低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)(Low Power Wide Area Network, LPWAN)依使用頻段可分為執(zhí)照與免執(zhí)照兩大陣營,免執(zhí)照LPWAN技術(shù)發(fā)展較早,主要技術(shù)為:HaLow、LoRaWAN、Sigfox、Weightless、RPMA等。執(zhí)照頻段則以3GPP主導(dǎo)的NB-IoT為主。
物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用日益多元(圖1),不同于移動(dòng)通訊對于大帶寬、低延遲等傳輸要求,許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用如監(jiān)測空氣質(zhì)量、電表數(shù)據(jù)傳輸?shù)确?wù),數(shù)據(jù)封包小、對于延遲容忍程度較大,同時(shí),在環(huán)境監(jiān)測、管線監(jiān)測等應(yīng)用場景中需要廣范圍布建,或是地處偏遠(yuǎn)、位于地下室、地底等屏蔽較嚴(yán)重的地點(diǎn),既有無線通信或移動(dòng)通訊技術(shù)之傳輸訊號(hào)到達(dá)不易,針對上述應(yīng)用,發(fā)展出具備長距離低功耗的通訊技術(shù),包含用戶許可證頻段的技術(shù),以及運(yùn)作于免執(zhí)照頻段的技術(shù),統(tǒng)稱為低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)(Low Power Wide Area Network, LPWAN)。
免授權(quán)頻段LPWAN技術(shù)
LPWAN技術(shù)依照使用頻段可分為執(zhí)照與免執(zhí)照兩大陣營,其中免執(zhí)照LPWAN技術(shù)發(fā)展較早,目前主要技術(shù)包含:HaLow、LoRaWAN、Sigfox等,除HaLow因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)推動(dòng)較晚導(dǎo)致相關(guān)生態(tài)體系尚未發(fā)展外,其余技術(shù)都已進(jìn)入測試或商用階段,在世界各國已經(jīng)有許多應(yīng)用案例。
Sigfox
Sigfox于2009年由法國同名物聯(lián)網(wǎng)新創(chuàng)公司所推動(dòng),根據(jù)Sigfox公布的資料指出,目前全球已經(jīng)有29國展開Sigfox網(wǎng)絡(luò)布建,包含:荷蘭、西班牙、法國、俄羅斯、英國與美國等,預(yù)計(jì)于2019年拓展至全球60國。技術(shù)規(guī)格方面,傳輸速率約在100bit/s左右,傳輸距離在市區(qū)約10公里,在郊區(qū)則可達(dá)50公里,以上行通訊為主,但也支持下行通訊,采用超窄頻(Ultra-Narrow Band, UNB)技術(shù),使用帶寬僅需100kHz。為降低功耗,Sigfox裝置通常處于閑置狀態(tài),裝置要求網(wǎng)絡(luò)完成傳輸后就會(huì)再次回到閑置狀態(tài)。Sigfox的操作頻段采用免授權(quán)的工科醫(yī)(ISM)頻段,如:美國的902∼928MHz以及歐洲的863∼868MHz。
LoRaWAN
LoRaWAN是由包括IBM、Cisco、Actility等大廠在內(nèi)的LoRa Alliance成員所共同推動(dòng)的通訊協(xié)議,根據(jù)LoRa Alliance報(bào)告顯示,2016年有17個(gè)國家公開宣布建網(wǎng)計(jì)劃,120多個(gè)城市地區(qū)有正在運(yùn)行的LoRa網(wǎng)絡(luò),其中韓國SKT、印度TaTa、荷蘭KPN等已完成或正在進(jìn)行全國網(wǎng)絡(luò)的布建。
在技術(shù)規(guī)格方面,傳輸速率約在30bit/s∼50kbit/s之間,傳輸距離在市區(qū)約2∼5公里,郊區(qū)最長可達(dá)15公里,依據(jù)2015年6月所公布的LoRaWAN 1.0版技術(shù)文件,LoRaWAN同樣采用sub-GHz免授權(quán)ISM頻段,支持雙向傳輸,傳輸方式依據(jù)延遲要求與功耗大小可分為Baseline(Class A)、Beacon(Class B)以及Continuous(Class C)三種等級,其中Class A方式只有當(dāng)終端裝置發(fā)送要求時(shí)才會(huì)進(jìn)行傳輸,功耗最低;Class B可排定時(shí)程進(jìn)行傳輸,終端可于預(yù)設(shè)時(shí)間開啟接受封包傳輸;Class C為持續(xù)傳輸數(shù)據(jù),功耗最大,但傳輸延遲時(shí)間最短。
Weightless
Weightless是由ARM及華為收購之英國物聯(lián)網(wǎng)公司Neul所推動(dòng)的sub-GHz LPWAN通訊協(xié)議,目前以歐洲如英國、丹麥等范圍為主推展其服務(wù)。自2012年開始發(fā)展以來,Weightless共已釋出三個(gè)版本協(xié)議包含Weightless-W、Weightless-N及Weightless-P。
Weightless-W為最早發(fā)展的版本,主要使用電視空白頻段(TVWS)傳輸數(shù)據(jù),但因各國TVWS釋出發(fā)展進(jìn)程存在顯著差異,導(dǎo)致發(fā)展受限。Weightless-N版本改采sub-GHz免執(zhí)照頻段,傳輸速率為30∼100kbit/s,傳輸距離約為5公里,Weightless-W及Weightless-N僅支持單向傳輸,但在最新Weightless-P版本開始支持雙向通訊,傳輸速率約在100kbit/s左右,傳輸距離最長為2公里。
HaLow
2010年由IEEE開始發(fā)展的HaLow,其成立背景是因?yàn)閃i-Fi技術(shù)雖在無線數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域獲致相當(dāng)大的成功,然當(dāng)前Wi-Fi主流標(biāo)準(zhǔn)802.11n及802.11ac在功耗及傳輸距離的表現(xiàn),尚未符合低功耗、長距離與數(shù)據(jù)流量少的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景要求,尤其在物聯(lián)網(wǎng)傳輸環(huán)境中大量裝置的鏈接維護(hù)以及信息回傳處理,使既有Wi-Fi技術(shù)面臨挑戰(zhàn)。
因此,IEEE在Wi-Fi技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖上規(guī)劃802.11ah標(biāo)準(zhǔn),采用1GHz以下低頻頻段,用來實(shí)現(xiàn)低功耗、長距離無線網(wǎng)絡(luò)鏈接,802.11ah Draft 9.0已于2016年9月完成,于2016年12月完成標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)核定(IEEE-SA Standards Board APProval)程序。
此外,Wi-Fi Alliance已于2016年1月在美國舉辦的CES展會(huì)上將802.11ah標(biāo)準(zhǔn)正式命名為“HaLow”,根據(jù)IEEE規(guī)范,HaLow使用1GHz以下不包含TVWS的免執(zhí)照頻段,頻道帶寬可分為1MHz、2MHz、4MHz、8MHz及16MHz,傳輸速率至少為1Mbit/s,傳輸距離最長可達(dá)1公里。
RPMA
RPMA(Random Phase Multiple Access)自2008年起由Ingenu公司推動(dòng),獲得如美國通用電氣(General Electric)等廠商所支持,以美國為中心展開布建,預(yù)計(jì)2017年完成全美30個(gè)城市網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。RPMA是目前唯一使用2.4GHz ISM頻段的LPWAN技術(shù),透過增加接收靈敏度等技術(shù),補(bǔ)足高頻在傳輸特性上的弱點(diǎn)。相較于其他LPWAN技術(shù)所使用的sub-GHz免執(zhí)照頻段,依地區(qū)、國家頻段范圍略有差異,2.4GHz為全球統(tǒng)一頻段,利于裝置規(guī)模制造與服務(wù)普及。
授權(quán)頻段LPWAN技術(shù)-NB-IoT
使用執(zhí)照頻段的LPWAN技術(shù),以3GPP推動(dòng)的NB-IoT為代表,是3GPP因應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用趨勢而發(fā)展的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一。NB-IoT相關(guān)研究自2014年9月3GPP成立FS_IoT_LC工作項(xiàng)目后,展開支持超低復(fù)雜度與低流量物聯(lián)網(wǎng)的蜂巢網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究。
2016年6月公布核心標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,目前除RAN及終端測試規(guī)范尚未完成外,Release 13的NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)已大致底定。NB-IoT以既有的LTE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),但大幅刪除及簡化相關(guān)規(guī)范,以滿足頻譜使用效率、低成本等要求,如不支持語音服務(wù)、電路回退交換等功能,并導(dǎo)入新的節(jié)電機(jī)制eDRX,延長裝置空閑時(shí)間以達(dá)到低功耗要求,且可使用既有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,降低在布建上對既有網(wǎng)絡(luò)的沖擊,達(dá)成快速布建與商用之目標(biāo),縮短與其他LPWAN技術(shù)商用起步時(shí)間的落差。
產(chǎn)業(yè)應(yīng)用 兵家必爭
LPWAN由于具有低功耗與長距離的優(yōu)勢,因此適用于需要廣范圍布建且傳輸數(shù)據(jù)量小的應(yīng)用領(lǐng)域,就目前LPWAN業(yè)者提供的服務(wù)現(xiàn)況而言(圖2),可歸類為資產(chǎn)追蹤、停車管理、環(huán)境監(jiān)測、智能讀表系統(tǒng)等四大領(lǐng)域。
資產(chǎn)追蹤
資產(chǎn)追蹤方面,Sigfox與新創(chuàng)公司Capturs合作推出GPS位置追蹤服務(wù),提供運(yùn)動(dòng)愛好者在偏遠(yuǎn)地區(qū)或長距離的定位信息,亦展開公益計(jì)劃如贊助比利時(shí)之南極洲伊麗莎白公主研究站利用搭載GPS與Sigfox技術(shù)之裝置實(shí)時(shí)追蹤人員移動(dòng)與裝備位置。LoRa在資產(chǎn)追蹤的相關(guān)應(yīng)用,如布魯塞爾機(jī)場在飛機(jī)貨運(yùn)車上利用LoRa Sensor,對貨車實(shí)施遠(yuǎn)距監(jiān)控與調(diào)配運(yùn)用;在澳洲,衛(wèi)星業(yè)者Immarsat利用GPS及LoRa網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控牧場中的牛群與水源等。
停車管理
停車管理應(yīng)用部分,在比利時(shí)阿爾斯霍特市政府于停車位上布建LoRa Sensor,駕駛?cè)丝赏高^Smart Parking APP搜尋距離最近的停車場與車位。Vodafone利用800MHz頻段的商用LTE網(wǎng)絡(luò),在西班牙馬德里的Vodafone Plaza進(jìn)行智能停車應(yīng)用服務(wù)測試,透過停車傳感器偵測停車格狀態(tài)。華為與中國聯(lián)通在上海測試NB-IoT的智能停車服務(wù),車主可遠(yuǎn)程查詢與預(yù)訂車位,提高車位利用率。
環(huán)境監(jiān)測
環(huán)境監(jiān)測方面,英國由物聯(lián)網(wǎng)新創(chuàng)公司Nwave與英國數(shù)字經(jīng)濟(jì)技術(shù)與創(chuàng)新中心(Connected Digital Economy Catapult)合作,以Weightless-N技術(shù)為基礎(chǔ)在倫敦布建智慧城市網(wǎng)絡(luò),提供空氣污染監(jiān)測。Ingenu與Libelium、PTC合作利用RPMA網(wǎng)絡(luò)搜集城市中空氣質(zhì)量信息進(jìn)行分析。
智能讀表系統(tǒng)
智能能源表相關(guān)應(yīng)用,韓國SKT與SK E&S合作在首爾、釜山與光州等三個(gè)城市測試運(yùn)用LoRa網(wǎng)絡(luò)的瓦斯先進(jìn)讀表系統(tǒng),提供自動(dòng)讀表與偵測瓦斯漏氣等服務(wù)。Sigfox與法國電力與天然氣供貨商ENGIE子公司ENGIE M2M布建Sigfox Smart Meter于建筑物中,協(xié)助用戶能源使用管理。Vodafone以及瑞士模塊廠商u-blox共同在西班牙蒙卡達(dá)完成NB-IoT前標(biāo)準(zhǔn)(Pre-Standard)商用測試,以U-blox模塊搭配華為子公司Neul所開發(fā)之NB-IoT芯片嵌入智能水表中,使水表能夠接入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò),透過窄頻通訊達(dá)成遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表作業(yè)。
LPWAN商業(yè)模式
探討以LPWAN提供物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的業(yè)者其營運(yùn)模式與收費(fèi)方式,以Sigfox為例,其目標(biāo)在于建立一個(gè)全球統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò),類似營運(yùn)商eSIM的概念,基本上用戶可在全球范圍下使用Sigfox服務(wù)而不需考慮漫游問題。Ingenu亦與Sigfox采用類似作法,透過專屬授權(quán)給不同地區(qū)的業(yè)者進(jìn)行布建與經(jīng)營RPMA網(wǎng)絡(luò),如新創(chuàng)公司IoTOz取得澳洲、紐西蘭的網(wǎng)絡(luò)授權(quán)。LoRaWAN目前在各國營運(yùn)方式大致上分為兩種類型,第一,與當(dāng)?shù)貭I運(yùn)商合作,由LoRa Alliance提供技術(shù)與產(chǎn)品認(rèn)證。第二,由制造商自行架設(shè)基地臺(tái),提供應(yīng)用服務(wù)。
LPWAN的收費(fèi)模式可歸納為裝置/服務(wù)綁定、服務(wù)費(fèi)與通訊費(fèi)等三種類型(圖3)。裝置/服務(wù)綁定方面,如法國業(yè)者Capturs的GPS裝置定價(jià)包含硬設(shè)備及Sigfox通訊費(fèi)用。服務(wù)費(fèi)部分,韓國業(yè)者Sparcosa的LoRa追蹤器需要用戶額外添購一個(gè)月5美元的服務(wù)費(fèi)用。通訊費(fèi)方面,如Sigfox提供范圍從1美元/月到1美元/年的資費(fèi)方案,依照用戶鏈接的裝置數(shù)量進(jìn)行個(gè)案調(diào)整。
免執(zhí)照LPWAN在歷經(jīng)多年技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用測試后,目前服務(wù)供應(yīng)與收費(fèi)方式已逐漸成形,使用執(zhí)照頻段的NB-IoT也在3GPP的推動(dòng)下加速標(biāo)準(zhǔn)制定,營運(yùn)商亦積極推動(dòng)建設(shè),預(yù)期LPWAN商用服務(wù)于2017年更加蓬勃開展。