LoRa/Sigfox/NB-IoT各领风骚 LPWAN满足IoT省电需求

　　资通讯产业下一阶段的发展重点之一为物联网，将会有许多新创团队锁定物联网，以智能城市为主题推出各种产品与应用，将资通讯领域发展推向另一高峰。物联网发展下，以智能城市做为主轴，相关的应用尽管变化莫测，但依然都需要无线网络做为底层机制。 此外，为了满足物联网装置省电、长距离传输数据的应用场景需求，低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN)因此而生。

　　LPWAN是物联网被谈论多年之后，万物联网最具体的实现。 由于对于影音、数据传输、即时消息等没有过于复杂的要求，学者相当看好物联网装置数量的成长，并预估联网装置数量将在2021年累积高达280亿个，其中的150亿是物联网装置。 面对此一趋势，产业界也兴起一波投入热潮，希望能快速布局抢占商机。

　　无线通信领域的发展相当迅速，二十年来，从移动电话问世到现在已经在讨论第五代标准。 而在5G正式上路之前，LPWAN提供产业持续前进的动力，由于LPWAN相关技术难度不高，所以许多低功耗长距离的技术陆续被提出。 根据爱立信行动趋势报告(Ericsson Mobility Report)的预测，2023年具备有LPWAN能力的物联网装置将超过40亿台。

　　目前备受注目的LPWAN技术为LoRa、Sigfox、NB-IoT。 就LPWAN业者提供的服务现况而言，大致可归类为智能读表系统、停车管理、资产追踪、环境监测等四大领域。

　　LoRa技术属于非授权频段(Unlicense Band)，数据传输在1GHz以下。 基于线性Chirp Spread Spectrum(CSS)扩频调制，在相同频率下，不同扩频序列的终端设备也不会互相干扰。 而伴随着应用场景的改变，终端设备的工作模式亦可以随之调整成三种不同的传输方式：ClassA、ClassB、ClassC，以满足不同应用的需求。

　　而Sigfox技术同样为非授权频段，其传输速率最低仅100bits/s，每个装置每天最多只能传送140个讯息，而每个讯息酬载(Payload)最大至12bytes。 装置只要使用Sigfox Radio Protocol，在对的频率发射讯号，基地台会自行接收讯息，装置(TX)跟基地台(RX)之间不需要任何沟通。

　　另一方面，NB-IoT技术属于授权频段(License Band)，大幅改善了物联网技术LPWAN在大量布建下所产生的联机碰撞问题。 操作模式可分为三种，第一种为NB-IoT的载波独立于原先LTE的操作频段(Stand-Alone Mode)，第二种为在原先LTE载波间的保护频段(Guard Band)塞入NB-IoT的操作载波(Guard-Band Mode)，第三种为在运营商所使用的LTE载波中切割出给NB-IoT操作的载波频段(In-Band Mode)。

　　联网技术各临挑战

　　LoRa、Sigfox、NB-IoT各有优势，以下针对技术的现况进行说明，并探讨这些技术优势将为LoRa带来哪些发展上的挑战。

　　. LoRa大张旗鼓

　　LoRa是最受产业支持的LPWAN技术，由IBM、Cisco领军，组成LoRa联盟。 联盟中各领域的厂商虽然类型不同，但都有着成为物联网时代领导厂商的共同目标。 使得联盟自2015年3月成立以来，会员快数增长，已高达460个。 LoRaWAN尤其受到电信营运商支持，韩国SK Telecom、法国Orange、大陆中兴电信等，而台湾的亚太电信也在鸿海集团资源的支持下，成立富鸿网进军LoRaWAN领域。 目前已超过120个城市有网络运行，而富鸿网于台湾的台北市与新北市布建了500个基地台。 然而，联盟中芯片相关的厂商还是比较弱势的一环，由于LoRa网络核心技术掌握在Semtech身上，芯片厂商若想展开合作关系，通常是以MCU搭配Semtech的通讯芯片，或者推出模块的方式。

　　. Sigfox抢滩登陆

　　Sigfox是由法国网络营运商Sigfox所自行研发的技术，扩大建置网络，比其他竞争对手更快的抢下市场，是这家新创公司所采取的策略。 目前，Sigfox全球网络覆盖已达32个国家，明年有望完成60个国家的基础布建。 Sigfox上游技术IP免费授权，辅以垂直整合模式，从上游的硬件制造到网络布建、服务供应一条龙的作法，吸引许多厂商加入其生态系统。 设备制造伙伴已经有71家、IoT平台供货商有49家、芯片供货商8家、模块厂商15家、软件与设计服务业者30家与育成/创投业者4家。 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)。

　　智能停车是导入LPWAN技术应用的重点之一，可以预见的是此应用很快会掀起一波价格战，而Sigfox的低价化优势，且技术最为简单，有可能在短时间内达到终端芯片2美元的目标，预计能抢下部分市场。 另一方面，Sigfox亚洲营运商优纳比已于今年10月公布收费标准，月租费介于新台币2元到22元之间，使台湾成为Sigfox全球收费最便宜的市场，势必为LoRa带来挑战。

　　. NB-IoT蓄势待发

　　NB-IoT是由国际电信标准制定组织3GPP所推广的新一代物联网无线通信技术，不仅有较高的数据传送率，还有较大的数据传送量，此外基于授权频段而有较佳的传输质量。 而技术采用原先蜂巢网络的加密设计，因此在讯息的传送上，具有更高的安全性。 尽管NB-IoT今年才完成标准制定，最快明年才会正式推出商业应用，但也获得不少企业力挺，如英国电信商Vodafone等，有机会在2018年领导LPWAN市场，是LoRa较劲的对手。

　　联网技术应用各有优势

　　随着智能城市的公用事业IoT应用如水表、烟雾侦测器、加油箱等规模持续增长，增加了更多需要设备与设备间的小量数据且远距无线传输用途的应用需求。 物联网的应用范围将日益扩大，但是应用的情况会随着建置场域的不同而有所差异。

　　. LoRa成本低

　　LoRa技术是一种采用免许可频段的IoT无线通信技术，具备有能实现长距离且低功耗的传输特性，包括了传输距离可涵盖至十多公里的范围，而靠着装置内建的电池可维系10年以上的使用时间，对于企业安装部署所需负担的成本也较低。

　　荷兰电信巨头KPN仅透过在原有的3G/4G电信基地台加装数百个LoRa无线通信基地台，就成功打造一个能涵盖全国户外的LoRa物联无线感测网络，至少提供包括道路照明、交通号志、烟雾报警器、 废弃物管理及移动追踪等用途之150万个IoT装置使用。 另外南韩最大电信商鲜京电信也在大邱市提供LoRa网络之商用IoT服务。 就连台北市、纽约等城市也陆续布建LoRa网络来打造IoT应用。

　　Atilze Digital在2017年4月底宣告在马来西亚布建第一个LoRa网络，并使用LoRaWAN的技术建置25个LoRa Gateway，预计在2020年时提供3亿多的LoRa组件连上网络。Atilze Digital提供联网车载、进阶驾驶协助系统(ADAS)、智能城市、智能农业、智能家庭等物联网服务。 SK Telecom在今年9月利用LoRa技术在车辆行驶管理系统，将车辆行驶情况回报系统。 SK Telecom的LoRa物联网系统结合LTE-M的技术，提供在电表、追踪系统、监控系统、安全系统、工厂及建筑的服务。 图1为SK Telecom用在追踪系统的平台。 如图所示，追踪功能的组件透过LPWA技术连接到DCU上，且由ThinkgPlug平台来做组件控制。ThinkPlug平台藉由oneM2M技术来提供管理者可以透过Web接口来控制组件。SK Telecom也利用LoRa技术在印度尼西亚提供车辆位置追踪系统、智能电表等服务。SK Telecom也预计在2018年在印度提供由SK Telecom的ThingPlug物联网平台建置的电视服务。Telecom利用LoRa物联网平台提供在安全系统以及智能工厂和智能建筑的服务。 如图所示，SK Telecom利用在安全系统或是工厂机器人上布建大量的传感器，透过传感器组件所发出的Beacon来沟通，再透过LoRa组件收集传感器的信息，利用LoRa或是WiFi网络将信息传递到后端SK Telecom系统的服务器，管理者可以透过SK Telecom的EHS平台来监控系统。

　　LoRa虽然可用在许多物联网系统上，而被越来越多业者采用，但是LoRa也有在使用上的利弊。 如图5所示，要如何将LoRa网络和现有建置的IT环境无缝整合也是一个影响LoRa建置的议题。 LoRa网络如何和旧有环境和未来新建置的环境结合，如何能管理这些系统，如何能提供系统的安全性，也是待解决的问题，尤其是这些物联网组件因为低成本及低复杂度， 这些LoRa物联网组件提供的安全机制远低于现有计算机和手机系统能提供的安全性，因为缺乏安全机制设计，更容易在被骇入后被拿来做大量的网络攻击(DDoS);而且因为布建LoRa系统在智能家电上会更接近用户的生活， 造成的资安问题将会更严重。 有许多业者采用LoRa系统来提供智能工厂的服务，但安装在机器上的物联网感测系统被骇入后，则会还有工厂安全的问题要考虑。 LoRa物联网系统因为低成本、低功耗、广域传输、组件可以长时间使用(超过十年寿命)等优点，能在初期提供快速的自动化智能管理的建置，但布建后衍生的安全漏洞也是一大问题。

　　. Sigfox宜大范围监控

　　Sigfox最大的特点在于传输速率低、传输范围广泛，相当适合发展大范围的环境监控。 不过该技术的数据传输量有每日上限，不能传输庞杂的讯息。 以基础讯息为主，流量回报频率低，每小时仅需回报一次的应用，如水表、电表、路灯等智能控制，就适合采用Sigfox技术。 然而，欧美等地近期为响应节能减碳，纷纷实施尖离峰差别电价，流量回报频率将提高至每15分钟回报一次。 如此密集的传输频率，Sigfox技术就无法负荷。 而Sigfox核心网络的营运与布建都掌握在法国网络营运商Sigfox，并强调一个国家地区一个营运商，全球同一网络，某种程度也是发展的一大阻碍，因为少了电信商的支持，Sigfox要进入消费性的物联网市场难度恐将更为提升。

　　. NB-IoT占先机

　　NB-IoT因采用授权频谱，可具备运营商级的安全和QoS保证，且支持现网升级，势必可在最短时间内抢占市场。 NB-IoT技术最适合运用在需要频繁传输且具较短的下行延迟(Downlink Delay)之应用。

　　但是，NB-IoT的部署成本是高于其他LPWAN技术，其硬件成本较高，电池寿命的损耗较大，装置消耗的功耗是LoRa装置的5倍多。 而目前市场上IoT装置多数是以数据传输为用途，例如：水表、传感器等。 因此，即使NB-IoT开始发展商业应用，还是难以取代LoRa的装置。 LoRa技术成熟度领先NB-IoT约一～二年，若可以利用这不到两年的时间好好发展，把握这拉开差距的最佳时机，或许就可以抢占先机，并藉此在市场上取得一席之地。

　　各技术合作截长补短

　　智能城市的发展已如火如荼的进行着，而不久的将来，身为台湾经济重心的科技园区，势必会导入物联网的技术，搜集工厂内的数据，例如：温度、水、气体，进行环境监测来提高产能以实现智能制造。 虽然LoRa的数据传输距离没有Sigfox来得远，但是相对拥有较高的传输带宽，是技术选择的首选。 以占地十公里的晶圆厂为例，在厂区内搭建一个封闭型的LoRaWAN，建设成本与难度都不高。 企业将厂区所搜集到的数据，可采用透过更大范围的NB-IoT网络或者现有的4G LTE网络传送到开放的云端或私有云，将整合多个厂区的数据进行汇整分析。 正如同LoRa标准创始人Olivier Hersent所言：LoRa和NB-IoT并不存在竞争关系，而是将会发展成为如同Wi-Fi和LTE的合作关系，彼此共存。 然而LoRa也有如何将LoRa网络和现有建置的IT环境无缝整合、以及如何能管理这些系统、如何提供系统的安全性等待解决的问题，尤其是物联网的装置若在缺乏安全机制的设计下，更容易引发严重的资安问题。