低功耗LPWAN傳輸類別與應用發展


穩定傳輸與低消耗功率是資通傳輸業未來的應用發展重點,低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network, LPWAN)因此應運而生。本文介紹LPWAN主要技術的優勢與發展,提供讀者一窺其未來樣貌。


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從安防與物聯網的發展來看,穩定傳輸與低消耗功率是資通傳輸業未來的應用發展重點,過去存在的WiFi及短距離近接通信傳輸系統已經漸趨成熟,且在多個領域使用;但基於物聯網的資料收集,長距離傳輸與低消耗電力已成為必備要求,目前也有許多新創團隊推出各種產品與應用。因傳輸要求上需要無線網路作為底層機制,為了符合裝置省電、長距離傳輸資料的要求,因此就有了低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network, LPWAN)的誕生。本文將介紹LPWAN主要技術的優勢與發展,期望能引發大量關注與各行業的應用擴展。


什麼是LPWAN?

在討論LPWAN之前,首先要澄清一個概念:LPWAN為物聯網傳輸所用,也為安全設備而生,但並不是說要用來傳送影音信號及大量數據等,主要是用來作為物聯網資料收集後的聯網實現。物聯網裝置數量在未來已被看好將比智慧手機多出十倍以上的市場規模,因此安防在AI趨勢下將無法與物聯網脫鉤,而安防與物聯網產業界也應重視此一趨勢,及早投入LPWAN產品技術與應用市場開發,才不至於錯失安全產業智慧化的轉型契機。


由於5G通信時代即將到來,在第五代通信標準還沒上路之前,LPWAN將提供物聯網產業先行的動力;更由於LPWAN技術難度門檻不高,所以到2017年11月為止,已有相當多的低功耗長距離晶片模組、TR傳輸設備及嵌入產品並用,以及軟體平台等產品陸續發布。LPWAN低功耗傳輸技術目前已發展到約有八種標準型式,不過透過合作發展的機制,目前在市場上較受到看重的約僅三種,分別是使用授權頻段的NB-IoT(窄頻物聯網),以及採用非授權頻段的LoRaWAN、Sigfox等。這些技術其實都已經發展一段時間,且因為概念貼近物聯網的應用,在這一兩年開始被熱烈討論及應用於資料收集的物聯網上。很有意思的是,這些LPWAN技術剛好在今年完成基地台建置與合作夥伴的元件或成品發布,從前陣子的Lora應用研討與剛舉行過的NB-IoT研討會及Sigfox的Unaday,我們可以明顯感受到各技術陣營今年動作頻頻,預期這場競賽在2018年secutech上將會是科技產業熱門的話題之一。


LPWAN現行主要技術

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LPWAN三種主要技術介紹

目前LPWAN中較受關注的三種主要技術中,大概可以從技術使用的無線電頻段分成授權頻段與非授權頻段,使用授權頻段技術為3GPP主導的NB-IoT,採用現有3G/4G網路,主要投入者為電信營運商與相關設備廠商;而使用非授權頻段技術則呈現遍地開花的狀況,大部分不屬於電信領域的ICT廠商都有投入,甚至多方押寶。以下就從2017年LPWAN的發展現況與布局,觀察2018年的未來樣貌。


後來居上的NB-IoT

國內的中華電信與遠傳押注在NB-IoT,讓NB-IoT因此受到矚目。NB-IoT技術是由3GPP主導,同時亦獲得全球三大電信設備商諾基亞、愛立信、華為的支持,加上全球三百多家電信營運商的行動網路佈建率覆蓋全球90%以上的區域與幾十億人口,因此在不用佈建新網路下的情況下,NB-IoT無論是在現有頻段(In Band)、保護頻段(Guard Band)或獨立頻段(Stand Alone)皆可利用軟體升級,在最短時間內讓服務上路。另外,NB-IoT使用電信級網路,所以對於網路品質、訊息安全都有高度保障,在高價貨品追蹤等敏感性較高的應用相對有利。3GPP今年還發表了新的技術規範,讓NB-IoT在包括定位(Positioning)、多點傳送(Multicast)、非標定的PRB(PhysicalResource Block,實體資源區塊)增強、移動性與服務連續性(Mobilityand Service Continuity)、新的功率消耗模式、降低功率消耗與延遲性技術上增強,使NB-IoT的技術競爭力更為完整。


Sigfox優先佈建網路基站

來自法國的Sigfox顯然非常清楚,不管是授權頻段或非授權頻段的競爭對手們,現階段最重要的就是誰先完成網路佈建,誰就取得先機。Sigfox在2017年1月的網路涵蓋到達29個國家地區,包括透過其在台合作的網路營運商優納比(UnaBiz),也於6月時完成六都的網路佈建,並計畫於2018年將網路佈建推進到60個國家。與其他LPWAN技術相較,Sigfox是傳輸速率最低的技術,裝置(TX)跟基地台(RX)之間不需要任何溝通,裝置只要在對的頻率發射訊號(使用SigFox Radio Protocol),基地台便可自行接收訊息。Sigfox定位為物聯網的營

運商,自己掌握核心網路的營運與佈建,強調一個國家地區一個營運商,全球使用同一網路,是此技術最大的特色。

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▲物聯網的應用以最普遍的環境監控來說,可以監控如火山爆發、土石流、雪崩等大型災害,也可以監控家中的溫溼度與PM2.5濃度。


夥伴最多、發展最早的LoRa

由IBM、Cisco帶頭的LoRa可說是目前為止最受產業支持的LPWAN技術,LoRa聯盟主要以贊助會員為主,包括韓國SK Telecom、法國Orange與大陸中興這類電信廠商都有加入,台灣也有許多廠商參與。聯盟中各領域類型的廠商都有,目前亦積極在各地佈建網路,國內就有鴻海旗下的富鴻網於雙北市佈建了500個基地台;另外,正文科技也透過台北市智慧城市產業場域實驗試辦計劃佈建了一個LoRa實驗網路。LoRa表示,2016年有17個國家宣布建網計劃,超過120個城市已有運行網路,受到多個電信營運商支持,亞太電信也在鴻海集團資源的支持下,成立富鴻網串連上下游,正示進軍LoRaWAN領域,並採行類似Sigfox的垂直整合模式,從上游的硬體製造到網路佈建、服務供應一條龍的作法,如果該模式成功,可能會成為物聯網時代領導廠商之一。不過,LoRa在聯盟中的夥伴實力上,晶片廠商算是相對弱勢的一環;與Sigfox相較,其晶片與網路核心技術掌握在發起廠商之一的陞特(Semtech)身上,晶片廠商通常是以MCU搭配Semtech的通訊晶片,或者推出模組的方式來合作。


LPWAN的應用場景與技術要求

物聯網的應用包山包海,每一類應用又因實際狀況的不同而有所差異,以最普遍的環境監控來說,可以監控如火山爆發、土石流、雪崩等這些大型災害,也可以監控家中的溫溼度與PM2.5濃度,完全因使用者需求而定,沒有一定嚴格的標準;而每個LPWAN技術與什麼應用最為速配,就要看技術本身的特性來做搭配。


NB-IoT適合高階應用

NB-IoT採用電信級網路,服務品質有保障,適合高價貨物的追蹤,與消費者直接有關的大規模應用較為適合;另外包括健康/醫療、智慧家庭、公共建設、保全等領域都是3GPP看好的,如家中長輩的健康照護也適合採用NB-IoT,而且這類服務的使用者願意付費。但工業控制、智慧製造、智慧農業等就不太適合。


Sigfox適合大範圍低價應用

Sigfox具傳輸速率低、傳輸範圍廣的特點,適合用在大範圍的環境監控,但該技術每天資料傳輸量有上限,所以以基礎訊息為主,不能傳輸太大量複雜的資訊,比如智慧電表就是很適合Sigfox的應用之一;但最近節能減碳話題升溫,在歐美等地都實施尖離峰差別電價,所以像水表、電表、路燈控制這類應用就很適合Sigfox,部分監測與警報系統如土石流、下水道、國土智慧監測也是Sigfox的目標市場。另外,Sigfox也能與保全業者合作,提供居家保全的入侵警示服務,而智慧停車是大部分LPWAN技術訴求的應用,有低價優勢的Sigfox在智慧停車會有很大的應用市場。


LoRa適合封閉型網路應用

LoRaWAN傳輸距離雖然不若Sigfox,但相對擁有較高的傳輸頻寬,且建設成本與難度都不高,可以保證傳輸訊號的數公里範圍內。台灣的高科技產業有很多工廠,以晶圓廠為例,一個廠區少則1公里,大則10公里上下,而在工廠內則有許多數據需要蒐集,包括溫度、水、氣體與生產數據等,LoRa的頻寬就可以完全負擔這樣的需求。


LPWAN在歷經多年的技術發展與測試應用後逐漸成形,營運商也積極推動建設,為物聯網技術開了一扇門,相信2018年將有更蓬勃的發展。




資料來源: 張淂福(a&s資深技術顧問)

原文出處:《a&s安全&自動化雜誌》

資料來源:法蘭克福新時代傳媒

https://www.asmag.com.tw/

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