授權(quán)/非授權(quán)技術(shù)各有所長(zhǎng) LPWAN搶灘物聯(lián)網(wǎng)
2017-10-09 10:20:21 來(lái)源：物聯(lián)之家網(wǎng) 熱度:
低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)市場(chǎng)熱度漸升，包括用戶許可證頻段的NB-IoT，以及采用非授權(quán)頻段的LoRa、Sigfox、Weightless、HaLow、RPMA等技術(shù)皆積極展開布局，各技術(shù)陣營(yíng)也都希望早日商業(yè)化運(yùn)作，以便在此一新興市場(chǎng)取得先機(jī)。
低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network, LPWAN)具有低功耗、低成本、長(zhǎng)距離、多節(jié)點(diǎn)等特性(圖1)，近來(lái)隨著物聯(lián)網(wǎng)及機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)應(yīng)用發(fā)展日益火熱而快速成為市場(chǎng)關(guān)注焦點(diǎn)。現(xiàn)階段，包括用戶許可證頻段的NB-IoT(Narrow Band-IoT)，以及采用非授權(quán)頻段的LoRa、Sigfox、Weightless、HaLow、RPMA(Random Phase Multiple Access)等技術(shù)皆積極展開布局，也都不約而同投入搭建實(shí)驗(yàn)網(wǎng)并推動(dòng)商業(yè)應(yīng)用，期搶得業(yè)界主流標(biāo)準(zhǔn)的地位。
圖1 低功耗廣域網(wǎng)定義與特性
尤其由3GPP主導(dǎo)的NB-IoT大動(dòng)作提前完成標(biāo)準(zhǔn)制定工作，2017年R14版本的規(guī)格將進(jìn)一步訂定更細(xì)部的規(guī)范。顯而易見，LPWAN已經(jīng)進(jìn)入插旗搶市的階段，每個(gè)技術(shù)都希望迅速建立完整的產(chǎn)業(yè)鏈與商業(yè)模式，但不管是授權(quán)/非授權(quán)頻段技術(shù)，現(xiàn)階段都有各自的發(fā)展問(wèn)題，各技術(shù)陣營(yíng)也都希望可以盡力排除以便早日商業(yè)化運(yùn)作，以便在此一新興市場(chǎng)取得先機(jī)。
授權(quán)/非授權(quán)頻段互相角力
物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)單定義為沒有插頭或僅靠電池供電的裝置，以搜集與傳輸各種數(shù)據(jù)，并接受來(lái)自服務(wù)器的指令，讓物體實(shí)作互聯(lián)互通，所以電池供電的時(shí)間成為物聯(lián)網(wǎng)裝置的運(yùn)作關(guān)鍵。LPWAN低功耗長(zhǎng)距離的連網(wǎng)方式與物聯(lián)網(wǎng)的需求不謀而合。物聯(lián)網(wǎng)談?wù)摱嗄辏钡阶罱袌?chǎng)需求與相關(guān)應(yīng)用都更為具體，導(dǎo)致市場(chǎng)熱度快速提升，從技術(shù)分類的角度上來(lái)看，MIC產(chǎn)業(yè)分析師曾巧靈(圖2)指出，使用非授權(quán)頻段的LPWAN技術(shù)，包括Sigfox、LoRa、Weightless、HaLow、RPMA等，由于使用公開非授權(quán)頻段，因此進(jìn)入門坎低、搭建簡(jiǎn)單、商業(yè)化進(jìn)程較快，不過(guò)需要搭建新的網(wǎng)絡(luò)，而且非授權(quán)頻段各種應(yīng)用繁多，頻段擁擠容易產(chǎn)生干擾，也會(huì)導(dǎo)致電池壽命降低。
▲圖2 MIC產(chǎn)業(yè)分析師曾巧靈指出，Sigfox與LoRa目前進(jìn)展稍微領(lǐng)先，而NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)有其優(yōu)勢(shì)但預(yù)計(jì)要2018年才會(huì)商業(yè)化。
至于用戶許可證頻段的技術(shù)則以3GPP主導(dǎo)的NB-IoT為主，因?yàn)轭l段使用需要授權(quán)，所以不會(huì)有非授權(quán)技術(shù)的干擾問(wèn)題，且可利用現(xiàn)有的3G/4G基地臺(tái)基礎(chǔ)建設(shè)，不用搭建新網(wǎng)絡(luò)，但標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程相對(duì)嚴(yán)謹(jǐn)且繁復(fù)，需要耗費(fèi)更多時(shí)間，2016年才在R13發(fā)布第一版標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，又即將于2017年的R14版本推出補(bǔ)充與增補(bǔ)的內(nèi)容。綜合來(lái)看授權(quán)與非授權(quán)LPWAN陣營(yíng)的優(yōu)劣勢(shì)幾乎互補(bǔ)，未來(lái)幾年的推動(dòng)進(jìn)展，將更為重要。 以個(gè)別技術(shù)來(lái)看，曾巧靈說(shuō)明，Sigfox網(wǎng)絡(luò)已覆蓋三大洲、24個(gè)國(guó)家，如荷蘭、西班牙、法國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、美國(guó)的許多城市，預(yù)計(jì)于2018年拓展至60個(gè)國(guó)家和地區(qū)，目前已有700萬(wàn)個(gè)對(duì)象連接，截至2015年超過(guò)50%物聯(lián)網(wǎng)連結(jié)來(lái)自Sigfox。該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈中，Sigfox不僅扮演規(guī)格制定者，也是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供貨商，同時(shí)提供軟件及云端服務(wù)平臺(tái)(Sigfox Cloud)。另外，2015年由IBM、思科(Cisco)、微芯(Microchip)、Laird與Semtech等廠商發(fā)起的LoRa，獲得多個(gè)信息大廠支持，2016年有17個(gè)國(guó)家宣搭建網(wǎng)計(jì)劃，超過(guò)120個(gè)城市已有運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，也受到多個(gè)電信營(yíng)運(yùn)商支持。
而采用2.4GHz頻段的RPMA，以美國(guó)為主要據(jù)點(diǎn)，技術(shù)由芯片商Ingenu主導(dǎo)，2016年底在30個(gè)主要都會(huì)區(qū)提供服務(wù)。2016年3月，Ingenu與25個(gè)國(guó)家和地區(qū)包括澳洲、中國(guó)、紐西蘭、印度尼西亞、臺(tái)灣地區(qū)、南非、泰國(guó)與阿拉伯聯(lián)合大公國(guó)等簽定授權(quán)協(xié)議。由IEEE主導(dǎo)的802.11ah標(biāo)準(zhǔn)，則早于2010年就開始發(fā)展，Draft 9.0版本于2016年9月完成，同年12月完成標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)核定程序，預(yù)計(jì)2018年可以商業(yè)化，命名為HaLow，傳輸距離達(dá)1公里，傳輸速率150kbit/s∼347Mbit/s。
另外，還有由ARM與Neul共同推動(dòng)的Weightless標(biāo)準(zhǔn)，2015年組成SIG推動(dòng)，目前已有三個(gè)國(guó)家地區(qū)搭建，連網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目為100萬(wàn)個(gè)，通訊距離依不同版本為2或5公里，速率為100 kbit/s或30∼100kbit/s。綜合來(lái)看，Sigfox與LoRa目前進(jìn)展稍微領(lǐng)先，而NB-IoT雖然標(biāo)準(zhǔn)與支持有其優(yōu)勢(shì)，但預(yù)計(jì)要2018年才會(huì)商業(yè)化。
NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)制訂快馬加鞭
最受各界矚目的NB-IoT，主導(dǎo)的3GPP早在2010年就注意到物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，并于R10就提出MTC(Machine-type Communication)規(guī)范，歷經(jīng)R11版本的改善，2015年3月的R12版本正式推出LTE Cat.0標(biāo)準(zhǔn)，上下行傳輸峰值1Mbit/s、帶寬20MHz。并導(dǎo)入省電模式(Power Saving Mode, PSM)，往更低功耗與低傳輸速率的物聯(lián)網(wǎng)需求靠攏，以提升電池續(xù)航力，不過(guò)20MHz的帶寬還是太大，成本也太高，未能引起產(chǎn)業(yè)注意。
到了2016年3月的R13版本，3GPP透過(guò)復(fù)雜度簡(jiǎn)化技術(shù)降低MTC終端裝置成本，發(fā)表了LTE Cat. M標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率同樣維持1Mbit/s，帶寬縮小至1.4MHz，強(qiáng)調(diào)終端節(jié)點(diǎn)的電池壽命可長(zhǎng)達(dá)10年。MIC智通所前瞻移動(dòng)通訊系統(tǒng)中心主任陳仕易(圖3)說(shuō)，2016年6月3GPP趕忙又宣布傳輸速率100kbit/s，帶寬需求僅200kHz的NB-IoT。對(duì)于提供服務(wù)的電信商來(lái)說(shuō)，可以透過(guò)Standalone(另開專用新頻段)、Guard Band(原先3/4G主頻的保護(hù)頻段)、In Band(使用原LTE之中的頻段)等三種方式規(guī)劃各自的NB-IoT頻譜。
▲圖3 MIC智通所前瞻移動(dòng)通訊系統(tǒng)中心主任陳仕易說(shuō)，2016年3GPP發(fā)布速率100kbit/s，帶寬僅200kHz的NB-IoT。
此外，NB-IoT有以下幾個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，陳仕易說(shuō)明，包括支持龐大的低效能裝置，每個(gè)cell至少支持5萬(wàn)個(gè)device，并達(dá)成10年的電池壽命目標(biāo)，延伸傳輸距離，也降低技術(shù)的復(fù)雜性，允許較大的傳輸延遲，進(jìn)一步降低成本，3GPP宣稱比eMTC更低。總之，為在降低數(shù)據(jù)傳輸率、縮減帶寬、支持移動(dòng)性的情況下最佳的IoT通訊協(xié)議。
2017年3GPP預(yù)計(jì)發(fā)表R14版本內(nèi)容，針對(duì)NB-IoT的部分，陳仕易進(jìn)一步解釋，將定義定位方法(Positioning Method)、群播服務(wù)(Multicast Service)、移動(dòng)性與服務(wù)連續(xù)性(Mobility and Service Continuity)、非標(biāo)定的PBR增強(qiáng)(Non-Anchor PRB Enhancement)、新的功率消耗模式(New Power Class)，更加完善標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)涵。
LoRa產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展健康
受到最多信息廠商支持的LoRa，在2012年組成LoRa聯(lián)盟，包括IBM與思科(Cisco)兩大廠與電信公司都押寶，發(fā)展至今已經(jīng)有400多個(gè)會(huì)員廠商，獨(dú)家芯片解決方案供貨商Semtech產(chǎn)品應(yīng)用工程師林忠杰(圖4)表示，LoRa在許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求的特性上表現(xiàn)杰出。傳輸距離至少15公里，僅需要很簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)建設(shè)所以搭建簡(jiǎn)單，傳輸信息時(shí)的耗電量約10mA，休眠時(shí)耗電量小于200nA。另外，采用非授權(quán)頻段、低基礎(chǔ)建設(shè)與終端成本，整體成本相對(duì)也低。
▲圖4 Semtech產(chǎn)品應(yīng)用工程師林忠杰表示，LoRa的產(chǎn)業(yè)鏈與其他LPWAN技術(shù)相較完整許多，是發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。
相較于其他的LPWAN技術(shù)，LoRa在產(chǎn)業(yè)鏈(圖5)的發(fā)展可說(shuō)是其一大優(yōu)勢(shì)，林忠杰指出，終端節(jié)點(diǎn)/設(shè)備方面有正文、鴻海、Microchip、研華等廠商，在基地臺(tái)與網(wǎng)關(guān)部分有正文、鴻海、Cisco等廠商投入，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等局端設(shè)備目前有IBM、正文、Actility、Stream等廠商，而在應(yīng)用發(fā)展平臺(tái)部分有IBM、Senet與ARM的mbed平臺(tái)可以支持。比如在智能建筑、智慧城市、智能制造、智能運(yùn)輸、智能農(nóng)業(yè)等應(yīng)用都非常適合采用LoRa做為其物聯(lián)網(wǎng)解決方案。
圖5 LoRa產(chǎn)業(yè)鏈概況
Weightless期待后發(fā)先至
2015年才起步的Weightless標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)搭建的步伐不像LoRa或Sigfox那樣迅速，產(chǎn)業(yè)鏈樣貌也還不夠具體，優(yōu)必闊科技(ubiik)研發(fā)副總經(jīng)理傅倬(圖6)認(rèn)為，Weightless頻譜利用效率很高，在相同條件下與LoRa、Sigfox相較，網(wǎng)絡(luò)訊號(hào)覆蓋LoRa最好，但在支持節(jié)點(diǎn)數(shù)量與頻譜效率部分，Weightless則較LoRa、Sigfox表現(xiàn)更好。
▲圖6 優(yōu)必闊科技研發(fā)副總經(jīng)理傅倬認(rèn)為，Weightless支持多項(xiàng)先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)功能，可以提供接近NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。
與其他LPWAN技術(shù)相同，Weightless也強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)距離、省電、支持多節(jié)點(diǎn)鏈接、網(wǎng)絡(luò)傳輸安全、彈性架構(gòu)與開放性標(biāo)準(zhǔn)等。傅倬進(jìn)一步說(shuō)明，目前Weightless SIG中，主要的會(huì)員包括ARM、Accenture、Sony等，該技術(shù)架構(gòu)中，支持多項(xiàng)先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)功能，包括：對(duì)稱式的上傳/下載(Symmetric DL/UL)、群播/廣播(Multicast/Broadcast)、訊息確認(rèn)(Message Ack)、電池運(yùn)作(Battery Operation)、電源控制(Power Control)、定位服務(wù)(Location Service)、換手支持(Handover Support)、韌體升級(jí)(Firmware Upgrade)等，其他技術(shù)并不完整支持的功能，可以提供接近NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。
HaLow延續(xù)WiFi榮光
2016年1月正名為HaLow的IEEE 802.11ah技術(shù)，植基于現(xiàn)在大家熟悉的WiFi技術(shù)，采用非授權(quán)的900MHz頻段，并降低功耗、延伸傳輸距離，也希望在物聯(lián)網(wǎng)的市場(chǎng)占有一席之地。PC-Semi(Palma Ceia SemiDesign)亞洲業(yè)務(wù)發(fā)展總經(jīng)理易思齊(圖7)解釋，802.11ah技術(shù)與高帶寬的802.11ac技術(shù)相較，訊息信道帶寬從20∼160MHz縮減為1∼16MHz，載波間距(Subcarrier Spacing)從312.5KHz縮小到31.25KHz，天線從8×8MIMO減為4×4MIMO，傳輸速率從6.5∼6933.3Mbit/s降為0.15∼347Mbit/s，同時(shí)聯(lián)機(jī)人數(shù)也由2,007提升至8,000人以上。
▲圖7 PC-Semi亞洲業(yè)務(wù)發(fā)展總經(jīng)理易思齊解釋，HaLow是現(xiàn)在一般人熟悉的WiFi延伸，網(wǎng)絡(luò)搭建幾乎沒有門坎。
另外，在傳輸距離部分，原則上為1公里，透過(guò)Multi-hop Relays技術(shù)可以延伸到數(shù)公里，HaLow定義在“LPLAN”的應(yīng)用，與其他強(qiáng)調(diào)距離更遠(yuǎn)的LPWAN應(yīng)用互補(bǔ)。易思齊強(qiáng)調(diào)，HaLow是現(xiàn)在一般人熟悉的WiFi延伸，網(wǎng)絡(luò)搭建幾乎沒有門坎，對(duì)于一般消費(fèi)者或智慧家庭中的應(yīng)用，可以無(wú)痛銜接。未來(lái)幾年IEEE還計(jì)劃發(fā)展更大傳輸距離的IEEE802.11af方案，采用54∼790MHz頻段。
HaLow的應(yīng)用領(lǐng)域包括智能家居、智能工廠、感測(cè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)搜集、戶外的監(jiān)控等，也可以視為WiFi訊號(hào)延伸的解決方案，易思齊進(jìn)一步說(shuō)明，WiFi已經(jīng)是一般消費(fèi)大眾接受的無(wú)線技術(shù)，HaLow可視為新版本并提供新功能，相信也會(huì)擁有高接受度。該技術(shù)2016年正式推出，預(yù)計(jì)2017年芯片解決方案可以問(wèn)世，目標(biāo)價(jià)格5美元以下，2018年進(jìn)入市場(chǎng)提供商業(yè)化服務(wù)，未來(lái)可以做為NB-IoT的中繼解決方案，形成更完整的智慧城市物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
Sigfox商業(yè)模式自成一格
已經(jīng)投入物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用且近期因?yàn)閿U(kuò)展迅速，也相當(dāng)受到矚目的Sigfox，成立于2009年，與其他LPWAN技術(shù)相較，最特別之處在于營(yíng)運(yùn)模式，該公司定位為全球的物聯(lián)網(wǎng)營(yíng)運(yùn)商，自行搭建網(wǎng)絡(luò)并營(yíng)運(yùn)，再向終端使用者收取服務(wù)費(fèi)。Sigfox在臺(tái)灣地區(qū)的營(yíng)運(yùn)商UnaBiz業(yè)務(wù)發(fā)展協(xié)理何承翰(圖8)表示，Sigfox已經(jīng)在26個(gè)國(guó)家搭建網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)國(guó)家一個(gè)Operator，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積達(dá)150萬(wàn)平方公里，網(wǎng)絡(luò)覆蓋人口達(dá)3億人，已經(jīng)有900萬(wàn)個(gè)聯(lián)網(wǎng)裝置運(yùn)作中，預(yù)計(jì)2018年網(wǎng)絡(luò)搭建將延伸到60個(gè)國(guó)家和地區(qū)。臺(tái)灣從2016年12月啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)搭建，先由六都開始，目標(biāo)2018年第二季完成95%人口覆蓋率。
▲圖8 UnaBiz業(yè)務(wù)發(fā)展協(xié)理何承翰說(shuō)明，Sigfox已經(jīng)在26個(gè)國(guó)家搭建網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積達(dá)150萬(wàn)平方公里，覆蓋人口達(dá)3億人。
在技術(shù)與傳送訊息機(jī)制上，何承翰指出，Sigfox的雙向網(wǎng)絡(luò)基于超窄頻帶(Ultra Narrow Band, UNB)無(wú)線通信技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)是以極低功耗和頻譜效率提供可擴(kuò)展及高容量網(wǎng)絡(luò)。每天每個(gè)裝置最多可以傳送最140個(gè)訊息，每個(gè)訊息酬載(Payload)最大12bytes，速度100bit/s。裝置(TX)跟基地臺(tái)(RX)之間不需要任何溝通，只要在正確頻率發(fā)射訊號(hào)(使用SigFox Radio Protocol)，基地臺(tái)會(huì)自行聽取訊息，譯碼后將訊息丟到后臺(tái)存放，每個(gè)訊息會(huì)同時(shí)發(fā)送三次，在有效的傳送距離內(nèi)建議能建置二∼三個(gè)熱點(diǎn)，所以熱點(diǎn)之間沒有溝通機(jī)制而造成訊息漏失的狀況也不常見。
Sigfox目前在歐洲發(fā)展最為順利，臺(tái)灣算是該技術(shù)在亞洲較早布局的地區(qū)之一，并不是看中臺(tái)灣的市場(chǎng)潛力，而是該技術(shù)未來(lái)幾年需要積極建構(gòu)產(chǎn)業(yè)鏈，臺(tái)灣地區(qū)完整的科技產(chǎn)業(yè)有助于Sigfox迅速充實(shí)產(chǎn)業(yè)鏈。由于Sigfox的業(yè)務(wù)模式與其他技術(shù)相較最為獨(dú)特，但對(duì)于吸引廠商加入產(chǎn)業(yè)鏈也較沒吸引力，所以何承翰強(qiáng)調(diào)，Sigfox產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)亲顬殚_放、可受信賴的，希望廠商與該公司一起努力壯大生態(tài)圈(Ecosystem)。
責(zé)任編輯：靳玉鳳
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