LPWAN戰國六雄逐鹿　廣域物聯網賽局鳴槍起跑

無線通訊領域近20年的發展非常迅速，從行動電話問世到現在已經在討論第五代標準，而在5G正式上路之前，低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network, LPWAN)提供產業持續前進的動力，由於LPWAN相關技術難度不高，所以許多低功耗長距離的技術陸續被提出，較受注目的包括使用授權頻段的NB-IoT(Narrow Band-IoT)，以及採用非授權頻段的LoRaWAN、Sigfox、Weightless、HaLow、RPMA(Random Phase Multiple Access)等。

這些技術有些已發展一段時間，因概念接近物聯網應用而被歸類LPWAN範疇，也有全新制定如NB-IoT，另有現有技術延伸的版本如HaLow，這些技術幾乎同時在2017年就位，業界也因此非常熱鬧，可以明顯感受各技術陣營動作頻頻，預期這場競賽在今年會是科技產業一整年最熱門的話題之一。

LPWAN給你滿滿的大平台

LPWAN是標準的MTC(Machine Type Communication)，由於不要求複雜的影音、大資料傳輸、即時訊息等，是物聯網談論多年之後，最具體的萬物聯網技術，與過去幾波科技業大浪潮相較，PC一年出貨2∼3億台、手機一年約10∼20億支，物聯網裝置數量則被看好有智慧型手機十倍的市場規模，因此LPWAN概念興起之後，產業界面對此新一波趨勢，也帶動許多廠商投入，希望能先行卡位商機。

目前較受關注的六個LPWAN技術中，大概可以從傳輸使用的無線電頻段分成使用授權頻段(License Band)與非授權頻段(Unlicense Band)(表1)，使用授權頻段技術為3GPP主導的NB-IoT，使用現成3G/4G網路，主要投入為電信營運商與相關設備廠商；使用非授權頻段技術就呈現遍地開花的狀況，大部分不屬於電信領域的ICT廠商都投入這些技術，甚至多方押寶。本文希望就2017年這些技術的發展現況與布局，觀察未來LPWAN的樣貌。

資料來源：各公司；MIC整理(9/2016) 表1 LPWAN主要技術比較

NB-IoT力拼後來居上

圖1 資策會智通所前瞻行動通訊系統中心主任陳仕易說，Vodafone宣布即將於2017年3月正式推出NB-IoT服務，是全球第一個商轉的系統，非常具觀察指標意義。

3GPP在2016年驚覺LPWAN商機已經降臨的時候，決定在6月發表的R13規範就推出NB-IoT的正式標準，所以目前也還沒有商業應用的案例，資策會智通所前瞻行動通訊系統中心主任陳仕易(圖1)說，Vodafone宣布即將於2017年3月於德國、愛爾蘭、荷蘭、西班牙等地正式推出NB-IoT服務，是全球第一個商轉的系統，非常具觀察指標意義，因為其服務是否能為市場接受，也代表該技術後續的推動前景。

NB-IoT之所以受到矚目，因為該技術是由3GPP主導，並獲得三大電信設備商諾基亞(Nokia)、愛立信(Ericsson)、華為支持，加上全球三百多家電信營運商的行動網路布建覆蓋全球90%以上區域與幾十億人口，而且不用布建新的網路，諾基亞解決方案營銷部台港澳業務銷售總監鄭志中表示，NB-IoT三種網路運作頻段，無論是在現有頻段(In Band)、保護頻段(Guard Band)或新頻段(Stand Alone)皆可以簡單地利用軟體升級，在最短時間內推動服務上路。

另外，NB-IoT使用電信級網路，所以對於網路品質、訊息安全性都有高度的保障，在部分敏感性較高的應用，如高價貨品的追蹤相對有利基。2017年3GPP還要發表R14版本的技術規範，在NB-IoT的部分包括，定位(Positioning)、多點傳送(Multicast)、非標定的PBR增強(Non-Anchor PRB Enhancement)、移動性與服務連續性(Mobility and Service Continuity)、新的功率消耗模式(New Power Class)、降低功率消耗與延遲性(Power Consumption and Latency Reduction)，讓NB-IoT的技術競爭力更為完整。

而在2018年R15的規範中，陳仕易指出，已經有業界提案要加入非授權頻段的NB-IoT版本、更為強化的省電功能。NB-IoT目前推動較大的問題在於商業模式，授權頻段的頻譜資源是透過競標取得，儘管只有200kHz的頻寬，但電信營運商近期最大的功課應該就是如何設計物聯網的服務？如何收費？鄭志中說明，過去電信服務都是透過SIM卡提供服務與計費，未來NB-IoT若也同樣採用SIM卡，一個節點的成本就至少10美元，儘管也可以採用虛擬SIM卡(Virtual SIM)的方式，但市場接受度也讓電信服務商大傷腦筋。

不過，相信自Vodafone推出NB-IoT服務之後，許多營運商就會陸續跟進，2017年下半年會有更多的系統測試與上線，預計到年底會有約20家電信營運商推出相關服務，同時這段時間也是營運商推廣其服務模式與終端產品的關鍵時刻，一般預測2018年以後才會是NB-IoT技術大顯身手的時間，主要是屆時R14版本的技術改善內容已經穩定也導入相關產品，同時營運商也可以摸索出市場可接受的商業模式。

2017為非授權頻段技術發展黃金期

而在2017年NB-IoT還未站穩腳步的這一年，就可以說是非授權頻段技術設法拉開差距的最佳時機，原先以LoRaWAN、Sigfox、RPMA這些標準為主的LPWAN技術，技術成熟度本來就領先NB-IoT一至二年，2017年部分LPWAN技術更已經踏上商業化的腳步，若可以利用這不到兩年的時間好好發展，或許就可以搶占先機，並藉此在市場上取得一席之地。

Sigfox積極布建網路

來自法國的Sigfox顯然非常清楚不管是授權頻段的NB-IoT或非授權頻段的競爭對手們，現階段最重要的目標就是網路布建，與表1在2016年9月的統計數字相較，Sigfox 2017年1月的網路涵蓋進步到了29個國家地區、170萬平方公里、4億7,100萬人口，包括透過其在台合作網路營運商優納比(UnaBiz)，於2016年12月啟動六都的網路布建。

Sigfox計畫於2018年將網路布建推進到60個國家。與其他LPWAN技術相較，如表1所示，Sigfox是傳輸速率最低的技術僅100bit/s，每天每個裝置只能傳送最多140個訊息，每個訊息酬載(Payload)最大12byte。裝置(Tx)跟基地台(Rx)之間不需要任何溝通，裝置只要在對的頻率發射訊號(使用SigFox Radio Protocol)，基地台會主動去接收訊息。

圖2 意法半導體類比、微機電與感測元件應用經理陳建成表示，該公司的Sigfox晶片，睡眠模式耗電僅0.2mA，看好2017年下半年Sigfox將出現具體的成長。

Sigfox在技術設定時盡力降低技術複雜度，一般而言其傳輸距離最長，也是最有可能實現單一節點電池使用時間達十年的技術。意法半導體(ST)類比、微機電與感測元件應用經理陳建成(圖2)表示，該公司目前推出的Sigfox晶片，睡眠模式耗電僅0.2mA，看好2017年下半年Sigfox將出現具體的成長，推出藍牙晶片搭配Sigfox收發器的模組，並整合該公司的各式感測器，成為完整的解決方案。

Sigfox定位為物聯網的營運商，所以該公司自己掌握核心網路的營運與布建，強調每個國家地區一個營運商，全球同一網路，這是該技術最大的特色，但某種程度也是發展的一大阻礙，因為網路服務商無法進入其產業鏈，少了電信商的支持，Sigfox要進入消費性物聯網市場難度將更為提升。

LoRa聯軍聲勢浩大

由IBM、Cisco領軍的LoRa可以說是目前為止最受產業支持的LPWAN技術，LoRa聯盟以17個贊助會員為主，甚至包括了韓國SK Telecom與法國Orange與大陸中興這類電信領域的廠商加入，台灣同樣也有許多廠商參與，聯盟中各領域類型的廠商都有，目前也積極在各地布建網路當中，台灣就有鴻海旗下的富鴻網於雙北市布建了500個基地台；另外，正文科技也透過台北市智慧城市計劃布建了一個LoRa實驗網路。

在2016年，有17個國家宣布LoRa建網計劃，超過120個城市已有運行網路，也受到多個電信營運商支持，包括台灣的亞太電信也在鴻海集團資源的支持下，宣示進軍LoRaWAN領域，並成立富鴻網串連上下游，其採行類似Sigfox的垂直整合模式，從上游的硬體製造到網路布建、服務供應一條龍的作法，如果該模式成功，可能會成為物聯網時代領導廠商之一。

不過，在目前400多個LoRa聯盟會員中，晶片廠商算是相對弱勢的一環，相較於Sigfox雖然掌握核心網路，但在晶片與周邊設備上採取開放的態度，免費授權給晶片供應商，LoRa雖然也積極與晶片商合作，但其網路核心技術掌握在發起廠商之一的陞特(Semtech)身上，晶片廠商要合作通常是以MCU搭配Semtech的通訊晶片，或者推出模組的方式。若LoRaWAN在2017年發展順利，勢必會收到更多開放核心通訊IP的要求，這也是該技術欲快速擴大影響力必須積極思考的重點之一。

RPMA唯一採用2.4GHz

與其他LPWAN技術普遍採用Sub-GHz頻段不同，由美國IC設計公司Ingenu主導的隨機相位多重存取(Random Phase Multiple Access, RPMA)，採用一般熟知的2.4GHz頻段，並支援韌體空中更新(FOTA)功能。在RPMA終端和基地台的共同運作下，用戶可以管理傳輸通訊的容量、資料速率和範圍；基地台與在預定義時間框架內發送信號的終端節點保持同步，從時間框架起點採取隨機延時，終端節點也根據接收到的信號強度選擇發送的展頻因數。

圖3 u-blox商業開發經理黃俊豪說明，該公司在非授權頻段的LPWAN技術中特別看好RPMA，所以將與Ingenu合作推出解決方案。

無線模組廠商u-blox商業開發經理黃俊豪(圖3)說明，該公司在非授權頻段的LPWAN技術中特別看好RPMA，所以將與Ingenu合作，由Ingenu提供核心IP、瑞薩(Renesas)製造晶片、u-blox負責模組整合製造，同樣具有低成本、傳輸距離遠、電池續航力超過十年的特點，產品將於2017年第一季問世。

與其他LPWAN技術相較，Ingenu認為，其網路覆蓋能力強，RPMA基地台覆蓋整個美國只需要619個基地台，而採用LoRa技術則需要10,830個基地台。此外RPMA系統容量大，以美國為例，如果物聯網中的設備每小時傳輸一百個位元組的資訊，那麼採用RPMA技術可以接入249,232個設備，而採用LoRa技術和Sigfox技術則分別只能接入2,673個設備和9,706個設備。

另外，RPMA採用功率控制和資訊傳輸確認的辦法來減少重新傳輸的次數，終端在資料傳輸的間隔時進入深度睡眠狀態來減少功耗，延長電池壽命。RPMA技術全球都採用2.4G頻段，不像Sigfox採用的頻段全球分為四個區，某些區域的頻段如台灣，已經被其他應用所占據。RPMA採用的是雙向通訊的方式，可以通過廣播的方式對終端設備進行控制或升級，相較之下Sigfox採用的是單向傳輸，LoRa採用的是半雙工的通訊方式。

為迅速占領低功耗廣域網路市場，Ingenu表示，該公司已經在全球超過45個國家和地區部署其2.4GHz RPMA網路，目標在2016年底於美國30個城市建立600個通訊塔，覆蓋七成的美國國土。此外Ingenu也打算與更多晶片、模組及系統供應商建立夥伴關係，圍繞RPMA技術打造健康的生態系統，進一步推進RPMA的市場應用。

Weightless鴨子划水研議標準化

Weightless有三個不同的架構：Weightless-N、Weightless-P和Weightless-W。Weightless-N屬於單向通訊，是低成本的版本;Weightless-P是雙向通訊版本，通訊效能較好；如果當地TV空白頻段可用，可選擇Weightless-W。ARM支援的Weightless-P頻寬為12.5kHz。

Weightless與歐洲電信標準化協會(European Telecommunications Standards Institute, ETSI)達成合作協議，該技術未來可能會仿效Wi-Fi，建立統一的標準和認證體系，將技術和產品標準化、產業化。根據Weightless SIG的目標，一個Weightless連接終端成本希望在2美元以內，一個Weightless基地台的材料成本低於3,000美元。

圖4 優必闊科技研發副總經理傅倬解釋，offset-QPSK調變本身具有干擾免疫和使用擴頻技術提高網路連結品質。

Weightless-P使用GMSK(高斯濾波最小頻移鍵控)和offset-QPSK(偏移四相相移鍵控)調變提供最佳的功率放大器效率。優必闊科技(Ubiik)研發副總經理傅倬(圖4)解釋，offset-QPSK調變本身還具有干擾免疫和使用擴頻技術提高網路連結品質。17dBm的低傳送功耗，終端可以用鈕扣電池供電。自適應數據速率還允許節點用最小的發送功率建立一個新的訊號通道到基地台，因此可以延長電池壽命。在待機模式下，Weightless-P的功耗小於100μW。

HaLow讓WiFi走出戶外

在無線區域網路(WLAN)取得巨大成功的Wi-Fi，其實一直想要克服只能局限於室內的狀況，由IEEE主導的802.11ah標準，Draft 9.0版本於2016年9月完成，12月完成標準委員會核定程序，預計2018年可以商業化，命名為HaLow，採用非授權的900MHz頻段，傳輸距離達1公里，傳輸速率150kbit/s∼347Mbit/s。

此外IEEE還規劃有採用電視白頻道頻段54∼790MHz的802.11af技術(圖5)，期待能提供更低功耗與更長傳輸距離。從HaLow的規格看來，傳輸距離與動輒數十公里的其他LPWAN技術相較還有一段差距，雖然可以透過Multi-hop Relay技術延伸到數公里，但由於起步時間較晚，產業鏈也呈現付之闕如的狀況。好處是Wi-Fi網路布建並不困難，只要透過設備升級就可以，目前也只定位在NB-IoT的中繼解決方案，真正廣域的連結還是透過NB-IoT。

資料來源：WiFi Alliance 圖5 各WiFi技術分類與差異

競爭並建立產業秩序

類似HaLow的思維其實在LPWAN目前的發展狀況下十分需要，有產業人士直言，就算物聯網市場再大，六個訴求相近的技術與標準也太擁擠了，消費者會希望技術越單純越好，所以未來六個技術並存的機率不高。要避免零和淘汰賽，各自找到利基點或市場區隔是非常重要的，因此2017年對於LPWAN來說，各自卡位求發展自是必然，但在競爭中尋求合作也是重點，若能合作取得雙贏就是最高明的策略，因此技術間的整併也有可能發生。

除了技術的整併之外，最近高科技產業也出現整併風潮，不斷有破紀錄或跨業的整併出現，物聯網應用訴求系統化服務與垂直產業應用，若出現新興的大型供應商，能提供一條龍的系統化服務，或現有廠商透過整併而可以跨產業提供特定產業深入應用，也會是可以期待建立產業秩序的發展。

另外，過度的競爭會把原本美好的藍海市場迅速打成紅海，比如目前同樣技術的網路就有重複布建的問題，這對資源不僅是一種浪費，也重演早年3G基地台大量布建的亂象，電信監理單位宜及早提出一套管理辦法，讓同一技術毋須不斷重複布建網路，甚至不同技術也能共用網路基礎建設。另外，不同技術之間面對各自的技術優勢，應區隔出最擅長的領域全力發展，物聯網的應用包山包海，沒有一家廠商可以通吃，現階段廠商共同的課題就是發掘消費者真正的需求，有需求才會有市場。