一探究竟Sigfox、LoRa、NB-IoT物聯網時代的無線傳輸技術
2018-05-28 14:55:37
來源： ibtmag 熱度:
無線通信技術是物聯網的傳輸基礎，隨著智慧城市大應用成為熱門發展，各種技術推陳出新，紛紛搶占物聯網市場。在LPWAN技術里，最熱門的莫過于LoRa、Sigfox和NB-IoT。在物聯網趨勢中，這三種技術各自具有什么優勢?誰才會是你專業領域的最佳拍檔?
物聯網、大數據、AI人工智能這幾個詞匯，相關產業人員想必嫻熟于心。在物聯網的技術架構中，“感測”是最基礎的核心源頭，無論在農業、工業、建筑、交通、醫療等領域，要讓感測到的數據透過AI分析，進而形成相關應用，首先必須部署適合的傳輸技術與網域，才能搜集并回報巨量的環境數據。
在無線通信技術里，WI-FI、bluetooth、ZigBee、Z-Wave這幾項較早推出的應用已經于不同領域中奠定發展基礎。WI-FI適用于大數據量的傳輸，比如影音傳輸或者A R/V R等領域，同時也是一般無線網絡的基礎，缺點是耗電量大;藍牙多用于個人穿戴式裝置，在聲音領域的應用較為成熟;ZigBee和Z-Wave則是在工業、建筑等自動控制應用中成果豐碩。
長距離+省電特性，LPWAN解決物聯網傳輸難題
談到無線網絡，大家腦中想到的，除了WI-FI之外，大概就是手機的移動式通信網路了。如今的通訊技術即將邁入5G，講求更大帶寬、更高速率、更低延遲，當然也更耗電，由于是對應人與人之間的通訊，因此數據傳輸較密集、交換量也更為龐大。針對M2M的通訊，由于裝置的部署范圍通常更寬廣，且無線裝置必須避免頻繁更換電池，LPWAN(Low Power Wide Area Network，低功耗廣域網)技術順勢而生，其小數據量、長距離傳輸及省電的特性，在物聯網應用領域中大放異彩。
較早期的無線傳輸技術，如WI-FI、ZigBee和Z-Wave，通訊傳輸距離頂多只有100公尺，用在智能家居領域，必須再加裝訊號加強的天線或中繼站。若是要滿足智能城市的相關應用，例如環境監測或資產追蹤，傳輸距離可達20公里的LPWAN技術顯然能大幅縮減布建成本，只要幾個機站就能覆蓋大面積的范圍;以電池作為電力來源，則省略了布線問題，讓傳感器的安裝步驟更簡易。目前最受關注的LPWAN技術分別是LoRa、Sigfox和NB-IoT，這三種技術具有各自的優勢，業主可根據不同領域及使用需求，選擇最適合的通訊技術。
低耗能、高范圍傳輸：LoRa與Sigfox大比拚
正如LPWAN的技術特色，LoRa與Sigfox都具有長距離、低功耗的特點，可延長電池壽命，形成大范圍的訊息傳輸。兩者皆使用免授權的Sub-1GHz ISM頻段，不需額外付出授權費用，且由于電子芯片制造技術的突破，兩項技術的硬件制造成本不斷降低，比如去年在臺灣地區產業已經啟用的Sigfox，月租費最低只要0.4元人民幣。
LoRaWAN是由各產業聯盟共同推動的網絡標準，提供開放式技術，只要取得關鍵內容，就能開發個別的應用。不同于LoRa的開放性，Sigfox則是由法國同名公司自行開發的技術，掌握核心網絡的營運和布建，意圖以獨立營運商的角色，在全球進行網絡基地部署，目前已能同時在36個國家和地區使用可連結的網域和設備。以類型來說，LoRa好比小型的私人網域，傳輸距離最遠可達20公里，只要掌握技術，就能自行架設基站，自由度更高。
Sigfox則是以全球為營運目標，不斷擴展網絡基地的藍圖，可提供用戶既有的網絡布署及云端服務，需要付出額外的月租費，相對LoRa而言，成本較高，但平臺方案完整，不須額外布建網絡。Sigfox的傳輸距離可達50公里，是三種技術當中范圍最廣的，不過為達到低功耗的目標，LoRa和Sigfox的每日傳輸次數都有限制，一天當中的傳輸時間很短，適合發揮在沒有實時通訊需求的領域，比如每日固定回報數據的傳感器，可測量溫濕度、PM2.5等特定環境數據，藉由長距離、少次數的傳輸型態，形成較大面積的物聯網應用。
電信業者強強推：NB-IoT
另一項在物聯網產業鏈上討論熱烈的技術是NB-IoT，與前述兩項技術最大的不同，在于它是由3GPP組織所制定的技術，使用需授權的GSM和LTE頻段，也就是說，NB-IoT必須藉由電信產業買下頻段授權，使用者只能透過電信業者或第三方代理商取得授權技術和頻段，才能使用NB-IoT相關服務。NB-IoT的優勢在于它是由現有電信業者推出的技術，不需重新布建網絡，只要更新軟件，就能使用現有的4G電信基地臺和相關設備。另一方面，采用電信級的網絡，在通訊質量和訊息安全性擁有高度的保障。臺灣地區遠傳電信目前已推出NB-IoT的搶先體驗活動，并預計于5月底完成全臺基地升級，只要遠傳電信能收到訊號的地方，就能使用NB-IoT，裝置月租費約為2至12元人民幣。
“將對的技術擺在對的位置上”──無線通信技術應用
上述三種熱門的LPWAN技術各自有著不同特點，業界多預測未來其中一項技術將會力壓群雄，成為一枝獨秀。然而，正如LoRa創始人之一Olivier Hersent曾說過的，互相合作的共存關系更可能帶領未來技術走向新的發展。事實上，物聯網應用領域百百款，這三種技術的特點也對應了不同領域的特殊需求。比如NB-IoT，用戶許可證頻段和LTE技術，其網絡不限制傳輸訊息次數，所能攜帶的數據量也更高，因此適用于重視網絡傳輸穩定性和實時性的智慧工業領域，或者是需要聲音、圖像文件等高數據傳輸的物聯網裝置。相對地，NB-IoT的功耗也高于另兩項技術，電池壽命的損耗較大。同時與電信業者的協作模式，在向用戶推廣時會更為快速、簡便，從另一角度來看，也受限于硬件成本(芯片)和月租成本。
與NB-IoT相比，LoRa和Sigfox由于硬件成本低、功耗更小，因此更適合在小數據量、大范圍的傳輸應用。LoRa技術目前的發展規模已趨向成熟，且曾與亞太電信及鴻海富鴻網合作，在臺灣地區已有實際營運成果。雖然傳輸距離不比Sigfox，但傳輸帶寬較高，建設成本和技術難度不高，適合在高科技廠區中建設封閉型網域，傳輸各類型的感測數據。
以全球布建的角度來說，德國萊因的信息與通信技術經理于凱群表示，Sigfox是很有發展性的技術，由于Sigfox提供全球性的網域服務，對跨國公司來說更為便捷，尤其是一體成形的網絡方案，對高收益的公司而言提供完整且穩定的云端服務，省去許多開發和協作上的麻煩。Sigfox的傳輸距離最遠，但一天內的傳輸次數最少，因此適合應用在反應數據變化或固定時段傳送數據的場景，比如管線監控、智能電表、地區氣候監測和警報等。Sigfox目前在臺灣地區與O-bike合作，負責定位追蹤服務，以及中興保全的設備狀態偵測，和智能醫療遠程照護等應用。由于是跨國應用，Sigfox也與美國快遞公司合作，在包裹上裝設傳感器，除了知道包裹的運送位置，也能偵測拆開的時間，將具體數據傳送回美國。
物聯網未來愿景：信息安全與技術驗證缺一不可
新興科技帶來更便利及美好的未來愿景，同時也帶來關于安全的隱憂，當各種信息在網絡上流通，一旦網絡安全發生問題，將可能導致個人隱私外泄，甚至影響人身安全。在極重視隱私權的歐洲，已經通過通用數據保護協議(General Data Protection Regulation，簡稱 GDPR)，其中嚴格規范了網絡公司對個人資料搜集的限制與管理。雖然資安問題在臺灣尚未掀起全面關注，但隨著物聯網裝置和領域的拓展，一般使用者也會更頻繁的接觸到相關的議題，網絡安全必定將成為產品/軟件供貨商需提出的服務方案之一。
德國萊因資深經理何紹彭也提醒，所有無線通信技術都必須經過國家規范和聯盟認證標準。首先必須先通過各國法規對無線通信頻率和功率的控管，讓產品具備合格的通訊標準，不會因要加強通訊而影響其他電子儀器或人體健康。再來還必須通過各個技術聯盟的標準，包含電磁波型、通訊協議及互聯性測試，確保使用同類型通訊技術的產品能夠互相溝通。如同目前市面上的智能家居網關，大多會容納1至3種的通訊技術(如WI-FI、Bluetooth、ZigBee等)，產品的互聯性及抗干擾性就更為重要?；蛟S在不久的將來，也會在單一物聯網模塊內整合LoRa或NB-IoT等不同的無線網絡通訊技術，像是在偏遠工廠，以LoRa形成局域網絡內設備間的數據傳輸，再將數據傳送到外部的LTE網絡，整合多個廠區的數據進行整體分析。
無論在交通、工業、農業、建筑、醫療、金融等領域，物聯網所要關注的將會是數據下的新興應用，裝置聯網只是基礎，只有善加利用軟件服務，掌握應用商機，才能具體實現物聯網的真正智慧。
責任編輯：胡輝
