LPWAN技术的定义、应用及服务模式和商业模式详读

 

低功耗广域网技术(Low Power Wide Area Network, LPWAN)依使用频段可分为执照与免执照两大阵营，免执照LPWAN技术发展较早，主要技术为：HaLow、LoRaWAN、Sigfox、Weightless、RPMA等。执照频段则以3GPP主导的NB-IoT为主。 物联网应用日益多元(图1)，不同于移动通讯对于大带宽、低延迟等传输要求，许多物联网应用如监测空气质量、电表数据传输等服务，数据封包小、对于延迟容忍程度较大，同时，在环境监测、管线监测等应用场景中需要广范围布建，或是地处偏远、位于地下室、地底等屏蔽较严重的地点，既有无线通信或移动通讯技术之传输讯号到达不易，针对上述应用，发展出具备长距离低功耗的通讯技术，包含用户许可证频段的技术，以及运作于免执照频段的技术，统称为低功耗广域网技术(Low Power Wide Area Network, LPWAN)。 

图1 LPWAN在智慧城市上的应用

免授权频段LPWAN技术 LPWAN技术依照使用频段可分为执照与免执照两大阵营，其中免执照LPWAN技术发展较早，目前主要技术包含：HaLow、LoRaWAN、Sigfox等，除HaLow因为标准推动较晚导致相关生态体系尚未发展外，其余技术都已进入测试或商用阶段，在世界各国已经有许多应用案例。 Sigfox Sigfox于2009年由法国同名物联网新创公司所推动，根据Sigfox公布的资料指出，目前全球已经有29国展开Sigfox网络布建，包含：荷兰、西班牙、法国、俄罗斯、英国与美国等，预计于2019年拓展至全球60国。技术规格方面，传输速率约在100bit/s左右，传输距离在市区约10公里，在郊区则可达50公里，以上行通讯为主，但也支持下行通讯，采用超窄频(Ultra-Narrow Band, UNB)技术，使用带宽仅需100kHz。为降低功耗，Sigfox装置通常处于闲置状态，装置要求网络完成传输后就会再次回到闲置状态。Sigfox的操作频段采用免授权的工科医(ISM)频段，如：美国的902∼928MHz以及欧洲的863∼868MHz。 LoRaWAN LoRaWAN是由包括IBM、Cisco、Actility等大厂在内的LoRa Alliance成员所共同推动的通讯协议，根据LoRa Alliance报告显示，2016年有17个国家公开宣布建网计划，120多个城市地区有正在运行的LoRa网络，其中韩国SKT、印度TaTa、荷兰KPN等已完成或正在进行全国网络的布建。 在技术规格方面，传输速率约在30bit/s∼50kbit/s之间，传输距离在市区约2∼5公里，郊区最长可达15公里，依据2015年6月所公布的LoRaWAN 1.0版技术文件，LoRaWAN同样采用sub-GHz免授权ISM频段，支持双向传输，传输方式依据延迟要求与功耗大小可分为Baseline(Class A)、Beacon(Class B)以及Continuous(Class C)三种等级，其中Class A方式只有当终端装置发送要求时才会进行传输，功耗最低；Class B可排定时程进行传输，终端可于预设时间开启接受封包传输；Class C为持续传输数据，功耗最大，但传输延迟时间最短。 Weightless Weightless是由ARM及华为收购之英国物联网公司Neul所推动的sub-GHz LPWAN通讯协议，目前以欧洲如英国、丹麦等范围为主推展其服务。自2012年开始发展以来，Weightless共已释出三个版本协议包含Weightless-W、Weightless-N及Weightless-P。 Weightless-W为最早发展的版本，主要使用电视空白频段(TVWS)传输数据，但因各国TVWS释出发展进程存在显著差异，导致发展受限。Weightless-N版本改采sub-GHz免执照频段，传输速率为30∼100kbit/s，传输距离约为5公里，Weightless-W及Weightless-N仅支持单向传输，但在最新Weightless-P版本开始支持双向通讯，传输速率约在100kbit/s左右，传输距离最长为2公里。 HaLow 2010年由IEEE开始发展的HaLow，其成立背景是因为Wi-Fi技术虽在无线数据传输领域获致相当大的成功，然当前Wi-Fi主流标准802.11n及802.11ac在功耗及传输距离的表现，尚未符合低功耗、长距离与数据流量少的物联网应用场景要求，尤其在物联网传输环境中大量装置的链接维护以及信息回传处理，使既有Wi-Fi技术面临挑战。 因此，IEEE在Wi-Fi技术发展蓝图上规划802.11ah标准，采用1GHz以下低频频段，用来实现低功耗、长距离无线网络链接，802.11ah Draft 9.0已于2016年9月完成，于2016年12月完成标准委员会核定(IEEE-SA Standards Board APProval)程序。 此外，Wi-Fi Alliance已于2016年1月在美国举办的CES展会上将802.11ah标准正式命名为“HaLow”，根据IEEE规范，HaLow使用1GHz以下不包含TVWS的免执照频段，频道带宽可分为1MHz、2MHz、4MHz、8MHz及16MHz，传输速率至少为1Mbit/s，传输距离最长可达1公里。 RPMA RPMA(Random Phase Multiple Access)自2008年起由Ingenu公司推动，获得如美国通用电气(General Electric)等厂商所支持，以美国为中心展开布建，预计2017年完成全美30个城市网络建设。RPMA是目前唯一使用2.4GHz ISM频段的LPWAN技术，透过增加接收灵敏度等技术，补足高频在传输特性上的弱点。相较于其他LPWAN技术所使用的sub-GHz免执照频段，依地区、国家频段范围略有差异，2.4GHz为全球统一频段，利于装置规模制造与服务普及。 授权频段LPWAN技术－NB-IoT 使用执照频段的LPWAN技术，以3GPP推动的NB-IoT为代表，是3GPP因应物联网应用趋势而发展的技术标准之一。NB-IoT相关研究自2014年9月3GPP成立FS_IoT_LC工作项目后，展开支持超低复杂度与低流量物联网的蜂巢网络系统研究。 2016年6月公布核心标准规范，目前除RAN及终端测试规范尚未完成外，Release 13的NB-IoT标准已大致底定。NB-IoT以既有的LTE技术标准为基础，但大幅删除及简化相关规范，以满足频谱使用效率、低成本等要求，如不支持语音服务、电路回退交换等功能，并导入新的节电机制eDRX，延长装置空闲时间以达到低功耗要求，且可使用既有移动网络设备，降低在布建上对既有网络的冲击，达成快速布建与商用之目标，缩短与其他LPWAN技术商用起步时间的落差。 产业应用　兵家必争 LPWAN由于具有低功耗与长距离的优势，因此适用于需要广范围布建且传输数据量小的应用领域，就目前LPWAN业者提供的服务现况而言(图2)，可归类为资产追踪、停车管理、环境监测、智能读表系统等四大领域。 

图2 LPWAN服务供应模式

资产追踪 资产追踪方面，Sigfox与新创公司Capturs合作推出GPS位置追踪服务，提供运动爱好者在偏远地区或长距离的定位信息，亦展开公益计划如赞助比利时之南极洲伊丽莎白公主研究站利用搭载GPS与Sigfox技术之装置实时追踪人员移动与装备位置。LoRa在资产追踪的相关应用，如布鲁塞尔机场在飞机货运车上利用LoRa Sensor，对货车实施远距监控与调配运用；在澳洲，卫星业者Immarsat利用GPS及LoRa网络监控牧场中的牛群与水源等。 停车管理 停车管理应用部分，在比利时阿尔斯霍特市政府于停车位上布建LoRa Sensor，驾驶人可透过Smart Parking APP搜寻距离最近的停车场与车位。Vodafone利用800MHz频段的商用LTE网络，在西班牙马德里的Vodafone Plaza进行智能停车应用服务测试，透过停车传感器侦测停车格状态。华为与中国联通在上海测试NB-IoT的智能停车服务，车主可远程查询与预订车位，提高车位利用率。 环境监测 环境监测方面，英国由物联网新创公司Nwave与英国数字经济技术与创新中心(Connected Digital Economy Catapult)合作，以Weightless-N技术为基础在伦敦布建智慧城市网络，提供空气污染监测。Ingenu与Libelium、PTC合作利用RPMA网络搜集城市中空气质量信息进行分析。 智能读表系统 智能能源表相关应用，韩国SKT与SK E&S合作在首尔、釜山与光州等三个城市测试运用LoRa网络的瓦斯先进读表系统，提供自动读表与侦测瓦斯漏气等服务。Sigfox与法国电力与天然气供货商ENGIE子公司ENGIE M2M布建Sigfox Smart Meter于建筑物中，协助用户能源使用管理。Vodafone以及瑞士模块厂商u-blox共同在西班牙蒙卡达完成NB-IoT前标准(Pre-Standard)商用测试，以U-blox模块搭配华为子公司Neul所开发之NB-IoT芯片嵌入智能水表中，使水表能够接入移动网络，透过窄频通讯达成远程自动抄表作业。 LPWAN商业模式 探讨以LPWAN提供物联网服务的业者其营运模式与收费方式，以Sigfox为例，其目标在于建立一个全球统一的物联网网络，类似营运商eSIM的概念，基本上用户可在全球范围下使用Sigfox服务而不需考虑漫游问题。Ingenu亦与Sigfox采用类似作法，透过专属授权给不同地区的业者进行布建与经营RPMA网络，如新创公司IoTOz取得澳洲、纽西兰的网络授权。LoRaWAN目前在各国营运方式大致上分为两种类型，第一，与当地营运商合作，由LoRa Alliance提供技术与产品认证。第二，由制造商自行架设基地台，提供应用服务。 LPWAN的收费模式可归纳为装置/服务绑定、服务费与通讯费等三种类型(图3)。装置/服务绑定方面，如法国业者Capturs的GPS装置定价包含硬设备及Sigfox通讯费用。服务费部分，韩国业者Sparcosa的LoRa追踪器需要用户额外添购一个月5美元的服务费用。通讯费方面，如Sigfox提供范围从1美元/月到1美元/年的资费方案，依照用户链接的装置数量进行个案调整。 

图3 LPWAN商业模式/span>

免执照LPWAN在历经多年技术发展与应用测试后，目前服务供应与收费方式已逐渐成形，使用执照频段的NB-IoT也在3GPP的推动下加速标准制定，营运商亦积极推动建设，预期LPWAN商用服务于2017年更加蓬勃开展。