万物联网，浅谈物联网低功耗广域网趋势：LoRa、SIGFOX、NB-IoT

  

 

　　物联网（Internet of Things；缩写IoT），指的是物物相连，每个装置都可以透过网络来互相交换讯息。物联网这个概念不算太新的名词，早在1995年比尔盖兹的《未来之路》一书中，就首次提到了物联网的概念。

 
　　然而，当年受限于技术瓶颈，物联网产业一直没有好好发展起来。直到近年云端运算、云端储存成本降低，以及大数据、AI等技术应用的提升，再加上终端连网数量不断的增加，物联网产业才终于在过去几年大鸣大放了起来。
 
 一、物联网产业价值链
 
　　物联网的架构可以分成三个不同的层次。第一层为感测层，也就是物联网里的“物（Things）”，由可以感测讯号的装置组成，用以监控所在位置的物理或环境状况，例如影像、温度、湿度、动作、压力感测等。
 
　　第二层为网络层，包含无线或有线的因特网，用以提供可靠的网络传输功能。每一个装置都具有IP位置，可以将装置搜集来的信息，整合到物联网的数据管理中心。
 
　　第三层为应用层，物联网经济将近80％的商机来自于此。当我们将第一层的“物”透过第二层的“网络”链接起来后，就可以来思考不同领域的应用了。例如：智能家居、智慧城市、智慧零售、智能电网、智能医疗、穿戴式设备等。
 

 

 物联网产业价值链

 
二、LPWAN备受关注
 
　　其中，在第二层的网络层中，低功耗广域网（Low Power Wide Area Network；缩写LPWAN）之新兴无线通信技术逐渐受到关注，能大幅扩展物联网的应用情境，而SIGFOX、LoRa、NB-IoT均为LPWAN技术之一种，也正是LPWAN技术中市场渗透率最高的技术。
 

 

LPWAN技术的定位

 
　　不同于传统的Wi-Fi、Bluetooth等短距离通讯协议，LPWAN因为具有低耗电、低速度、低数据量、低成本等特性，因此非常适合用在智慧能源、智慧城市、智慧农业，例如海上油井设施、停车位管理、农场牛只追踪、鱼塭水质监控、土石流监控等低频次数据传输的应用场域。
 
　　在LPWAN技术中，又可以分成授权频段（License Band）与非授权频段（Unlicense Band）来介绍。
 

 

三大LPWAN技术比较

 
　　采用授权频段技术的为3GPP（3rd Generation Partnership Project）主导的NB-IoT（Narrow Band IoT），其采用现有的3G/4G网络，主要投入为电信营运商及相关设备厂商。
 
　　至于非授权频段，就呈现了遍地开花的状况，大部分不属于电信领域的ICT厂商，都会选择投入这边，主要的代表技术正是SIGFOX与LoRa。
 
　　它们都采用了ISM频段（Industrial Scientific Medical Band），这是一种各国开放给工业、科学及医学机构使用的频段。它们无须许可证及费用，只需要遵守一定的发射功率（一般低于1W），不要对其他频段造成干扰即可。
 
　　以下分别简述LPWAN三大技术：LoRa、SIGFOX、NB-IoT。
 
 三、SIGFOX技术简介
 
　　SIGFOX是由2009年创立的法国公司SIGFOX所开发，该厂商从2012年开始推展物联网无线服务业务。
 
　　与其他LPWAN技术相较，SIGFOX是传输速率最低的技术，速度仅100bits/s，且每个装置一天最多只能传送140则讯息，每则讯息最大的容量为12bytes。由于降低了信息传输量，因此就能大幅节省了物联网装置的电力消耗。例如，水表、电表、路灯控制这类的应用，由于流量回报频率每小时低于一次，就很适合SIGFOX应用。
 
　　以SIGFOX的智能水表应用为例，基本上水表装置仅上传数据，不接收讯息。在没有进行数据传送的时候，水表装置就会处于休眠状态，因此一颗三号电池就能够使用十年。
 
　　SIGFOX最大的特色在于建立一个全球共同的物联网网络，再透过各地特许的网络营运商SNO（SIGFOX Network Operator）提供服务，原则上单一地区由单一业者负责（例如，台湾地区特许营运商为UnaBiz）。
 
　　从下图可知，SIGFOX所提供的服务并非仅有网络联机，客户也可以选择SIGFOX云端服务。这么一来，企业便无须担心网络与数据储存空间等基础设施的建构，可以更专注于物联网服务的开发。
 

 

SIGFOX服务示意图

 
　　随着LPWAN竞争越来越激烈，SIGFOX现阶段最重要的目标莫过于基地台搭建了，目前全球已有32国家和地区推动搭建，例如法国、英国、西班牙、德国、荷兰、美国等，并计划于2018年将网络搭建推进到60个国家和地区。
 
　　SIGFOX技术虽然不像LoRa有许多ICT大厂投入、也不如NB-IoT获得市场广泛注意，但由于SIGFOX上游技术IP免费授权的策略，吸引了许多厂商加入SIGFOX生态系，包含上游的芯片、模块制造、系统整合、专业代工设计与生产、平台服务、通路等等。
 
　　目前SIGFOX已有71个设备制造伙伴、49个物联网平台供货商、8家芯片供货商、15个模块厂商、30家软件与设计服务业者，以及4个育成/创投业者。其中芯片供货商包括德州仪器(TI)、意法半导体(ST)、芯科(Silicon Labs)、安森美(On-Semi)、恩智浦(NXP)、Ethertronics、Microchip与云创通讯(M2Comm)。
 
 四、LoRa技术简介
 
　　LoRa是美国半导体制造商Semtech借助其并购的法国公司Cycleo所开发的无线通信技术LoRa，在这个基础上与IBM合作完成规范，并由Semtech、IBM、Cisco为核心所组成的LoRa联盟推动相关发展，目前拥有500多家会员，可说是当前最受产业支持的LPWAN技术。
 
　　不同于SIGFOX由SNO独家提供网络的商业模式，LoRa采用如Wi-Fi般，任何人都能自行设置基地台（Wi-Fi access point）来建置网络环境的模式。
 

Lora服务示意图

 
　　虽然LoRa的传输距离没有SIGFOX远，但因其具有较高的传输带宽，且在数据传输上更具弹性，除了能像SIGFOX进行单向传输的省电通讯外，亦可执行一定程度的数据交换，因此特别适合用在智能工厂应用上。
 
　　以芯片厂为例，一个厂区少则一公里，大则十公里上下。透过一个封闭的LoRa网络，先在厂区内搜集完各节点的生产数据后，再透过更大范围的NB-IoT网络或者是现有的4G LTE网络传送到云端，将各个厂区的数据进行统整分析，就会是智能制造非常有用的信息。
 
　　此外，LoRa也是除了NB-IoT之外，唯一吸引电信营运商投入的LPWAN技术。目前有许多家电信业者皆导入了LoRa，作为提供物联网通讯服务的基础。例如法国的Orange、荷兰的KPN、印度的Tata等国际大型营运商。
 
　　在台湾地区市场，亚太电信亦积极布局LoRa，在鸿海集团资源的支持下，由富鸿网串连起产业上下游，从硬件制造到网络搭建，提供一条龙的服务。目前富鸿网已在双北市建置了500个LoRa网络基地台，基本上已经覆盖北台湾地区的人口稠密区。
 
　　不过，LoRa在目前500多个联盟会员中，芯片厂商算是相对弱势的一环。LoRa虽然积极与芯片商合作，但其网络核心技术还是掌握在发起厂商之一的升特（Semtech）身上，芯片厂商要合作通常是以MCU搭配Semtech的通讯芯片，或者以模块的方式推出，谈判能力相对较低。
 
五、NB-IoT技术简介
 
　　虽然与SIGFOX、LoRa等其他LPWAN技术相比，NB-IoT技术发展起步较晚。不过，由于它是由国际电信标准制定组织3GPP所支持，针对物联网所打造的电信级网络，对于网络传输质量、数据安全都有更高的保障，再加上建置成本较低，电信商不用大幅更改现行的4G LTE电信网络架构，就能快速部署，因而备受各国电信商所支持。
 
　　在应用领域方面，由于NB-IoT采用电信级的网络，服务质量有保障，因此更适合高价货物的追踪，或是与消费者有直接关联的应用。例如，家中长辈的健康照护就很适合采用NB-IoT，但工业控制、智能制造、智能农业等就不大适合。
 
　　NB-IoT技术在全球获得三大电信设备商诺基亚（Nokia）、爱立信（Ericsson）、华为支持，并在亚洲、欧洲、美洲等区域已开通实验网，预计到2018年全球至少超过30家营运商会投入营运，摸索出市场可接受的商业模式。
 
六、结论
 
　　LPWAN的特性在于低功耗、长距离、低传输量、低成本。然而，LPWAN也并非万能，无法取代所有无线的传输应用，例如高速传输需求、实时性的应用就需要仰赖其他传输技术。
 
　　而以现行LPWAN三大技术SIGFOX、LoRa、NB-IoT的竞争态势来看，我个人认为，这三大技术不论在功耗、传输距离、应用场域上各有擅长，因此很难说谁会被谁取代。在我看来，这三大技术在未来几年更可能会依不同的应用场域来做交叉应用。
 
　　例如，虽然NB-IoT备受看好，有不需重新搭建网络的特性，产业链也与现有的电信网络产业一致，但NB-IoT的每一个节点都要装上SIM卡收费，以发展智能家居来看，若家中的每一台电视、冰箱、洗衣机等电器用品都要付钱给电信公司，我想这在商业模式上好像不大实际。
 
　　因此，更有可能的做法，应该是在局域网络先采取LoRa、Wi-sun这类型的通讯协议，待数据统一传输到一个点后，再一起以NB-IoT、LTM将数据传输出去，这样的做法我想会更make sense（有道理）。