LPWAN陣營爭相圈地　NB-IoT/LoRa/Sigfox大亂鬥

低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network, LPWAN)2017下半年將陸續投入商轉，NB-IoT、LoRa、Sigfox三大陣營脫離試運行的實驗網階段。NB-IoT經過R13與R14版本的強化，技術架構逐漸完善；LoRa聯盟會員已經突破500大關，周邊商品陸續問世；Sigfox全球網路覆蓋達32個國家，預計2018年將完成60個國家的網路布建。另外各陣營近期密集宣稱開台、核照，相關服務在2018年都將上路，市場好不熱鬧。 

NB-IoT各大電信營運商陸續宣布開台，並投入公共事業、共享經濟、智慧城市等相關服務；LoRa在智慧讀表、智慧農業、工業物聯網具備優勢；Sigfox領先取得國內二類電信執照，並於跨國大範圍的智慧讀表、智慧監測等應用持續發展。本次邀請現今主要LPWAN技術陣營的廠商現身說法，剖析各技術內涵與開發要點，並勾勒產業應用前景。 

圖1 資策會MIC產業分析師曾巧靈說，未來兩年LPWAN晶片預計將朝向多頻多模的方向發展，提供跨網跨域之服務基礎。

LPWAN商用摩拳擦掌 

物聯網由The Next Big Things口號發展至今，IoT架構中的各項元素陸續發展到位，低功耗廣域網路由於具備低功耗(Low Power)、低複雜度(Low Complexity)、低成本(Low Cost)、長距離(Long Distance)、大量連結(Large Number of Connections)特性，而且技術難度不高，從早期的M2M發展起，近期已屆商用階段，較受市場注目的技術包括：eMTC、NB-IoT、Sigfox、LoRaWAN、HaLow、Weightless等。 

上述LPWAN從使用頻段來觀察，分成授權頻段(Licensed Band)與非授權頻段(Unlicensed Band)，資策會MIC產業分析師曾巧靈(圖1)說，授權頻段以3GPP電信網路相關的物聯網標準為主，包括GSM-IoT、LTE-M與NB-IoT等。非授權頻段則以LoRaWAN與Sigfox，這兩個源起自法國，運作於1GHz以下的技術發展最為迅速。 

LPWAN的發展目前還屬戰國時代，因此不僅技術紛雜，使用的頻段也是，不利於部分應用與市場的推動，曾巧靈指出，未來兩年LPWAN晶片預計將朝向多頻多模的方向發展，Qualcomm與華為協助韓國電信營運商開發同時支援1.8GHz與800MHz的雙頻NB-IoT晶片；摩拜單車、Qualcomm及中國移動研究院2017年5月使用高通MDM9206晶片，進行支援LTE-M、NB-IoT與E-GPRS的多模測試。對營運商而言，多模多頻解決方案可以提供跨網跨域之服務基礎，擴大其服務類型與範圍。 

圖2 LPWAN三大陣營積極拓展產業鏈

資料來源：各公司，MIC整理(9/2017)

現階段，包括3GPP LPWAN與LoRa、Sigfox三大陣營，都持續強化自身產業鏈(圖2)在晶片、模組、閘道器(Gateway)/基地台(Base Station)、營運商等不同層面的產業實力，整體而言各有優劣勢，較特別的是有越來越多廠商多方押寶，不只投入一項技術。曾巧靈強調，未來搶占有潛力的應用市場與發展為消費者接受的商業模式，可能會是脫穎而出的關鍵之一。 

圖3 資策會智慧所蔡宜學博士說明，2018年Release 15的NB-IoT版本，預計會有更多細節的技術改善。

NB-IoT持續改善技術缺陷

3GPP發展物聯網應用其實早在2008年Release 8版本中的LTE Cat-1，就有MTC(Machine Type Communication)的應用設計，資策會智慧所蔡宜學博士(圖3)說明，其後幾年針對MTC應用的技術內容持續簡化以提升連結數、傳輸距離、降低功耗、傳輸速率，發展出LTE Cat-0與Cat-M1等，一直到Release 13版本正式發表Cat-NB1也就是NB-IoT。 

Release 13版本的NB-IoT僅具最基本的技術內涵，許多應用需要的特殊功能都還付之闕如，在Release 14版本強化了定位(Positioning)功能，蔡宜學提到，NB-IoT的定位是以OTDOA利用基地台的三角定位，實際的運作是以Idle Mode進行量測定位訊號，因為進行量測的同時，無法監控NPDCCH，進而影響傳收資料。NB-IoT延長量測時間以增加量測精準度，因此相對的必須延長LPP反應時間(Response Time)。 

圖4 遠傳電信物聯網應用發展部協理張連成表示，未來物聯網服務價值鏈的營收分配高達73%將由服務與應用產生。

到了2018年Release 15的NB-IoT版本，預計會有更多細節的技術改善，蔡宜學解釋，這個版本的技術演進主要分成三個部分，一是針對功耗、量測與支援小型基地台的架構，同時首次加入支援低延遲(Low Latency)達10ms。第二部分就是支援分時多工系統(Time-division Duplex, TDD)，並增加更多頻段的支援。第三部分就是與服務品質有關的QoS、存取限制(Access Barring)、終端回饋(UE Feedback)等。 

NB-IoT強調服務品質優勢 

物聯網在近年之所以會受到產業高度關注的主要原因之一，就在於物聯網裝置的數量規模從幾十億到幾百億，而支撐這個連結依靠的可能就是LPWAN技術，其中扮演服務提供者的電信商角色非常關鍵，遠傳電信物聯網應用發展部協理張連成(圖4)表示，NB-IoT與eMTC同為3GPP的物聯網技術，但在許多技術指標上還是有其區隔(圖5)，NB-IoT在成本、覆蓋、功耗、連接數等指標持續強化；而eMTC則考慮與LTE相容，在延遲、語音、移動性等功能更勝一籌。 

圖5 NB-IoT與eMTC關鍵技術指標比較

資料來源：遠傳電信整理

未來物聯網服務價值鏈的營收分配，跟傳統電信服務不同，張連成認為，高達73%將由服務與應用產生，因此未來電信業者必須調整角色，整合更多合作夥伴，各種形式的異業結盟或產業垂直整合將更為常見，對於物聯網市場提出新的收費模式(New Price Model)，並發展新的產品設計(New Product Design)。 

事實上，遠傳積極布局物聯網，與中華電信都已經申請到第一批300萬門物聯網專用門號，提供商業服務箭在弦上，張連成分析，物聯網應用類型有四類，自動上報/異常上報，應用如煙霧檢測、智慧儀表失效通知、闖入通知；自動上報/周期上報，應用如智慧三表、智慧農業監測、智慧環境監測；網路命令，應用如開關、觸發設備上報數據、請求讀表數據；軟體升級/重配置模型，應用如軟體補強升級OTA軟體更新。 

圖6 u-blox商業開發經理廖容嫺認為，智慧讀表應該是第一個發展的應用，再來是智慧城市等政府專案需求。

NB-IoT晶片強調整合與可靠度 

電信商扮演提供NB-IoT服務最關鍵角色，晶片/模組廠就是此一應用推動的引擎，u-blox多年前就看好此一市場潛力並積極投入，2015年與華為/neul及Vodafone合作，展示全球第一個NB-IoT水表解決方案。在各式應用當中，u-blox商業開發經理廖容嫺(圖6)認為，智慧讀表應該是第一個發展的應用，再來是智慧城市如智慧路燈、停車抄表、廢棄物管理等，共通性是政府專案需求。 

廖容嫺進一步說明，第二個階段才會發展消費市場應用，如智慧家庭/建築，包括警報系統、用電管理等；個人需求，如老人/動物追蹤；最後一部分是智慧農業/環境監控如國土、噪音、雨量、污染等的監控。NB-IoT有電信商的支持與服務品質的保證，國外媒體也大膽預測2022年，NB-IoT將瓜分90%的LPWAN市場營收。 

隨著支援Release 13版本的NB-IoT晶片陸續發表，2017下半年~2018上半年，包括亞太、歐洲、美洲許多電信營運商都陸續宣布NB-IoT開台訊息，德國電信(Deutsche Telecom)更於2017年6月率先宣布，全球第一個NB-IoT服務智慧停車正式上路。其中NB-IoT模組價格能否快速降價，也是市場能不能普及的關鍵要素之一，一般而言終端用模組要降至5美元以下，中國的供應商更喊出1美元以下的激進目標。 

圖7 正文科技綠色物聯網事業部行銷經理張興皇說明，LoRa因應不同應用情境需求，設計了三種傳輸模式。

LoRa獲業界廣泛支持 

LoRaWAN是Long Range WAN也就是長距離廣域網路的意思，其在市區傳輸距離約2~5公里，在遮蔽物較少的郊區則為15公里。LoRa聯盟目前會員數已經超過500家，是近年成長最為迅速的產業團體。正文科技綠色物聯網事業部行銷經理張興皇(圖7)說明，LoRa傳輸模式稱為擴散因子(Spreading Factor)，採用SF7模式時，傳輸速率為5468bit/s，傳輸距離約2公里，可應用在需求較大資料量的應用，SF8模式傳輸速率3125bit/s，傳輸距離4公里，一直到SF12模式，是傳輸速率最小但距離最長的模式。 

LoRa資料傳輸時透過兩層加密技術包括Network Session Key與Application Session Key，一為傳輸加密，一為資料加密，是一種很安全的無線技術。張興皇解釋，LoRa因應不同應用情境需求，設計了三種傳輸模式，Class-A設計給搭載電池的裝置，以最省電的方式運作，資料傳送後馬上進入待機/休眠狀態，延長電池續航力。 

Class-B則是可應用在電池供電與電源線供電裝置，該模式傳送資料後不會馬上休眠，是Class-A加上額外的接收視窗。Class-C則建議為電源線供電裝置應用，採用連續聽模式，是三個模式最耗電的一種，但服務品質也最好，終端裝置可以隨時收訊。 

LoRa強調開放生態系

LoRaWAN網路架構是由應用伺服器(Application Server)、網路伺服器(Network Server)、閘道器(Gateway)與終端節點(End Node)組成。如果是建置私有網路則不需應用伺服器與網路伺服器，架構更加簡單。LoRa在應用上非常適合不用常時連網，只要定期收到特定資訊，如空氣品質、電表、水表等。 

圖8 群登科技產品應用處長邱文正說，LoRaWAN的網路架構是由應用伺服器、網路伺服器、閘道器與終端節點組成。

LoRa採用1GHz以下ISM的免授權頻段，依照地區國家的規畫也有不同的頻段，群登科技產品應用處長邱文正(圖8)說，像台灣NCC是開放920~925MHz給物聯網使用，每個頻道125kHz，共可切分16個頻道，其他歐洲433/868MHz、美國915MHz、大陸779~787MHz等等，最大的缺點是容易受到干擾，像是台灣eTag就在920~925MHz，另外還有手機網路，因為功率較大，也容易出現俗稱蓋台的干擾。 

Sigfox發展全球一大網 

物聯網的話題已經炒作好幾年，但是大量連結物聯網發展的關鍵因素包括節能、低價、簡單與無所不在的網路環境，這也是LPWAN會迅速受到產業矚目的原因，現有我們熟悉的網路技術如4G LTE、Wi-Fi、藍牙都無法同時擁有以上四個要素，三大LPWAN則是盡力強化自身在這四個要素上的競爭力，比如提供更遠的傳輸距離、更低價的晶片模組、更無所不在的網路環境。 

圖9 UnaBiz生態圈總監鄒宏平指出，Sigfox利用超窄頻傳輸技術，因此具備最大的平均傳輸距離與穿牆能力。

Sigfox的最大特色是想在全球建立一個共同的物聯網網路，再透過各地類似特許的網路營運商提供服務，Sigfox在台灣的網路營運商UnaBiz生態圈總監鄒宏平(圖9)指出，Sigfox利用超窄頻傳輸技術，相較NB-IoT與LoRa傳輸速率最低(每次約12bytes)，也因此具備最大的平均傳輸距離與穿牆能力。同時Sigfox無須配對即可進行連線，可在全球運作。 

由於網路架構的一致性，全球Sigfox網路都是由Sigfox建置所以不會有相容性的問題，全球數據資料也在同一個雲端資料庫，存取與利用有其一致性。Sigfox與LoRa一樣採用非授權的ISM頻段，所以網路成本較低，鄒宏平強調，在台灣每個裝置的服務費最低每年新台幣22元，最高也不會超過每年12美元，而且Sigfox網路沒有國際漫遊的問題，不會因為服務區域不同就有不同的費率或重複收費。 

Sigfox充分發揮超窄頻特性 

Sigfox全球同一網路的特性，適合跨國性的應用，如個人行李箱、貨物追蹤等，目前Sigfox使用頻段全球大致分成四區，相較NB-IoT與LoRa使用頻段紛雜，Sigfox網路架構最為單純，預計今年就會有整合四區頻段的多頻模組問世。傳輸距離部分，一般市區約5公里，郊區可達20~30公里。 

圖10 雲創通訊新技術開發處長 李俊頤說明，Sigfox全球同一網路的特性，特別適合跨國性的應用服務。

Sigfox的超窄頻(Ultra Narrow Band, UNB)訊號頻寬小於1kHz，雲創通訊新技術開發處長李俊頤(圖10)說明，優勢是鏈路預算(Link Budget)達157dB，不考慮空氣、水分、建築物阻擋等，訊號直線傳輸距離高達2,100公里；另外，支援大量終端節點連結，抗干擾能力佳，而且可以直接連線，終端節點架構簡單，Sigfox收(聽)訊息能力佳，傳輸訊息能力則相對較差。 

同樣，Sigfox的UNB技術缺點就是傳輸速率較低、傳輸每位元耗費能源較高，原因是其超窄頻，所以傳送封包的時間就較長，而且基地台的設計較為複雜。應用類型上，狀態報告(Status Reporting)、裝置識別(Device Identification)、事件檢測(Event Detector)、感測器分散配置(Sensor at Scattered Location)的工作需求都是Sigfox可以發揮功能的應用類型。