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授权/非授权技术各擅专场  LPWAN群雄比拼物联网

字号+ 作者:廖专崇 来源:2cm 2017-10-08 10:55

低功耗广域网市场热度渐升,包括用户许可证频段的NB-IoT,以及采用非授权频段的LoRa、Sigfox、Weightless、HaLow、RPMA等技术皆积极展开布局,各技术阵营也都希望早日商业化运作,以便在此一新兴市场取得先机

 

文.廖专崇

 
低功耗广域网(LPWAN)市场热度渐升,包括用户许可证频段的NB-IoT,以及采用非授权频段的LoRa、Sigfox、Weightless、HaLow、RPMA等技术皆积极展开布局,各技术阵营也都希望早日商业化运作,以便在此一新兴市场取得先机。
 
低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN)具有低功耗、低成本、长距离、多节点等特性(图1),近来随着物联网及机器对机器(M2M)应用发展日益火热而快速成为市场关注焦点。现阶段,包括用户许可证频段的NB-IoT(Narrow Band-IoT),以及采用非授权频段的LoRa、Sigfox、Weightless、HaLow、RPMA(Random Phase Multiple Access)等技术皆积极展开布局,也都不约而同投入搭建实验网并推动商业应用,期抢得业界主流标准的地位。

 

图1 低功耗广域网定义与特性
 
尤其由3GPP主导的NB-IoT大动作提前完成标准制定工作,2017年R14版本的规格将进一步订定更细部的规范。显而易见,LPWAN已经进入插旗抢市的阶段,每个技术都希望迅速建立完整的产业链与商业模式,但不管是授权/非授权频段技术,现阶段都有各自的发展问题,各技术阵营也都希望可以尽力排除以便早日商业化运作,以便在此一新兴市场取得先机。
 
授权/非授权频段互相角力
 
物联网简单定义为没有插头或仅靠电池供电的装置,以搜集与传输各种数据,并接受来自服务器的指令,让物体实作互联互通,所以电池供电的时间成为物联网装置的运作关键。LPWAN低功耗长距离的连网方式与物联网的需求不谋而合。物联网谈论多年,直到最近市场需求与相关应用都更为具体,导致市场热度快速提升,从技术分类的角度上来看,MIC产业分析师曾巧灵(图2)指出,使用非授权频段的LPWAN技术,包括Sigfox、LoRa、Weightless、HaLow、RPMA等,由于使用公开非授权频段,因此进入门坎低、搭建简单、商业化进程较快,不过需要搭建新的网络,而且非授权频段各种应用繁多,频段拥挤容易产生干扰,也会导致电池寿命降低。

 
 
图2 MIC产业分析师曾巧灵指出,Sigfox与LoRa目前进展稍微领先,而NB-IoT标准有其优势但预计要2018年才会商业化。
 
至于用户许可证频段的技术则以3GPP主导的NB-IoT为主,因为频段使用需要授权,所以不会有非授权技术的干扰问题,且可利用现有的3G/4G基地台基础建设,不用搭建新网络,但标准制定过程相对严谨且繁复,需要耗费更多时间,2016年才在R13发布第一版标准内容,又即将于2017年的R14版本推出补充与增补的内容。综合来看授权与非授权LPWAN阵营的优劣势几乎互补,未来几年的推动进展,将更为重要。 以个别技术来看,曾巧灵说明,Sigfox网络已覆盖三大洲、24个国家,如荷兰、西班牙、法国、俄罗斯、英国、美国的许多城市,预计于2018年拓展至60个国家和地区,目前已有700万个对象连接,截至2015年超过50%物联网连结来自Sigfox。该技术的产业链中,Sigfox不仅扮演规格制定者,也是网络服务供货商,同时提供软件及云端服务平台(Sigfox Cloud)。另外,2015年由IBM、思科(Cisco)、微芯(Microchip)、Laird与Semtech等厂商发起的LoRa,获得多个信息大厂支持,2016年有17个国家宣搭建网计划,超过120个城市已有运行网络,也受到多个电信营运商支持。
 
而采用2.4GHz频段的RPMA,以美国为主要据点,技术由芯片商Ingenu主导,2016年底在30个主要都会区提供服务。2016年3月,Ingenu与25个国家和地区包括澳洲、中国、纽西兰、印度尼西亚、台湾地区、南非、泰国与阿拉伯联合大公国等签定授权协议。由IEEE主导的802.11ah标准,则早于2010年就开始发展,Draft 9.0版本于2016年9月完成,同年12月完成标准委员会核定程序,预计2018年可以商业化,命名为HaLow,传输距离达1公里,传输速率150kbit/s∼347Mbit/s。
 
另外,还有由ARM与Neul共同推动的Weightless标准,2015年组成SIG推动,目前已有三个国家地区搭建,连网节点数目为100万个,通讯距离依不同版本为2或5公里,速率为100 kbit/s或30∼100kbit/s。综合来看,Sigfox与LoRa目前进展稍微领先,而NB-IoT虽然标准与支持有其优势,但预计要2018年才会商业化。
 
NB-IoT标准制订快马加鞭
 
最受各界瞩目的NB-IoT,主导的3GPP早在2010年就注意到物联网的发展,并于R10就提出MTC(Machine-type Communication)规范,历经R11版本的改善,2015年3月的R12版本正式推出LTE Cat.0标准,上下行传输峰值1Mbit/s、带宽20MHz。并导入省电模式(Power Saving Mode, PSM),往更低功耗与低传输速率的物联网需求靠拢,以提升电池续航力,不过20MHz的带宽还是太大,成本也太高,未能引起产业注意。
 
到了2016年3月的R13版本,3GPP透过复杂度简化技术降低MTC终端装置成本,发表了LTE Cat. M标准,传输速率同样维持1Mbit/s,带宽缩小至1.4MHz,强调终端节点的电池寿命可长达10年。MIC智通所前瞻移动通讯系统中心主任陈仕易(图3)说,2016年6月3GPP赶忙又宣布传输速率100kbit/s,带宽需求仅200kHz的NB-IoT。对于提供服务的电信商来说,可以透过Standalone(另开专用新频段)、Guard Band(原先3/4G主频的保护频段)、In Band(使用原LTE之中的频段)等三种方式规划各自的NB-IoT频谱。
 
 
图3 MIC智通所前瞻移动通讯系统中心主任陈仕易说,2016年3GPP发布速率100kbit/s,带宽仅200kHz的NB-IoT。
 
此外,NB-IoT有以下几个设计目标,陈仕易说明,包括支持庞大的低效能装置,每个cell至少支持5万个device,并达成10年的电池寿命目标,延伸传输距离,也降低技术的复杂性,允许较大的传输延迟,进一步降低成本,3GPP宣称比eMTC更低。总之,为在降低数据传输率、缩减带宽、支持移动性的情况下最佳的IoT通讯协议。
 
2017年3GPP预计发表R14版本内容,针对NB-IoT的部分,陈仕易进一步解释,将定义定位方法(Positioning Method)、群播服务(Multicast Service)、移动性与服务连续性(Mobility and Service Continuity)、非标定的PBR增强(Non-Anchor PRB Enhancement)、新的功率消耗模式(New Power Class),更加完善标准的技术内涵。
 
LoRa产业链发展健康
 
受到最多信息厂商支持的LoRa,在2012年组成LoRa联盟,包括IBM与思科(Cisco)两大厂与电信公司都押宝,发展至今已经有400多个会员厂商,独家芯片解决方案供货商Semtech产品应用工程师林忠杰(图4)表示,LoRa在许多物联网应用需求的特性上表现杰出。传输距离至少15公里,仅需要很简单的基础建设所以搭建简单,传输信息时的耗电量约10mA,休眠时耗电量小于200nA。另外,采用非授权频段、低基础建设与终端成本,整体成本相对也低。


 
 
图4 Semtech产品应用工程师林忠杰表示,LoRa的产业链与其他LPWAN技术相较完整许多,是发展的优势。
 

相较于其他的LPWAN技术,LoRa在产业链(图5)的发展可说是其一大优势,林忠杰指出,终端节点/设备方面有正文、鸿海、Microchip、研华等厂商,在基地台与网关部分有正文、鸿海、Cisco等厂商投入,网络服务器等局端设备目前有IBM、正文、Actility、Stream等厂商,而在应用发展平台部分有IBM、Senet与ARM的mbed平台可以支持。比如在智能建筑、智慧城市、智能制造、智能运输、智能农业等应用都非常适合采用LoRa做为其物联网解决方案。
 
 
图5 LoRa产业链概况
 
Weightless期待后发先至
 
2015年才起步的Weightless标准,网络搭建的步伐不像LoRa或Sigfox那样迅速,产业链样貌也还不够具体,优必阔科技(ubiik)研发副总经理傅倬(图6)认为,Weightless频谱利用效率很高,在相同条件下与LoRa、Sigfox相较,网络讯号覆盖LoRa最好,但在支持节点数量与频谱效率部分,Weightless则较LoRa、Sigfox表现更好。
 

图6 优必阔科技研发副总经理傅倬认为,Weightless支持多项先进网络功能,可以提供接近NB-IoT的网络服务质量。
 
与其他LPWAN技术相同,Weightless也强调长距离、省电、支持多节点链接、网络传输安全、弹性架构与开放性标准等。傅倬进一步说明,目前Weightless SIG中,主要的会员包括ARM、Accenture、Sony等,该技术架构中,支持多项先进网络功能,包括:对称式的上传/下载(Symmetric DL/UL)、群播/广播(Multicast/Broadcast)、讯息确认(Message Ack)、电池运作(Battery Operation)、电源控制(Power Control)、定位服务(Location Service)、换手支持(Handover Support)、韧体升级(Firmware Upgrade)等,其他技术并不完整支持的功能,可以提供接近NB-IoT的网络服务质量。
 
HaLow延续WiFi荣光
 
2016年1月正名为HaLow的IEEE 802.11ah技术,植基于现在大家熟悉的WiFi技术,采用非授权的900MHz频段,并降低功耗、延伸传输距离,也希望在物联网的市场占有一席之地。PC-Semi(Palma Ceia SemiDesign)亚洲业务发展总经理易思齐(图7)解释,802.11ah技术与高带宽的802.11ac技术相较,讯息信道带宽从20∼160MHz缩减为1∼16MHz,载波间距(Subcarrier Spacing)从312.5KHz缩小到31.25KHz,天线从8×8MIMO减为4×4MIMO,传输速率从6.5∼6933.3Mbit/s降为0.15∼347Mbit/s,同时联机人数也由2,007提升至8,000人以上。
 

图7 PC-Semi亚洲业务发展总经理易思齐解释,HaLow是现在一般人熟悉的WiFi延伸,网络搭建几乎没有门坎。
 
另外,在传输距离部分,原则上为1公里,透过Multi-hop Relays技术可以延伸到数公里,HaLow定义在“LPLAN”的应用,与其他强调距离更远的LPWAN应用互补。易思齐强调,HaLow是现在一般人熟悉的WiFi延伸,网络搭建几乎没有门坎,对于一般消费者或智慧家庭中的应用,可以无痛衔接。未来几年IEEE还计划发展更大传输距离的IEEE802.11af方案,采用54∼790MHz频段。
 
HaLow的应用领域包括智能家居、智能工厂、感测网络的数据搜集、户外的监控等,也可以视为WiFi讯号延伸的解决方案,易思齐进一步说明,WiFi已经是一般消费大众接受的无线技术,HaLow可视为新版本并提供新功能,相信也会拥有高接受度。该技术2016年正式推出,预计2017年芯片解决方案可以问世,目标价格5美元以下,2018年进入市场提供商业化服务,未来可以做为NB-IoT的中继解决方案,形成更完整的智慧城市物联网网络架构。
 
Sigfox商业模式自成一格
 
已经投入物联网应用且近期因为扩展迅速,也相当受到瞩目的Sigfox,成立于2009年,与其他LPWAN技术相较,最特别之处在于营运模式,该公司定位为全球的物联网营运商,自行搭建网络并营运,再向终端使用者收取服务费。Sigfox在台湾地区的营运商UnaBiz业务发展协理何承翰(图8)表示,Sigfox已经在26个国家搭建网络,每个国家一个Operator,网络覆盖面积达150万平方公里,网络覆盖人口达3亿人,已经有900万个联网装置运作中,预计2018年网络搭建将延伸到60个国家和地区。台湾从2016年12月启动网络搭建,先由六都开始,目标2018年第二季完成95%人口覆盖率。
 

图8 UnaBiz业务发展协理何承翰说明,Sigfox已经在26个国家搭建网络,网络覆盖面积达150万平方公里,覆盖人口达3亿人。
 
在技术与传送讯息机制上,何承翰指出,Sigfox的双向网络基于超窄频带(Ultra Narrow Band, UNB)无线通信技术,这项技术是以极低功耗和频谱效率提供可扩展及高容量网络。每天每个装置最多可以传送最140个讯息,每个讯息酬载(Payload)最大12bytes,速度100bit/s。装置(TX)跟基地台(RX)之间不需要任何沟通,只要在正确频率发射讯号(使用SigFox Radio Protocol),基地台会自行听取讯息,译码后将讯息丢到后台存放,每个讯息会同时发送三次,在有效的传送距离内建议能建置二∼三个热点,所以热点之间没有沟通机制而造成讯息漏失的状况也不常见。
 
Sigfox目前在欧洲发展最为顺利,台湾算是该技术在亚洲较早布局的地区之一,并不是看中台湾的市场潜力,而是该技术未来几年需要积极建构产业链,台湾地区完整的科技产业有助于Sigfox迅速充实产业链。由于Sigfox的业务模式与其他技术相较最为独特,但对于吸引厂商加入产业链也较没吸引力,所以何承翰强调,Sigfox产业链是最为开放、可受信赖的,希望厂商与该公司一起努力壮大生态圈(Ecosystem)。











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