LPWAN布局漸成形物聯網商用服務成長可期

2017-02-13

曾巧靈

低功耗廣域網路技術(Low Power Wide Area Network, LPWAN)依使用頻段可分為執照與免執照兩大陣營，免執照LPWAN技術發展較早，主要技術為：HaLow、LoRaWAN、Sigfox、Weightless、RPMA等。執照頻段則以3GPP主導的NB-IoT為主。

物聯網應用日益多元(圖1)，不同於行動通訊對於大頻寬、低延遲等傳輸要求，許多物聯網應用如監測空氣品質、電表資料傳輸等服務，資料封包小、對於延遲容忍程度較大，同時，在環境監測、管線監測等應用場景中需要廣範圍布建，或是地處偏遠、位於地下室、地底等屏蔽較嚴重的地點，既有無線通訊或行動通訊技術之傳輸訊號到達不易，針對上述應用，發展出具備長距離低功耗的通訊技術，包含使用授權頻段的技術，以及運作於免執照頻段的技術，統稱為低功耗廣域網路技術(Low Power Wide Area Network, LPWAN)。

資料來源：MIC(5/2016)

圖1 LPWAN在智慧城市上的應用

免授權頻段LPWAN技術

LPWAN技術依照使用頻段可分為執照與免執照兩大陣營，其中免執照LPWAN技術發展較早，目前主要技術包含：HaLow、LoRaWAN、Sigfox等，除HaLow因為標準推動較晚導致相關生態體系尚未發展外，其餘技術都已進入測試或商用階段，在世界各國已經有許多應用案例。

Sigfox

Sigfox於2009年由法國同名物聯網新創公司所推動，根據Sigfox公布的資料指出，目前全球已經有29國展開Sigfox網路布建，包含：荷蘭、西班牙、法國、俄羅斯、英國與美國等，預計於2019年拓展至全球60國。技術規格方面，傳輸速率約在100bit/s左右，傳輸距離在市區約10公里，在郊區則可達50公里，以上行通訊為主，但也支援下行通訊，採用超窄頻(Ultra-Narrow Band, UNB)技術，使用頻寬僅需100kHz。為降低功耗，Sigfox裝置通常處於閒置狀態，裝置要求網路完成傳輸後就會再次回到閒置狀態。Sigfox的操作頻段採用免授權的工科醫(ISM)頻段，如：美國的902∼928MHz以及歐洲的863∼868MHz。

LoRaWAN

LoRaWAN是由包括IBM、Cisco、Actility等大廠在內的LoRa Alliance成員所共同推動的通訊協定，根據LoRa Alliance報告顯示，2016年有17個國家公開宣布建網計劃，120多個城市地區有正在運行的LoRa網路，其中韓國SKT、印度TaTa、荷蘭KPN等已完成或正在進行全國網路的布建。

在技術規格方面，傳輸速率約在30bit/s∼50kbit/s之間，傳輸距離在市區約2∼5公里，郊區最長可達15公里，依據2015年6月所公布的LoRaWAN 1.0版技術文件，LoRaWAN同樣採用sub-GHz免授權ISM頻段，支援雙向傳輸，傳輸方式依據延遲要求與功耗大小可分為Baseline(Class A)、Beacon(Class B)以及Continuous(Class C)三種等級，其中Class A方式只有當終端裝置發送要求時才會進行傳輸，功耗最低；Class B可排定時程進行傳輸，終端可於預設時間開啟接受封包傳輸；Class C為持續傳輸數據，功耗最大，但傳輸延遲時間最短。

Weightless

Weightless是由ARM及華為收購之英國物聯網公司Neul所推動的sub-GHz LPWAN通訊協定，目前以歐洲如英國、丹麥等範圍為主推展其服務。自2012年開始發展以來，Weightless共已釋出三個版本協定包含Weightless-W、Weightless-N及Weightless-P。

Weightless-W為最早發展的版本，主要使用電視空白頻段(TVWS)傳輸數據，但因各國TVWS釋出發展進程存在顯著差異，導致發展受限。Weightless-N版本改採sub-GHz免執照頻段，傳輸速率為30∼100kbit/s，傳輸距離約為5公里，Weightless-W及Weightless-N僅支援單向傳輸，但在最新Weightless-P版本開始支援雙向通訊，傳輸速率約在100kbit/s左右，傳輸距離最長為2公里。

HaLow

2010年由IEEE開始發展的HaLow，其成立背景是因為Wi-Fi技術雖在無線資料傳輸領域獲致相當大的成功，然當前Wi-Fi主流標準802.11n及802.11ac在功耗及傳輸距離的表現，尚未符合低功耗、長距離與數據流量少的物聯網應用場景要求，尤其在物聯網傳輸環境中大量裝置的連結維護以及資訊回傳處理，使既有Wi-Fi技術面臨挑戰。

因此，IEEE在Wi-Fi技術發展藍圖上規劃802.11ah標準，採用1GHz以下低頻頻段，用來實現低功耗、長距離無線網路連結，802.11ah Draft 9.0已於2016年9月完成，於2016年12月完成標準委員會核定(IEEE-SA Standards Board APProval)程序。

此外，Wi-Fi Alliance已於2016年1月在美國舉辦的CES展會上將802.11ah標準正式命名為「HaLow」，根據IEEE規範，HaLow使用1GHz以下不包含TVWS的免執照頻段，頻道頻寬可分為1MHz、2MHz、4MHz、8MHz及16MHz，傳輸速率至少為1Mbit/s，傳輸距離最長可達1公里。

RPMA

RPMA(Random Phase Multiple Access)自2008年起由Ingenu公司推動，獲得如美國通用電氣(General Electric)等廠商所支持，以美國為中心展開布建，預計2017年完成全美30個城市網路建設。RPMA是目前唯一使用2.4GHz ISM頻段的LPWAN技術，透過增加接收靈敏度等技術，補足高頻在傳輸特性上的弱點。相較於其他LPWAN技術所使用的sub-GHz免執照頻段，依地區、國家頻段範圍略有差異，2.4GHz為全球統一頻段，利於裝置規模製造與服務普及。

授權頻段LPWAN技術－NB-IoT

使用執照頻段的LPWAN技術，以3GPP推動的NB-IoT為代表，是3GPP因應物聯網應用趨勢而發展的技術標準之一。NB-IoT相關研究自2014年9月3GPP成立FS_IoT_LC工作項目後，展開支援超低複雜度與低流量物聯網的蜂巢網路系統研究。

2016年6月公布核心標準規範，目前除RAN及終端測試規範尚未完成外，Release 13的NB-IoT標準已大致底定。NB-IoT以既有的LTE技術標準為基礎，但大幅刪除及簡化相關規範，以滿足頻譜使用效率、低成本等要求，如不支援語音服務、電路回退交換等功能，並導入新的節電機制eDRX，延長裝置閒置時間以達到低功耗要求，且可使用既有行動網路設備，降低在布建上對既有網路的衝擊，達成快速布建與商用之目標，縮短與其他LPWAN技術商用起步時間的落差。

產業應用　兵家必爭

LPWAN由於具有低功耗與長距離的優勢，因此適用於需要廣範圍布建且傳輸資料量小的應用領域，就目前LPWAN業者提供的服務現況而言(圖2)，可歸類為資產追蹤、停車管理、環境監測、智慧讀表系統等四大領域。

資料來源：資策會MIC(1/2017)

圖2 LPWAN服務供應模式

資產追蹤

資產追蹤方面，Sigfox與新創公司Capturs合作推出GPS位置追蹤服務，提供運動愛好者在偏遠地區或長距離的定位資訊，亦展開公益計畫如贊助比利時之南極洲伊莉莎白公主研究站利用搭載GPS與Sigfox技術之裝置即時追蹤人員移動與裝備位置。LoRa在資產追蹤的相關應用，如布魯塞爾機場在飛機貨運車上利用LoRa Sensor，對貨車實施遠距監控與調配運用；在澳洲，衛星業者Immarsat利用GPS及LoRa網路監控牧場中的牛群與水源等。

停車管理

停車管理應用部分，在比利時阿爾斯霍特市政府於停車位上布建LoRa Sensor，駕駛人可透過Smart Parking APP搜尋距離最近的停車場與車位。Vodafone利用800MHz頻段的商用LTE網路，在西班牙馬德里的Vodafone Plaza進行智慧停車應用服務測試，透過停車感測器偵測停車格狀態。華為與中國聯通在上海測試NB-IoT的智慧停車服務，車主可遠端查詢與預訂車位，提高車位利用率。

環境監測

環境監測方面，英國由物聯網新創公司Nwave與英國數位經濟技術與創新中心(Connected Digital Economy Catapult)合作，以Weightless-N技術為基礎在倫敦布建智慧城市網路，提供空氣汙染監測。Ingenu與Libelium、PTC合作利用RPMA網路蒐集城市中空氣品質資訊進行分析。

智慧讀表系統

智慧能源表相關應用，韓國SKT與SK E&S合作在首爾、釜山與光州等三個城市測試運用LoRa網路的瓦斯先進讀表系統，提供自動讀表與偵測瓦斯漏氣等服務。Sigfox與法國電力與天然氣供應商ENGIE子公司ENGIE M2M布建Sigfox Smart Meter於建築物中，協助用戶能源使用管理。Vodafone以及瑞士模組廠商u-blox共同在西班牙蒙卡達完成NB-IoT前標準(Pre-Standard)商用測試，以U-blox模組搭配華為子公司Neul所開發之NB-IoT晶片嵌入智慧水表中，使水表能夠接入行動網路，透過窄頻通訊達成遠端自動抄表作業。

LPWAN商業模式

探討以LPWAN提供物聯網服務的業者其營運模式與收費方式，以Sigfox為例，其目標在於建立一個全球統一的物聯網網路，類似營運商eSIM的概念，基本上用戶可在全球範圍下使用Sigfox服務而不需考量漫遊問題。Ingenu亦與Sigfox採用類似作法，透過專屬授權給不同地區的業者進行布建與經營RPMA網路，如新創公司IoTOz取得澳洲、紐西蘭的網路授權。LoRaWAN目前在各國營運方式大致上分為兩種類型，第一，與當地營運商合作，由LoRa Alliance提供技術與產品認證。第二，由製造商自行架設基地台，提供應用服務。

LPWAN的收費模式可歸納為裝置/服務綁定、服務費與通訊費等三種類型(圖3)。裝置/服務綁定方面，如法國業者Capturs的GPS裝置定價包含硬體設備及Sigfox通訊費用。服務費部分，韓國業者Sparcosa的LoRa追蹤器需要用戶額外添購一個月5美元的服務費用。通訊費方面，如Sigfox提供範圍從1美元/月到1美元/年的資費方案，依照用戶連結的裝置數量進行個案調整。