如空氣質(zhì)量、電表、水表等。

LoRa采用1GHz以下ISM的免授權(quán)頻段，依照地區(qū)國(guó)家的規(guī)劃也有不同的頻段，群登科技產(chǎn)品應(yīng)用處長(zhǎng)邱文正(圖8)說(shuō)，像***NCC是開(kāi)放920~925MHz給物聯(lián)網(wǎng)使用，每個(gè)頻道125kHz，共可切分16個(gè)頻道，其他歐洲433/868MHz、美國(guó)915MHz、大陸779~787MHz等等，最大的缺點(diǎn)是容易受到干擾，像是***eTag就在920~925MHz，另外還有手機(jī)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)楣β瘦^大，也容易出現(xiàn)俗稱蓋臺(tái)的干擾。

圖8 群登科技產(chǎn)品應(yīng)用處長(zhǎng)邱文正說(shuō)，LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是由應(yīng)用服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)與終端節(jié)點(diǎn)組成。

Sigfox發(fā)展全球一大網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)的話題已經(jīng)炒作好幾年，但是大量連結(jié)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵因素包括節(jié)能、低價(jià)、簡(jiǎn)單與無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，這也是LPWAN會(huì)迅速受到產(chǎn)業(yè)矚目的原因，現(xiàn)有我們熟悉的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)如4G LTE、Wi-Fi、藍(lán)牙都無(wú)法同時(shí)擁有以上四個(gè)要素，三大LPWAN則是盡力強(qiáng)化自身在這四個(gè)要素上的競(jìng)爭(zhēng)力，比如提供更遠(yuǎn)的傳輸距離、更低價(jià)的芯片模塊、更無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

Sigfox的最大特色是想在全球建立一個(gè)共同的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，再透過(guò)各地類似特許的網(wǎng)絡(luò)營(yíng)運(yùn)商提供服務(wù)，Sigfox在***的網(wǎng)絡(luò)營(yíng)運(yùn)商UnaBiz生態(tài)圈總監(jiān)鄒宏平(圖9)指出，Sigfox利用超窄頻傳輸技術(shù)，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墻能力。同時(shí)Sigfox無(wú)須配對(duì)即可進(jìn)行聯(lián)機(jī)，可在全球運(yùn)作。

圖9 UnaBiz生態(tài)圈總監(jiān)鄒宏平指出，Sigfox利用超窄頻傳輸技術(shù)，因此具備最大的平均傳輸距離與穿墻能力。

由于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一致性，全球Sigfox網(wǎng)絡(luò)都是由Sigfox建置所以不會(huì)有兼容性的問(wèn)題，全球數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)也在同一個(gè)云端數(shù)據(jù)庫(kù)，存取與利用有其一致性。Sigfox與LoRa一樣采用非授權(quán)的ISM頻段，所以網(wǎng)絡(luò)成本較低，鄒宏平強(qiáng)調(diào)，在***每個(gè)裝置的服務(wù)費(fèi)最低每年人民幣4.8元，最高也不會(huì)超過(guò)每年12美元，而且Sigfox網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有國(guó)際漫游的問(wèn)題，不會(huì)因?yàn)榉?wù)區(qū)域不同就有不同的費(fèi)率或重復(fù)收費(fèi)。

Sigfox充分發(fā)揮超窄頻特性

Sigfox全球同一網(wǎng)絡(luò)的特性，適合跨國(guó)性的應(yīng)用，如個(gè)人行李箱、貨物追蹤等，目前Sigfox使用頻段全球大致分成四區(qū)，相較NB-IoT與LoRa使用頻段紛雜，Sigfox網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)最為單純，預(yù)計(jì)今年就會(huì)有整合四區(qū)頻段的多頻模塊問(wèn)世。傳輸距離部分，一般市區(qū)約5公里，郊區(qū)可達(dá)20~30公里。

Sigfox的超窄頻(Ultra Narrow Band, UNB)訊號(hào)帶寬小于1kHz，云創(chuàng)通訊新技術(shù)開(kāi)發(fā)處長(zhǎng)李俊頤(圖10)說(shuō)明，優(yōu)勢(shì)是鏈路預(yù)算(Link Budget)達(dá)157dB，不考慮空氣、水分、建筑物阻擋等，訊號(hào)直線傳輸距離高達(dá)2,100公里；另外，支持大量終端節(jié)點(diǎn)連結(jié)，抗干擾能力佳，而且可以直接聯(lián)機(jī)，終端節(jié)點(diǎn)架構(gòu)簡(jiǎn)單，Sigfox收(聽(tīng))訊息能力佳，傳輸訊息能力則相對(duì)較差。

圖10 云創(chuàng)通訊新技術(shù)開(kāi)發(fā)處長(zhǎng) 李俊頤說(shuō)明，Sigfox全球同一網(wǎng)絡(luò)的特性，特別適合跨國(guó)性的應(yīng)用服務(wù)。

同樣，Sigfox的UNB技術(shù)缺點(diǎn)就是傳輸速率較低、傳輸每位耗費(fèi)能源較高，原因是其超窄頻，所以傳送封包的時(shí)間就較長(zhǎng)，而且基地臺(tái)的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。應(yīng)用類型上，狀態(tài)報(bào)告(Status Reporting)、裝置識(shí)別(Device Identification)、事件檢測(cè)(Event Detector)、傳感器分散配置(Sensor at Scattered Location)的工作需求都是Sigfox可以發(fā)揮功能的應(yīng)用類型。