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。