LPWAN商业圈摩拳擦掌，NB-IoT、LoRa、Sigfox各出奇招

 

LPWAN的三大阵营NB-IoT、LoRa、Sigfox正处于脱离试运行的实验网阶段，2018年都要大举投入商转，肩负海量物联网基础建设的重责大任，相关技术与厂商都卯足全力在网络、产品、服务等方面布局，希望能抢占物联网的广大商机。

低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN)2017下半年将陆续投入商转，NB-IoT、LoRa、Sigfox三大阵营脱离试运行的实验网阶段。

NB-IoT经过R13与R14版本的强化，技术架构逐渐完善。

LoRa联盟会员已经突破500大关，周边商品陆续问世。

Sigfox全球网络覆盖达32个国家，预计2018年将完成60个国家的网络布建。

NB-IoT各大电信营运商陆续宣布开始运营，并投入公共事业、共享经济、智慧城市等相关服务。

LoRa在智慧读表、智慧农业、工业物联网具备优势。

Sigfox领先取得***地区二类电信执照，并于跨地区大范围的智慧读表、智慧监测等应用持续发展。

LPWAN商用摩拳擦掌

物联网由The Next Big Things口号发展至今，物联网架构中的各项元素陆续发展到位。

低功耗广域网由于具备低功耗、低复杂度、低成本、长距离、大量连结特性，而且技术难度不高，从早期的M2M发展起，近期已届商用阶段，较受市场注目的技术包括：eMTC、NB-IoT、Sigfox、LoRaWAN、HaLow、Weightless等。

资策会MIC产业分析师曾巧灵(图1)说，授权频段以3GPP电信网络相关的物联网标准为主，包括GSM-IoT、LTE-M与NB-IoT等；非授权频段则以LoRaWAN与Sigfox，这两个起自法国，运作于1GHz以下的技术发展最为迅速。

图1 资策会MIC产业分析师曾巧灵说，未来两年LPWAN芯片预计将朝向多频多模的方向发展，提供跨网跨域之服务基础。

LPWAN的发展目前还属战国时代，因此不仅技术纷杂，使用的频段也不利于部分应用与市场的推动。

曾巧灵指出，未来两年LPWAN芯片预计将朝向多频多模的方向发展，Qualcomm与华为协助韩国电信营运商开发同时支持1.8GHz与800MHz的双频NB-IoT芯片；摩拜单车、Qualcomm及中国移动研究院2017年5月使用高通MDM9206芯片，进行支持LTE-M、NB-IoT与E-GPRS的多模测试。

对营运商而言，多模多频解决方案可以提供跨网跨域之服务基础，扩大其服务类型与范围。

现阶段，包括3GPP LPWAN与LoRa、Sigfox三大阵营，都持续强化自身产业链(图2)在芯片、模块、网关(Gateway)/基地台(Base Station)、营运商等不同层面的产业实力，整体而言各有优劣势，较特别的是有越来越多厂商多方押宝，不只投入一项技术。

图2 LPWAN三大阵营积极拓展产业链

曾巧灵强调，未来抢占有潜力的应用市场与发展为消费者接受的商业模式，可能会是脱颖而出的关键之一。

NB-IoT持续改善技术缺陷

3GPP发展物联网应用其实早在2008年Release 8版本中的LTE Cat-1，就有MTC(Machine Type Communication)的应用设计。

资策会智能所蔡宜学博士(图3)说明，其后几年针对MTC应用的技术内容持续简化以提升连结数、传输距离、降低功耗、传输速率，发展出LTE Cat-0与Cat-M1等，一直到Release 13版本正式发表Cat-NB1也就是NB-IoT。

图3 资策会智慧所蔡宜学博士说明，2018年Release 15的NB-IoT版本，预计会有更多细节的技术改善。

Release 13版本的NB-IoT仅具最基本的技术内涵，许多应用需要的特殊功能都还付之阙如，在Release 14版本强化了定位(Positioning)功能，蔡宜学提到，NB-IoT的定位是以OTDOA利用基地台的三角定位，实际的运作是以Idle Mode进行量测定位讯号，因为进行量测的同时，无法监控NPDCCH，进而影响传收数据。NB-IoT延长量测时间以增加量测精准度，因此相对的必须延长LPP反应时间(Response Time)。

到了2018年Release 15的NB-IoT版本，预计会有更多细节的技术改善，蔡宜学解释，这个版本的技术演进主要分成三个部分，一是针对功耗、量测与支持小型基地台的架构，同时首次加入支持低延迟(Low Latency)达10ms。第二部分就是支持分时多任务系统(Time-division Duplex, TDD)，并增加更多频段的支持。第三部分就是与服务质量有关的QoS、存取限制(Access Barring)、终端回馈(UE Feedback)等。

NB-IoT强调服务质量优势

物联网在近年之所以会受到产业高度关注的主要原因之一，就在于物联网装置的数量规模从几十亿到几百亿，而支撑这个连结依靠的可能就是LPWAN技术，其中扮演服务提供商的电信商角色非常关键。

远传电信物联网应用发展部协理张连成(图4)表示，NB-IoT与eMTC同为3GPP的物联网技术，但在许多技术指标上还是有其区隔(图5)，NB-IoT在成本、覆盖、功耗、连接数等指标持续强化；而eMTC则考虑与LTE兼容，在延迟、语音、移动性等功能更胜一筹。

图4 远传电信物联网应用发展部协理张连成表示，未来物联网服务价值链的营收分配高达73%将由服务与应用产生。

图5 NB-IoT与eMTC关键技术指标比较

未来物联网服务价值链的营收分配，跟传统电信服务不同，张连成认为，高达73%将由服务与应用产生，因此未来电信业者必须调整角色，整合更多合作伙伴，各种形式的异业结盟或产业垂直整合将更为常见，对于物联网市场提出新的收费模式(New Price Model)，并发展新的产品设计(New Product Design)。 事实上，远传积极布局物联网，与中华电信都已经申请到第一批300万门物联网专用号码，提供商业服务箭在弦上，张连成分析，物联网应用类型有四类，自动上报/异常上报，应用如烟雾检测、智能仪表失效通知、闯入通知；自动上报/周期上报，应用如智能三表、智能农业监测、智慧环境监测；网络命令，应用如开关、触发设备上报数据、请求读表数据；软件升级/重配置模型，应用如软件补强升级OTA软件更新。

NB-IoT芯片强调整合与可靠度

电信商扮演提供NB-IoT服务最关键角色，芯片/模块厂就是此一应用推动的引擎，u-blox多年前就看好此一市场潜力并积极投入，2015年与华为/neul及Vodafone合作，展示全球第一个NB-IoT水表解决方案。

在各式应用当中，u-blox商业开发经理廖容娴(图6)认为，智慧读表应该是第一个发展的应用，再来是智能城市如智能路灯、停车抄表、废弃物管理等，共通性是政府项目需求。

图6 u-blox商业开发经理廖容娴认为，智慧读表应该是第一个发展的应用，再来是智慧城市等政府项目需求。

廖容娴进一步说明，第二个阶段才会发展消费市场应用，如智慧家庭/建筑，包括警报系统、用电管理等；个人需求，如老人/动物追踪；最后一部分是智慧农业/环境监控如国土、噪音、雨量、污染等的监控。

NB-IoT有电信商的支持与服务质量的保证，海外媒体也大胆预测2022年，NB-IoT将瓜分90%的LPWAN市场营收。

随着支持Release 13版本的NB-IoT芯片陆续发表，2017下半年~2018上半年，包括亚太、欧洲、美洲许多电信营运商都陆续宣布NB-IoT启动讯息，德国电信(Deutsche Telecom)更于2017年6月率先宣布，全球第一个NB-IoT服务智慧停车正式上路。

其中NB-IoT模块价格能否快速降价，也是市场能不能普及的关键要素之一，一般而言终端用模块要降至5美元以下，中国的供货商更喊出1美元以下的激进目标。

LoRa获业界广泛支持

LoRaWAN是Long Range WAN也就是长距离广域网的意思，其在市区传输距离约2~5公里，在遮蔽物较少的郊区则为15公里。

LoRa联盟目前会员数已经超过500家，是近年成长最为迅速的产业团体。

正文科技绿色物联网事业部营销经理张兴皇(图7)说明，LoRa传输模式称为扩散因子(Spreading Factor)，采用SF7模式时，传输速率为5468bit/s，传输距离约2公里，可应用在需求较大数据量的应用，SF8模式传输速率3125bit/s，传输距离4公里，一直到SF12模式，是传输速率最小但距离最长的模式。

图7 正文科技绿色物联网事业部营销经理张兴皇说明，LoRa因应不同应用情境需求，设计了三种传输模式。

LoRa数据传输时透过两层加密技术包括Network Session Key与Application Session Key，一为传输加密，一为数据加密，是一种很安全的无线技术。

张兴皇解释，LoRa因应不同应用情境需求，设计了三种传输模式，Class-A设计给搭载电池的装置，以最省电的方式运作，数据传送后马上进入待机/休眠状态，延长电池续航力。 Class-B则是可应用在电池供电与电源线供电装置，该模式传送数据后不会马上休眠，是Class-A加上额外的接收窗口。

Class-C则建议为电源线供电装置应用，采用连续听模式，是三个模式最耗电的一种，但服务质量也最好，终端装置可以随时收讯。

LoRa强调开放生态系

LoRaWAN网络架构是由应用服务器(Application Server)、网络服务器(Network Server)、网关(Gateway)与终端节点(End Node)组成。

如果是建置私有网络则不需应用服务器与网络服务器，架构更加简单。LoRa在应用上非常适合不用常时连网，只要定期收到特定信息，如空气质量、电表、水表等。

LoRa采用1GHz以下ISM的免授权频段，依照地区国家的规划也有不同的频段，群登科技产品应用处长邱文正(图8)说，像***NCC是开放920~925MHz给物联网使用，每个频道125kHz，共可切分16个频道，其他欧洲433/868MHz、美国915MHz、大陆779~787MHz等等，最大的缺点是容易受到干扰，像是***eTag就在920~925MHz，另外还有手机网络，因为功率较大，也容易出现俗称盖台的干扰。 

图8 群登科技产品应用处长邱文正说，LoRaWAN的网络架构是由应用服务器、网络服务器、网关与终端节点组成。

Sigfox发展全球一大网

物联网的话题已经炒作好几年，但是大量连结物联网发展的关键因素包括节能、低价、简单与无所不在的网络环境，这也是LPWAN会迅速受到产业瞩目的原因，现有我们熟悉的网络技术如4G LTE、Wi-Fi、蓝牙都无法同时拥有以上四个要素，三大LPWAN则是尽力强化自身在这四个要素上的竞争力，比如提供更远的传输距离、更低价的芯片模块、更无所不在的网络环境。

Sigfox的最大特色是想在全球建立一个共同的物联网网络，再透过各地类似特许的网络营运商提供服务，Sigfox在***的网络营运商UnaBiz生态圈总监邹宏平(图9)指出，Sigfox利用超窄频传输技术，相较NB-IoT与LoRa传输速率最低(每次约12bytes)，也因此具备最大的平均传输距离与穿墙能力。同时Sigfox无须配对即可进行联机，可在全球运作。

图9 UnaBiz生态圈总监邹宏平指出，Sigfox利用超窄频传输技术，因此具备最大的平均传输距离与穿墙能力。

由于网络架构的一致性，全球Sigfox网络都是由Sigfox建置所以不会有兼容性的问题，全球数据数据也在同一个云端数据库，存取与利用有其一致性。Sigfox与LoRa一样采用非授权的ISM频段，所以网络成本较低，邹宏平强调，在***每个装置的服务费最低每年人民币4.8元，最高也不会超过每年12美元，而且Sigfox网络没有国际漫游的问题，不会因为服务区域不同就有不同的费率或重复收费。

Sigfox充分发挥超窄频特性

Sigfox全球同一网络的特性，适合跨国性的应用，如个人行李箱、货物追踪等，目前Sigfox使用频段全球大致分成四区，相较NB-IoT与LoRa使用频段纷杂，Sigfox网络架构最为单纯，预计今年就会有整合四区频段的多频模块问世。传输距离部分，一般市区约5公里，郊区可达20~30公里。

Sigfox的超窄频(Ultra Narrow Band, UNB)讯号带宽小于1kHz，云创通讯新技术开发处长李俊颐(图10)说明，优势是链路预算(Link Budget)达157dB，不考虑空气、水分、建筑物阻挡等，讯号直线传输距离高达2,100公里；另外，支持大量终端节点连结，抗干扰能力佳，而且可以直接联机，终端节点架构简单，Sigfox收(听)讯息能力佳，传输讯息能力则相对较差。

图10 云创通讯新技术开发处长 李俊颐说明，Sigfox全球同一网络的特性，特别适合跨国性的应用服务。

同样，Sigfox的UNB技术缺点就是传输速率较低、传输每位耗费能源较高，原因是其超窄频，所以传送封包的时间就较长，而且基地台的设计较为复杂。应用类型上，状态报告(Status Reporting)、装置识别(Device Identification)、事件检测(Event Detector)、传感器分散配置(Sensor at Scattered Location)的工作需求都是Sigfox可以发挥功能的应用类型。