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LPWAN阵营争相圈地 NB-IoT、LoRa、Sigfox大乱斗

字号+ 作者:廖专崇 来源:新通讯 2017-12-02 08:52

LPWAN三大阵营NB-IoT、LoRa、Sigfox脱离试运行的实验网阶段,2018年都要大举投入商转,肩负海量物联网基础建设的重责大任,相关技术与厂商都卯足全力在最近投入网络、产品、服务等布局,希望能抢占物联网广大商机。

 
文.廖专崇
 
LPWAN三大阵营NB-IoT、LoRa、Sigfox脱离试运行的实验网阶段,2018年都要大举投入商转,肩负海量物联网基础建设的重责大任,相关技术与厂商都卯足全力在最近投入网络、产品、服务等布局,希望能抢占物联网广大商机。
 
低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN)2017下半年将陆续投入商转,NB-IoT、LoRa、Sigfox三大阵营脱离试运行的实验网阶段。NB-IoT经过R13与R14版本的强化,技术架构逐渐完善;LoRa联盟会员已经突破500大关,周边商品陆续问世;Sigfox全球网络覆盖达32个国家,预计2018年将完成60个国家的网络布建。另外各阵营近期密集宣称开启、核照,相关服务在2018年都将上路,市场好不热闹。
 
NB-IoT各大电信营运商陆续宣布开始运营,并投入公共事业、共享经济、智慧城市等相关服务;LoRa在智慧读表、智慧农业、工业物联网具备优势;Sigfox领先取得台湾地区二类电信执照,并于跨地区大范围的智慧读表、智慧监测等应用持续发展。本次邀请现今主要LPWAN技术阵营的厂商现身说法,剖析各技术内涵与开发要点,并勾勒产业应用前景。
 

 
图1 资策会MIC产业分析师曾巧灵说,未来两年LPWAN芯片预计将朝向多频多模的方向发展,提供跨网跨域之服务基础。
 
LPWAN商用摩拳擦掌
 
物联网由The Next Big Things口号发展至今,物联网架构中的各项元素陆续发展到位,低功耗广域网由于具备低功耗(Low Power)、低复杂度(Low Complexity)、低成本(Low Cost)、长距离(Long Distance)、大量连结(Large Number of Connections)特性,而且技术难度不高,从早期的M2M发展起,近期已届商用阶段,较受市场注目的技术包括:eMTC、NB-IoT、Sigfox、LoRaWAN、HaLow、Weightless等。
 
上述LPWAN从使用频段来观察,分成授权频段(Licensed Band)与非授权频段(Unlicensed Band),资策会MIC产业分析师曾巧灵(图1)说,授权频段以3GPP电信网络相关的物联网标准为主,包括GSM-IoT、LTE-M与NB-IoT等。非授权频段则以LoRaWAN与Sigfox,这两个源起自法国,运作于1GHz以下的技术发展最为迅速。
 
LPWAN的发展目前还属战国时代,因此不仅技术纷杂,使用的频段也是,不利于部分应用与市场的推动,曾巧灵指出,未来两年LPWAN芯片预计将朝向多频多模的方向发展,Qualcomm与华为协助韩国电信营运商开发同时支持1.8GHz与800MHz的双频NB-IoT芯片;摩拜单车、Qualcomm及中国移动研究院2017年5月使用高通MDM9206芯片,进行支持LTE-M、NB-IoT与E-GPRS的多模测试。对营运商而言,多模多频解决方案可以提供跨网跨域之服务基础,扩大其服务类型与范围。
 

 
图2 LPWAN三大阵营积极拓展产业链
数据源:各公司,MIC整理(9/2017)
 
现阶段,包括3GPP LPWAN与LoRa、Sigfox三大阵营,都持续强化自身产业链(图2)在芯片、模块、网关(Gateway)/基地台(Base Station)、营运商等不同层面的产业实力,整体而言各有优劣势,较特别的是有越来越多厂商多方押宝,不只投入一项技术。曾巧灵强调,未来抢占有潜力的应用市场与发展为消费者接受的商业模式,可能会是脱颖而出的关键之一。
 


 
图3 资策会智慧所蔡宜学博士说明,2018年Release 15的NB-IoT版本,预计会有更多细节的技术改善。
 
NB-IoT持续改善技术缺陷
 
3GPP发展物联网应用其实早在2008年Release 8版本中的LTE Cat-1,就有MTC(Machine Type Communication)的应用设计,资策会智能所蔡宜学博士(图3)说明,其后几年针对MTC应用的技术内容持续简化以提升连结数、传输距离、降低功耗、传输速率,发展出LTE Cat-0与Cat-M1等,一直到Release 13版本正式发表Cat-NB1也就是NB-IoT。
 
Release 13版本的NB-IoT仅具最基本的技术内涵,许多应用需要的特殊功能都还付之阙如,在Release 14版本强化了定位(Positioning)功能,蔡宜学提到,NB-IoT的定位是以OTDOA利用基地台的三角定位,实际的运作是以Idle Mode进行量测定位讯号,因为进行量测的同时,无法监控NPDCCH,进而影响传收数据。NB-IoT延长量测时间以增加量测精准度,因此相对的必须延长LPP反应时间(Response Time)。

 
 
图4 远传电信物联网应用发展部协理张连成表示,未来物联网服务价值链的营收分配高达73%将由服务与应用产生。
 
到了2018年Release 15的NB-IoT版本,预计会有更多细节的技术改善,蔡宜学解释,这个版本的技术演进主要分成三个部分,一是针对功耗、量测与支持小型基地台的架构,同时首次加入支持低延迟(Low Latency)达10ms。第二部分就是支持分时多任务系统(Time-division Duplex, TDD),并增加更多频段的支持。第三部分就是与服务质量有关的QoS、存取限制(Access Barring)、终端回馈(UE Feedback)等。
 
NB-IoT强调服务质量优势
 
物联网在近年之所以会受到产业高度关注的主要原因之一,就在于物联网装置的数量规模从几十亿到几百亿,而支撑这个连结依靠的可能就是LPWAN技术,其中扮演服务提供商的电信商角色非常关键,远传电信物联网应用发展部协理张连成(图4)表示,NB-IoT与eMTC同为3GPP的物联网技术,但在许多技术指标上还是有其区隔(图5),NB-IoT在成本、覆盖、功耗、连接数等指标持续强化;而eMTC则考虑与LTE兼容,在延迟、语音、移动性等功能更胜一筹。
 
 
图5 NB-IoT与eMTC关键技术指标比较
数据源:远传电信整理
 
未来物联网服务价值链的营收分配,跟传统电信服务不同,张连成认为,高达73%将由服务与应用产生,因此未来电信业者必须调整角色,整合更多合作伙伴,各种形式的异业结盟或产业垂直整合将更为常见,对于物联网市场提出新的收费模式(New Price Model),并发展新的产品设计(New Product Design)。
 
事实上,远传积极布局物联网,与中华电信都已经申请到第一批300万门物联网专用号码,提供商业服务箭在弦上,张连成分析,物联网应用类型有四类,自动上报/异常上报,应用如烟雾检测、智能仪表失效通知、闯入通知;自动上报/周期上报,应用如智能三表、智能农业监测、智慧环境监测;网络命令,应用如开关、触发设备上报数据、请求读表数据;软件升级/重配置模型,应用如软件补强升级OTA软件更新。
 
 
图6 u-blox商业开发经理廖容娴认为,智慧读表应该是第一个发展的应用,再来是智慧城市等政府项目需求。
 
NB-IoT芯片强调整合与可靠度
 
电信商扮演提供NB-IoT服务最关键角色,芯片/模块厂就是此一应用推动的引擎,u-blox多年前就看好此一市场潜力并积极投入,2015年与华为/neul及Vodafone合作,展示全球第一个NB-IoT水表解决方案。在各式应用当中,u-blox商业开发经理廖容娴(图6)认为,智慧读表应该是第一个发展的应用,再来是智能城市如智能路灯、停车抄表、废弃物管理等,共通性是政府项目需求。
 
廖容娴进一步说明,第二个阶段才会发展消费市场应用,如智慧家庭/建筑,包括警报系统、用电管理等;个人需求,如老人/动物追踪;最后一部分是智慧农业/环境监控如国土、噪音、雨量、污染等的监控。NB-IoT有电信商的支持与服务质量的保证,海外媒体也大胆预测2022年,NB-IoT将瓜分90%的LPWAN市场营收。
 
随着支持Release 13版本的NB-IoT芯片陆续发表,2017下半年~2018上半年,包括亚太、欧洲、美洲许多电信营运商都陆续宣布NB-IoT启动讯息,德国电信(Deutsche Telecom)更于2017年6月率先宣布,全球第一个NB-IoT服务智慧停车正式上路。其中NB-IoT模块价格能否快速降价,也是市场能不能普及的关键要素之一,一般而言终端用模块要降至5美元以下,中国的供货商更喊出1美元以下的激进目标。

 
 
图7 正文科技绿色物联网事业部营销经理张兴皇说明,LoRa因应不同应用情境需求,设计了三种传输模式。
 
LoRa获业界广泛支持
 
LoRaWAN是Long Range WAN也就是长距离广域网的意思,其在市区传输距离约2~5公里,在遮蔽物较少的郊区则为15公里。LoRa联盟目前会员数已经超过500家,是近年成长最为迅速的产业团体。正文科技绿色物联网事业部营销经理张兴皇(图7)说明,LoRa传输模式称为扩散因子(Spreading Factor),采用SF7模式时,传输速率为5468bit/s,传输距离约2公里,可应用在需求较大数据量的应用,SF8模式传输速率3125bit/s,传输距离4公里,一直到SF12模式,是传输速率最小但距离最长的模式。
 
LoRa数据传输时透过两层加密技术包括Network Session Key与Application Session Key,一为传输加密,一为数据加密,是一种很安全的无线技术。张兴皇解释,LoRa因应不同应用情境需求,设计了三种传输模式,Class-A设计给搭载电池的装置,以最省电的方式运作,数据传送后马上进入待机/休眠状态,延长电池续航力。
 
Class-B则是可应用在电池供电与电源线供电装置,该模式传送数据后不会马上休眠,是Class-A加上额外的接收窗口。Class-C则建议为电源线供电装置应用,采用连续听模式,是三个模式最耗电的一种,但服务质量也最好,终端装置可以随时收讯。
 
LoRa强调开放生态系
 
LoRaWAN网络架构是由应用服务器(Application Server)、网络服务器(Network Server)、网关(Gateway)与终端节点(End Node)组成。如果是建置私有网络则不需应用服务器与网络服务器,架构更加简单。LoRa在应用上非常适合不用常时连网,只要定期收到特定信息,如空气质量、电表、水表等。
 

 
图8 群登科技产品应用处长邱文正说,LoRaWAN的网络架构是由应用服务器、网络服务器、网关与终端节点组成。

LoRa采用1GHz以下ISM的免授权频段,依照地区国家的规划也有不同的频段,群登科技产品应用处长邱文正(图8)说,像台湾NCC是开放920~925MHz给物联网使用,每个频道125kHz,共可切分16个频道,其他欧洲433/868MHz、美国915MHz、大陆779~787MHz等等,最大的缺点是容易受到干扰,像是台湾eTag就在920~925MHz,另外还有手机网络,因为功率较大,也容易出现俗称盖台的干扰。
 
Sigfox发展全球一大网
 
物联网的话题已经炒作好几年,但是大量连结物联网发展的关键因素包括节能、低价、简单与无所不在的网络环境,这也是LPWAN会迅速受到产业瞩目的原因,现有我们熟悉的网络技术如4G LTE、Wi-Fi、蓝牙都无法同时拥有以上四个要素,三大LPWAN则是尽力强化自身在这四个要素上的竞争力,比如提供更远的传输距离、更低价的芯片模块、更无所不在的网络环境。
 
 
图9 UnaBiz生态圈总监邹宏平指出,Sigfox利用超窄频传输技术,因此具备最大的平均传输距离与穿墙能力。

Sigfox的最大特色是想在全球建立一个共同的物联网网络,再透过各地类似特许的网络营运商提供服务,Sigfox在台湾的网络营运商UnaBiz生态圈总监邹宏平(图9)指出,Sigfox利用超窄频传输技术,相较NB-IoT与LoRa传输速率最低(每次约12bytes),也因此具备最大的平均传输距离与穿墙能力。同时Sigfox无须配对即可进行联机,可在全球运作。
 
由于网络架构的一致性,全球Sigfox网络都是由Sigfox建置所以不会有兼容性的问题,全球数据数据也在同一个云端数据库,存取与利用有其一致性。Sigfox与LoRa一样采用非授权的ISM频段,所以网络成本较低,邹宏平强调,在台湾每个装置的服务费最低每年人民币4.8元,最高也不会超过每年12美元,而且Sigfox网络没有国际漫游的问题,不会因为服务区域不同就有不同的费率或重复收费。
 
Sigfox充分发挥超窄频特性

 
Sigfox全球同一网络的特性,适合跨国性的应用,如个人行李箱、货物追踪等,目前Sigfox使用频段全球大致分成四区,相较NB-IoT与LoRa使用频段纷杂,Sigfox网络架构最为单纯,预计今年就会有整合四区频段的多频模块问世。传输距离部分,一般市区约5公里,郊区可达20~30公里。
 
 
图10 云创通讯新技术开发处长 李俊颐说明,Sigfox全球同一网络的特性,特别适合跨国性的应用服务。

Sigfox的超窄频(Ultra Narrow Band, UNB)讯号带宽小于1kHz,云创通讯新技术开发处长李俊颐(图10)说明,优势是链路预算(Link Budget)达157dB,不考虑空气、水分、建筑物阻挡等,讯号直线传输距离高达2,100公里;另外,支持大量终端节点连结,抗干扰能力佳,而且可以直接联机,终端节点架构简单,Sigfox收(听)讯息能力佳,传输讯息能力则相对较差。
 
同样,Sigfox的UNB技术缺点就是传输速率较低、传输每位耗费能源较高,原因是其超窄频,所以传送封包的时间就较长,而且基地台的设计较为复杂。应用类型上,状态报告(Status Reporting)、装置识别(Device Identification)、事件检测(Event Detector)、传感器分散配置(Sensor at Scattered Location)的工作需求都是Sigfox可以发挥功能的应用类型。









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