低成本/低功耗/輕資料負載　Sigfox搶海量物聯網利基應用

物聯網的發展讓低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network, LPWAN)應用需求大增，其中一個明星技術Sigfox認為萬物互連的物聯網應用應僅需要傳送少量的數據，其網路「小型訊息」與「低功耗」的特性，適合應用在無需回傳大訊息量的情境。因此，Sigfox網路適用於資料傳輸量較小、且有耗電考量的情境。在整個物聯網應用的範躊裡面，金字塔的底層才是Sigfox的目標(如圖1)。

Sigfox技術原理

Sigfox將物聯網資料傳輸，以低價格、低消耗功率、簡單的設計達成全球範圍的服務。依據ABI研究，全球的物聯網連線到2023年將超過10億，這也是海量物聯網(Massive IoT)概念的實現。

Sigfox採用Sub-1GHz非授權頻段頻段進行通訊，這種無線電波為運作頻率在1GHz以下的工業、科學和醫療專用頻段。這些頻段大多無需許可證或費用，只需要遵守一定的發射功率(一般小於1W)，並且不要對其它頻段造成干擾即可。雖然Sigfox採用不需額外申請、支付相關費用的非授權頻譜，但是它卻採用蜂巢式(Cellular Style)網路建置的架構，和NB-IoT一樣需要透過廠商架設基地台提供通訊服務，它的特性是低布建成本與較高的訊號接收品質。

超窄頻(Ultra-Narrow Band, UNB)技術

Sigfox的超窄頻技術，採用200kHz(實際使用為192kHz)頻寬來傳遞訊息，每個訊息長度為100Hz，根據不同無線配置區的規範傳送速率分為100bps(RCZ1/RCZ3)與600bps(RCZ2/RCZ4)兩種(圖2)。也因其超窄頻的技術，可以在極低電力消耗下達到大範圍的訊號涵蓋。Sigfox特性就是長距離及低資料量傳輸，非常的符合物聯網的應用需求，且硬體裝置設計上比傳統的行動通訊網路(2G/3G/4G)又更簡單、更省電、更便宜。

此外，Sigfox的超窄頻技術在頻譜上相較於其他通訊技術所占的頻寬明顯小上許多，亦即訊號之間不容易互相碰撞、干擾，且在相同頻寬上能同時傳送的訊息量也較多(圖3)。

隨機存取(Random Access)

Sigfox在確保傳輸有效性的情況下，會在三個不同時間(毫秒)內於不同頻率發送三封訊息到終端設備附近的站台，並依照不同的無線配置區而有不同的資料傳輸率(Data Rate)(RCZ1/3：100bps、RCZ2/4：600bps)(圖4)，以RCZ2/RCZ4為例，從發送訊息到Sigfox雲端(Cloud)需要0.36秒。

多重接收(Cooperative Reception)

而在接收基地站台的部分，Sigfox採用多重傳送接收模式，確保傳出的訊息能夠被周遭三個以上不同的基地站台收到(圖5)，藉由此方式確保裝置所傳送訊息接收的成功率。

小型訊息(Small Messages)

為達到低成本、低耗能的目標，Sigfox設計出了專為物聯網小型訊息應用的通訊協定，此小型訊息可傳載0到12bytes的資料。而12bytes的資料可以包含哪些內容？若以GPS經緯度座標來說只需要6bytes，而溫度以及加速度等資訊也僅需要2bytes，而若應用只需要做on/off的切換的話也只需要1/8bytes，若更簡單的應用如只需要確認設備是否還在運作與否的話也只需要傳回heartbeat資訊且不占用任何資料量(圖6)。

雙向傳送(Bi-directional)

由於Sigfox技術是以物為主的技術，故下行(Downlink)訊息的啟動必須由裝置/感測器觸發，且由裝置傳送後會產生20秒鐘的延遲，而接收端最多會等待25秒以接收相關訊息。

Sigfox網路特性解析　扁平化網路架構

Sigfox扁平化的網路架構是將網路的資本及維運支出極小化的關鍵，降低總營運成本，Sigfox的網路架構於圖7可見，由設備端到基地站、基地站到Sigfox雲端(Cloud)至應用端的IT平台。

其中，設備端可分為上行(Uplink)與下行(Downlink)兩種模式，以設備端作為觸發，提供雙向資料傳輸模式，依歐盟歐洲電信標準協會(ETSI)規範上行傳送單日不可超過140次，單一訊息資料傳輸量最大為12bytes、下行傳送單日不可超過四次，單次資料傳輸量最大為8bytes。而回傳的資料都會透過站台回傳到Sigfox雲端後台(Backend)中儲存。User可再透過Sigfox雲端後台設定將資料傳回至應用平台進一步作為開發應用。

從傳輸層面，設備端到站台會透過一組經由Sigfox認證過的Private Key進行傳輸，而從站台到Sigfox雲端方面則會透過VPN連線。最後，Sigfox雲端到外部的應用平台則是透過HTTPS的通訊協定，以確保資料傳送的安全性。

從網路架構圖可知，Sigfox所提供的服務並非僅有網路連線，客戶可以直接連結雲端服務，Sigfox的雲端系統整合服務，能夠降低使用者開發程式、存取資料的複雜度，使用者只需在電腦上利用Sigfox雲端服務平台，就能連線至物聯網裝置。這麼一來，企業便無須擔心網路與資料儲存空間等基礎設施的建構，可以更專注於IoT服務的開發。

輕量化通訊協定

Sigfox與一般通訊規範的不同在於其為物聯網裝置最佳化而設計的通訊協定，由於一般通訊協定是為了傳輸大量資料而設計，在傳輸過程中需要較多協定附加資料(Header)，因此協定中的附加資料會較大，這種情況對於物聯網裝置來說相當吃虧，由於每次只傳輸資料的資料量都很小，如果無法縮小協定附加資料的容量，就代表通訊流量中有很大比例浪費在傳送協定的附加資料，而非真正的用戶資料。

Sigfox通訊協定傳送較少的協定附加資料，能省下更多流量。由於Sigfox的小型訊息(Small Message)特性，使得終端設備得以消耗較低的電能即可傳送訊息，因此終端設備的電池使用壽命亦能得到延長進而達到省電的目標(圖8)。

無線配置區(Radio Configuration Zone, RCZ)

Sigfox目前在全球共劃分為四個無線配置區(Radio Zone)，其中台灣所屬的無線配置區為RCZ4，不同無線配置區域之頻率也不相同，如下所示：

RCZ1：歐洲、中東(阿曼、伊朗)與南非、突尼西亞、阿拉伯聯合大公國。

RCZ2：美洲(美國、墨西哥、巴西)。

RCZ3：日本。

RCZ4：紐西蘭、澳洲、新加坡、台灣、香港、哥倫比亞、阿根廷、哥斯大黎加、泰國、馬來西亞、厄瓜多爾、巴拿馬、薩爾瓦多等地。

Sigfox應用

Sigfox技術應用的四大特性就是：低功耗的連線裝置、全球的聯網服務、簡易的使用模式及低總運營成本。

由於Sigfox的小型訊息特性，使得終端設備得以消耗較低的電能即可傳送訊息，因此終端設備的電池使用壽命亦能得到延長進而達到省電用途，以Sigfox自行推出的多合一裝置Sensit為例，集合了六種感測器(溫度、濕度、亮度、加速度計、磁力儀、磁簧開關)與一個智慧按鈕，其使用期限可高達一年。

Sigfox也分別在西班牙與美國等多個不同場域部署了智慧停車解決方案，而由在台灣的實測也發現Sigfox的停車感測器電池壽命遠比其他通訊技術來得久。

此外，藉由全球物聯網通訊服務的特性，終端設備只要綁定一個服務合約即可在涵蓋Sigfox物聯網網路的國家中可使用，無須支付漫遊費用，而現行Sigfox物聯網網路已經部署在全球46個國家。其中較著名的應用有2018年4月發表的Louis Vuitton Echo以及米其林(Michelin)的跨洲際海運貨物的流量追蹤解決方案。

Louis Vuitton Echo的大小約為110×15×20mm，當你把它放在箱內專屬的綁帶下面後，裝置本身不占據太多的空間。而在續航力方面，每次充電只要一小時，便可維持六個月的使用時間。做為LV Horizon旅行箱的配件，Echo能藉由內建的光線感應器，在箱內偵測行李是否被人打開。除此之外它還支援Sigfox的Monarch行動定位服務(Echo有三年的免費使用期)，讓用戶可以在全球各主要機場透過LV Pass軟體快速了解自己行李的狀態。

Monarch行動定位服務於2017年9月在世界物聯網博覽會上亮相，是Sigfox推出的一項全新服務，通過自動識別和對應當地射頻標準，使追蹤設備能夠在世界各地無縫運行。全球電信營運標準依照地理區域劃分為三區，Monarch的使用將突破限制，為物流和供應鏈、消費市場以及航運、飛機和鐵路產業的自動化維護開啟了新興的應用模式。資產追蹤(物流產業)是巨量物聯網中最重要的垂直產業，然而Monarch的誕生代表著重大的突破。在未來幾年數百萬的商機中，這個項目代表第一個實際商轉的重要里程碑。Sigfox的價值定位是目前唯一讓這樣的商業模式可行的技術：全球同一網路、低成本、低耗能又簡單使用的結合。

而米其林藉由Sigfox France和Argon Consulting所共同開發的物聯網的解決方案，也是運用Sigfox技術來追蹤跨洲際海運貨物的流量，另外，Sigfox使用的頻段無需許可證或授權等費用，因此在終端設備的製造上也無需額外支付任何權利金，可大幅降低終端設備的製造成本，而這些終端設備的Sigfox物聯網連線費用也相對低廉，可讓萬物聯網的目標加速達成。

(本文作者為優納比UnaBiz技術總監)