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萬物聯網,淺談IoT低功耗廣域網路趨勢

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文、蕭佑和 Nick

 

 

       物聯網(Internet of Things;縮寫IoT),指的是物物相連,每個裝置都可以透過網路來互相交換訊息。IoT這個概念不算太新的名詞,早在1995年比爾蓋茲的《未來之路》一書中,就首次提到了物聯網的概念。

 

        然而,當年受限於技術瓶頸,IoT產業一直沒有好好發展起來。直到近年雲端運算、雲端儲存成本降低,以及大數據、AI等技術應用的提升,再加上終端連網數量不斷的增加,IoT產業才終於在過去幾年大鳴大放了起來。

 


 

ㄧ、IoT產業價值鏈

 

       物聯網的架構可以分成三個不同的層次。第一層為感測層,也就是物聯網裡的「物(Things)」,由可以感測訊號的裝置組成,用以監控所在位置的物理或環境狀況,例如影像、溫度、濕度、動作、壓力感測等。

     

       第二層為網路層,包含無線或有線的網際網路,用以提供可靠的網路傳輸功能。每一個裝置都具有IP位置,可以將裝置蒐集來的資訊,整合到物聯網的資料管理中心。

 

       第三層為應用層,物聯網經濟將近80%的商機來自於此。當我們將第一層的「物」透過第二層的「網路」連結起來後,就可以來思考不同領域的應用了。例如:智慧家庭、智慧城市、智慧零售、智慧電網、智慧醫療、穿戴式裝置等。

 

 

 


 

二、LPWAN備受關注

 

        其中,在第二層的網路層中,低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network;縮寫LPWAN)之新興無線通訊技術逐漸受到關注,能大幅擴展物聯網的應用情境,而「SIGFOX」、「LoRa」、「NB-IoT」均為LPWAN技術之一種,也正是LPWAN技術中市場滲透率最高的技術。

 

 

      不同於傳統的Wi-Fi、Bluetooth等短距離通訊協定,LPWAN因為具有低耗電、低速度、低資料量、低成本等特性,因此非常適合用在智慧能源、智慧城市、智慧農業,例如海上油井設施、停車位管理、農場牛隻追蹤、魚塭水質監控、土石流監控等低頻次資料傳輸的應用場域。

 

        在LPWAN技術中,又可以分成授權頻段(License Band)與非授權頻段(Unlicense Band)來介紹。

 

 

 

      採用授權頻段技術的為3GPP(3rd Generation Partnership Project)主導的NB-IoT(Narrow Band IoT),其採用現有的3G/4G網路,主要投入為電信營運商及相關設備廠商。

 

       例如,遠傳電信在2017年底就宣布推出NB-IoT 物聯網服務,並祭出前50 個合作夥伴免費導入NB-IoT 服務,以及最低每個⽉月租費10 元的「銅板價」收費標準,成為台灣第一家電信級的物聯網服務公司。

 

        至於非授權頻段,就呈現了遍地開花的狀況,大部分不屬於電信領域的ICT廠商,都會選擇投入這邊,主要的代表技術正是SIGFOX與LoRa。

 

      它們都採用了ISM頻段(Industrial Scientific Medical Band),這是一種各國開放給工業、科學及醫學機構使用的頻段。它們無須許可證及費用,只需要遵守一定的發射功率(一般低於1W),不要對其他頻段造成干擾即可。

 

 

以下分別簡述LPWAN三大技術:LoRa、SIGFOX、NB-IoT。

 


 

三、SIGFOX技術簡介

 

       SIGFOX是由2009年創立的法國公司SIGFOX所開發,該廠商從2012年開始推展IoT無線服務業務。

 

        與其他LPWAN技術相較,SIGFOX是傳輸速率最低的技術,速度僅100bits/s,且每個裝置一天最多只能傳送140則訊息,每則訊息最大的容量為12bytes。由於降低了資訊傳輸量,因此就能大幅節省了物聯網裝置的電力消耗。例如,水錶、電表、路燈控制這類的應用,由於流量回報頻率每小時低於一次,就很適合SIGFOX應用。

 

       以SIGFOX的智慧水錶應用為例,基本上水錶裝置僅上傳數據,不接收訊息。在沒有進行數據傳送的時候,水錶裝置就會處於休眠狀態,因此一顆三號電池就能夠使用十年。

 

        SIGFOX最大的特色在於建立一個全球共同的IoT網路,再透過各地特許的網路營運商SNO(SIGFOX Network Operator)提供服務,原則上單一地區由單一業者負責(例如,台灣特許營運商為UnaBiz)。

 

        從下圖可知,SIGFOX所提供的服務並非僅有網路連線,客戶也可以選擇SIGFOX雲端服務。這麼一來,企業便無須擔心網路與資料儲存空間等基礎設施的建構,可以更專注於IoT服務的開發。

 

 

 

        隨著LPWAN競爭越來越激烈,SIGFOX現階段最重要的目標莫過於基地台佈建了,目前全球已有32國推動佈建,例如法國、英國、西班牙、德國、荷蘭、美國等,並計畫於2018年將網路布建推進到60個國家。

 

      SIGFOX技術雖然不像LoRa有許多ICT大廠投入、也不如NB-IoT獲得市場廣泛注意,但由於SIGFOX上游技術IP免費授權的策略,吸引了許多廠商加入SIGFOX生態系,包含上游的晶片、模組製造、系統整合、專業代工設計與生產、平台服務、通路等等。

 

       目前SIGFOX已有71個設備製造夥伴、49個IoT平台供應商、8家晶片供應商、15個模組廠商、30家軟體與設計服務業者,以及4個育成/創投業者。其中晶片供應商包括德州儀器(TI)、意法半導體(ST)、芯科(Silicon Labs)、安森美(On-Semi)、恩智浦(NXP)、Ethertronics、Microchip與雲創通訊(M2Comm)。

 


 

四、LoRa技術簡介

 

      LoRa是美國半導體製造商Semtech藉由其併購的法國公司Cycleo所開發的無線通訊技術LoRa,在這個基礎上與IBM合作完成規範,並由Semtech、IBM、Cisco為核心所組成的LoRa聯盟推動相關發展,目前擁有500多家會員,可說是當前最受產業支持的LPWAN技術。

 

       不同於SIGFOX由SNO獨家提供網路的商業模式,LoRa採用如Wi-Fi般,任何人都能自行設置基地台(Wi-Fi access point)來建置網路環境的模式。

 

       雖然LoRa的傳輸距離沒有SIGFOX遠,但因其具有較高的傳輸頻寬,且在數據傳輸上更具彈性,除了能像SIGFOX進行單向傳輸的省電通訊外,亦可執行一定程度的數據交換,因此特別適合用在智慧工廠應用上。

 

        以晶圓廠為例,一個廠區少則一公里,大則十公里上下。透過一個封閉的LoRa網路,先在廠區內蒐集完各節點的生產數據後,再透過更大範圍的NB-IoT網路或者是現有的4G LTE網路傳送到雲端,將各個廠區的數據進行統整分析,就會是智慧製造非常有用的資訊。

 

       此外,LoRa也是除了NB-IoT之外,唯一吸引電信營運商投入的LPWAN技術。目前有許多家電信業者皆導入了LoRa,作為提供IoT通訊服務的基礎。例如法國的Orange、荷蘭的KPN、印度的Tata等國際大型營運商。

 

        在台灣市場,亞太電信亦積極佈局LoRa,在鴻海集團資源的支持下,由富鴻網串連起產業上下游,從硬體製造到網路布建,提供一條龍的服務。目前富鴻網已在雙北市建置了500個LoRa網路基地台,基本上已經覆蓋北台灣的人口稠密區。

 

      不過,LoRa在目前500多個聯盟會員中,晶片廠商算是相對弱勢的一環。LoRa雖然積極與晶片商合作,但其網路核心技術還是掌握在發起廠商之一的陞特(Semtech)身上,晶片廠商要合作通常是以MCU搭配Semtech的通訊晶片,或者以模組的方式推出,談判能力相對較低。

 


 

五、NB-IoT技術簡介

 

        雖然與SIGFOX、LoRa等其他LPWAN技術相比,NB-IoT技術發展起步較晚。不過,由於它是由國際電信標準制定組織3GPP所支持,針對IoT所打造的電信級網路,對於網路傳輸品質、數據安全都有更高的保障,再加上建置成本較低,電信商不用大幅更改現行的4G LTE電信網路架構,就能快速部署,因而備受各國電信商所支持。

 

       在應用領域方面,由於NB-IoT採用電信級的網路,服務品質有保障,因此更適合高價貨物的追蹤,或是與消費者有直接關聯的應用。例如,家中長輩的健康照護就很適合採用NB-IoT,但工業控制、智慧製造、智慧農業等就不大適合。

 

       就台灣市場而言,從2017年下半年開始,國內三大電信業者遠傳、中華電信、台灣大哥大皆紛紛積極佈局NB-IoT。國內晶片廠商聯發科也推出了第一款支援NB-IoT的物聯網通訊晶片,要來搶攻NB-IoT裝置市場,可以應用在包括穿戴式裝置、物聯網安全感測器、智慧電表,以及各種工業應用上。

 

        NB-IoT技術在全球獲得三大電信設備商諾基亞(Nokia)、愛立信(Ericsson)、華為支持,並在亞洲、歐洲、美洲等區域已開通實驗網,預計到2018年全球至少超過30家營運商會投入營運,摸索出市場可接受的商業模式。

 


 

六、結論

 

        LPWAN的特性在於低功耗、長距離、低傳輸量、低成本。然而,LPWAN也並非萬能,無法取代所有無線的傳輸應用,例如高速傳輸需求、即時性的應用就需要仰賴其他傳輸技術。

 

       而以現行LPWAN三大技術SIGFOX、LoRa、NB-IoT的競爭態勢來看,我個人認為,這三大技術不論在功耗、傳輸距離、應用場域上各有擅長,因此很難說誰會被誰取代。在我看來,這三大技術在未來幾年更可能會依不同的應用場域來做交叉應用。

 

      例如,雖然NB-IoT備受看好,有不需重新布建網路的特性,產業鏈也與現有的電信網路產業一致,但NB-IoT的每一個節點都要裝上SIM卡收費,以發展智慧家庭來看,若家中的每一台電視、冰箱、洗衣機等電器用品都要付錢給電信公司,我想這在商業模式上好像不大實際。

 

        因此,更有可能的做法,應該是在區域網路先採取LoRa、Wi-sun這類型的通訊協定,待資料統一傳輸到一個點後,再一起以NB-IoT、LTM將資料傳輸出去,這樣的做法我想會更make sense。

 

 

 

參考資料

1. Digitimes,2017,LPWAN低功耗特性 協助生命週期長應用降整體維運成本,最後搜尋日期:2018年1月27日。

2. John Greenough,2014,Here Are The Four Key Elements That Will Make The ‘Internet Of Things’ An Absolutely Massive Market,最後搜尋日期:2018年1月24日。

3. MIC,2017,LPWA快速商用對IoT發展的影響,資策會MIC。

4. MIC,2017,藉實驗了解LPWA的真正優勢,資策會MIC。

5. 台北訊,2017,研華、優納比佈建台灣首座Sigfox通訊網絡,最後搜尋日期:2018年1月27日。

6. 曲威光,2014,雲端通訊與多媒體產業,台北,台灣:全華圖書。

7. 余至浩,2017,【2018關鍵趨勢9:NB-IoT】三大電信競推電信物聯網,NB-IoT點燃臺灣5G前哨戰,最後搜尋日期:2018年1月23日。

8. 李一詩,2017,物聯網重點技術 LPWAN 解析,6大主要技術、各家優勢與產業發展、商業模式與智慧城市應用,最後搜尋日期:2018年1月23日。

9. 林淑惠,2017,遠傳IoT服務商轉 祭銅板價,最後搜尋日期:2018年1月26日。

10. 張豐丞,2017,LPWA技術發展百花齊放,NB-IoT全面搶進物聯網,最後搜尋日期:2018年1月26日。

11. 曾巧靈,2017,NB-IoT產業鏈發展動態與應用案例,資策會MIC。

12. 程倚華,2017,鎖定失智長照需求 遠傳力推NB-IoT應用服務,最後搜尋日期:2018年1月26日。

13. 陸向陽,2015,NB-IoT揭露更多LTE物聯網技術細節,最後搜尋日期:2018年1月23日。

14. 廖專崇,2017,LPWAN陣營爭相圈地 NB-IoT/LoRa/Sigfox大亂鬥,最後搜尋日期:2018年1月26日。

15. 蘇元和,2017,IoT服務崛起 NCC完備LoRa、SigFox、NB-IoT檢測規定,最後搜尋日期:2018年1月23日。

 

 

文章轉載自「大和有話說」blog,已取得作者授權同意,原文網址:https://goo.gl/Xv485F

 

 

 

 

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