LPWAN是物聯網被談論多年之後, 萬物聯網最具體的實現. 由於對於影音, 數據傳輸, 即時消息等沒有過於複雜的要求, 學者相當看好物聯網裝置數量的成長, 並預估聯網裝置數量將在2021年累積高達280億個, 其中的150億是物聯網裝置. 面對此一趨勢, 產業界也興起一波投入熱潮, 希望能快速布局搶佔商機.
無線通信領域的發展相當迅速, 二十年來, 從行動電話問世到現在已經在討論第五代標準. 而在5G正式上路之前, LPWAN提供產業持續前進的動力, 由於LPWAN相關技術難度不高, 所以許多低功耗長距離的技術陸續被提出. 根據愛立信行動趨勢報告(Ericsson Mobility Report)的預測, 2023年具備有LPWAN能力的物聯網裝置將超過40億台.
目前備受注目的LPWAN技術為LoRa, Sigfox, NB-IoT. 就LPWAN業者提供的服務現況而言, 大致可歸類為智能讀表系統, 停車管理, 資產追蹤, 環境監測等四大領域, 表1列舉出數個國際上採用LPWAN技術進行物聯網相關應用的案例.
LoRa技術屬於非授權頻段(Unlicense Band), 數據傳輸在1GHz以下. 基於線性Chirp Spread Spectrum(CSS)擴頻調製, 在相同頻率下, 不同擴頻序列的終端設備也不會互相干擾. 而伴隨著應用場景的改變, 終端設備的工作模式亦可以隨之調整成三種不同的傳輸方式: ClassA, ClassB, ClassC, 以滿足不同應用的需求.
而Sigfox技術同樣為非授權頻段, 其傳輸速率最低僅100bits/s, 每個裝置每天最多隻能傳送140個訊息, 而每個訊息酬載(Payload)最大至12bytes. 裝置只要使用Sigfox Radio Protocol, 在對的頻率發射訊號, 基地台會自行接收訊息, 裝置(TX)跟基地台(RX)之間不需要任何溝通.
另一方面, NB-IoT技術屬於授權頻段(License Band), 大幅改善了物聯網技術LPWAN在大量布建下所產生的聯機碰撞問題. 操作模式可分為三種, 第一種為NB-IoT的載波獨立於原先LTE的操作頻段(Stand-Alone Mode), 第二種為在原先LTE載波間的保護頻段(Guard Band)塞入NB-IoT的操作載波(Guard-Band Mode), 第三種為在運營商所使用的LTE載波中切割出給NB-IoT操作的載波頻段(In-Band Mode).
聯網技術各臨挑戰
LoRa, Sigfox, NB-IoT各有優勢, 以下針對技術的現況進行說明, 並探討這些技術優勢將為LoRa帶來哪些發展上的挑戰.
. LoRa大張旗鼓
LoRa是最受產業支援的LPWAN技術, 由IBM, Cisco領軍, 組成LoRa聯盟. 聯盟中各領域的廠商雖然類型不同, 但都有著成為物聯網時代領導廠商的共同目標. 使得聯盟自2015年3月成立以來, 會員快數增長, 已高達460個. LoRaWAN尤其受到電信營運商支援, 韓國SK Telecom, 法國Orange, 大陸中興電信等, 而台灣的亞太電信也在鴻海集團資源的支援下, 成立富鴻網進軍LoRaWAN領域. 目前已超過120個城市有網路運行, 而富鴻網於台灣的台北市與新北市布建了500個基地台. 然而, 聯盟中晶片相關的廠商還是比較弱勢的一環, 由於LoRa網路核心技術掌握在Semtech身上, 晶片廠商若想展開合作關係, 通常是以MCU搭配Semtech的通訊晶片, 或者推出模組的方式.
. Sigfox搶灘登陸
Sigfox是由法國網路營運商Sigfox所自行研發的技術, 擴大建置網路, 比其他競爭對手更快的搶下市場, 是這家新創公司所採取的策略. 目前, Sigfox全球網路覆蓋已達32個國家, 明年有望完成60個國家的基礎布建. Sigfox上遊技術IP免費授權, 輔以垂直整合模式, 從上遊的硬體製造到網路布建, 服務供應一條龍的作法, 吸引許多廠商加入其生態系統. 設備製造夥伴已經有71家, IoT平台供貨商有49家, 晶片供貨商8家, 模組廠商15家, 軟體與設計服務業者30家與育成/創投業者4家. 其中晶片供貨商包括德州儀器(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).
智能停車是導入LPWAN技術應用的重點之一, 可以預見的是此應用很快會掀起一波價格戰, 而Sigfox的低價化優勢, 且技術最為簡單, 有可能在短時間內達到終端晶片2美元的目標, 預計能搶下部分市場. 另一方面, Sigfox亞洲營運商優納比已於今年10月公布收費標準, 月租費介於新台幣2元到22元之間, 使台灣成為Sigfox全球收費最便宜的市場, 勢必為LoRa帶來挑戰.
. NB-IoT蓄勢待發
NB-IoT是由國際電信標準制定組織3GPP所推廣的新一代物聯網無線通信技術, 不僅有較高的數據傳送率, 還有較大的數據傳送量, 此外基於授權頻段而有較佳的傳輸質量. 而技術採用原先蜂巢網路的加密設計, 因此在訊息的傳送上, 具有更高的安全性. 儘管NB-IoT今年才完成標準制定, 最快明年才會正式推出商業應用, 但也獲得不少企業力挺, 如英國電信商Vodafone等, 有機會在2018年領導LPWAN市場, 是LoRa較勁的對手.
聯網技術應用各有優勢
隨著智能城市的公用事業IoT應用如水表, 煙霧偵測器, 加油箱等規模持續增長, 增加了更多需要設備與設備間的小量數據且遠距無線傳輸用途的應用需求. 物聯網的應用範圍將日益擴大, 但是應用的情況會隨著建置場域的不同而有所差異.
. LoRa成本低
LoRa技術是一種採用免許可頻段的IoT無線通信技術, 具備有能實現長距離且低功耗的傳輸特性, 包括了傳輸距離可涵蓋至十多公裡的範圍, 而靠著裝置內建的電池可維繫10年以上的使用時間, 對於企業安裝部署所需負擔的成本也較低.
荷蘭電信巨頭KPN僅透過在原有的3G/4G電信基地台加裝數百個LoRa無線通信基地台, 就成功打造一個能涵蓋全國戶外的LoRa物聯無線感測網路, 至少提供包括道路照明, 交通號誌, 煙霧報警器, 廢棄物管理及移動追蹤等用途之150萬個IoT裝置使用. 另外南韓最大電信商鮮京電信也在大邱市提供LoRa網路之商用IoT服務. 就連台北市, 紐約等城市也陸續布建LoRa網路來打造IoT應用.
Atilze Digital在2017年4月底宣告在馬來西亞布建第一個LoRa網路, 並使用LoRaWAN的技術建置25個LoRa Gateway, 預計在2020年時提供3億多的LoRa組件連上網路. Atilze Digital提供聯網車載, 進階駕駛協助系統(ADAS), 智能城市, 智能農業, 智能家庭等物聯網服務. SK Telecom在今年9月利用LoRa技術在車輛行駛管理系統, 將車輛行駛情況回報系統. SK Telecom的LoRa物聯網系統結合LTE-M的技術, 提供在電錶, 追蹤系統, 監控系統, 安全系統, 工廠及建築的服務. 圖1為SK Telecom用在追蹤系統的平台. 如圖所示, 追蹤功能的組件透過LPWA技術連接到DCU上, 且由ThinkgPlug平台來做組件控制. 如圖2所示, ThinkPlug平台藉由oneM2M技術來提供管理者可以透過Web介面來控制組件. SK Telecom也利用LoRa技術在印度尼西亞提供車輛位置追蹤系統, 智能電錶等服務. SK Telecom也預計在2018年在印度提供由SK Telecom的ThingPlug物聯網平台建置的電視服務. 圖3為SK Telecom利用LoRa物聯網平台提供在安全系統以及智能工廠和智能建築的服務. 如圖所示, SK Telecom利用在安全系統或是工廠機器人上布建大量的感測器, 透過感測器組件所發出的Beacon來溝通, 再透過LoRa組件收集感測器的資訊, 利用LoRa或是WiFi網路將資訊傳遞到後端SK Telecom系統的伺服器, 管理者可以透過SK Telecom的EHS平台來監控系統.
圖1 SK Telecom用在追蹤系統的LoRa平台
數據源: SK Telecom網站
圖2 ThingPlug平台 數據源: SK Telecom網站
圖3 SK Telecom用在安全系統和智能工廠及智能建築的LoRa平台 數據源: SK Telecom網站
除了傳統運營商投入LoRa服務, 市面上投入LoRa系統解決方案的廠商很多, 如圖4所示, LoRa產品鏈的廠商能提供LoRa組件的晶片產品等服務.
圖4 LoRa網路的產品鏈 數據源: IDS網站
LoRa雖然可用在許多物聯網系統上, 而被越來越多業者採用, 但是LoRa也有在使用上的利弊. 如圖5所示, 要如何將LoRa網路和現有建置的IT環境無縫整合也是一個影響LoRa建置的議題. LoRa網路如何和舊有環境和未來新建置的環境結合, 如何能管理這些系統, 如何能提供系統的安全性, 也是待解決的問題, 尤其是這些物聯網組件因為低成本及低複雜度, 這些LoRa物聯網組件提供的安全機制遠低於現有計算機和手機系統能提供的安全性, 因為缺乏安全機制設計, 更容易在被駭入後被拿來做大量的網路攻擊(DDoS); 而且因為布建LoRa系統在智能家電上會更接近用戶的生活, 造成的資安問題將會更嚴重. 有許多業者採用LoRa系統來提供智能工廠的服務, 但安裝在機器上的物聯網感測系統被駭入後, 則會還有工廠安全的問題要考慮. LoRa物聯網系統因為低成本, 低功耗, 廣域傳輸, 組件可以長時間使用(超過十年壽命)等優點, 能在初期提供快速的自動化智能管理的建置, 但布建後衍生的安全漏洞也是一大問題.
圖5 LoRaWAN Business和IT的風險分析 數據源: IDC網站
. Sigfox宜大範圍監控
Sigfox最大的特點在於傳輸速率低, 傳輸範圍廣泛, 相當適合發展大範圍的環境監控. 不過該技術的數據傳輸量有每日上限, 不能傳輸龐雜的訊息. 以基礎訊息為主, 流量回報頻率低, 每小時僅需回報一次的應用, 如水表, 電錶, 路燈等智能控制, 就適合採用Sigfox技術. 然而, 歐美等地近期為響應節能減碳, 紛紛實施尖離峰差別電價, 流量回報頻率將提高至每15分鐘回報一次. 如此密集的傳輸頻率, Sigfox技術就無法負荷. 而Sigfox核心網路的營運與布建都掌握在法國網路營運商Sigfox, 並強調一個國家地區一個營運商, 全球同一網路, 某種程度也是發展的一大阻礙, 因為少了電信商的支援, Sigfox要進入消費性的物聯網市場難度恐將更為提升.
. NB-IoT佔先機
NB-IoT因採用授權頻譜, 可具備運營商級的安全和QoS保證, 且支援現網升級, 勢必可在最短時間內搶佔市場. NB-IoT技術最適合運用在需要頻繁傳輸且具較短的下行延遲(Downlink Delay)之應用.
但是, NB-IoT的部署成本是高於其他LPWAN技術, 其硬體成本較高, 電池壽命的損耗較大, 裝置消耗的功耗是LoRa裝置的5倍多. 而目前市場上IoT裝置多數是以數據傳輸為用途, 例如: 水表, 感測器等. 因此, 即使NB-IoT開始發展商業應用, 還是難以取代LoRa的裝置. LoRa技術成熟度領先NB-IoT約一~ 二年, 若可以利用這不到兩年的時間好好發展, 把握這拉開差距的最佳時機, 或許就可以搶佔先機, 並藉此在市場上取得一席之地.
各技術合作截長補短
智能城市的發展已如火如荼的進行著, 而不久的將來, 身為台灣經濟重心的科技園區, 勢必會導入物聯網的技術, 搜集工廠內的數據, 例如: 溫度, 水, 氣體, 進行環境監測來提高產能以實現智能製造. 雖然LoRa的數據傳輸距離沒有Sigfox來得遠, 但是相對擁有較高的傳輸頻寬, 是技術選擇的首選. 以佔地十公裡的晶圓廠為例, 在廠區內搭建一個封閉型的LoRaWAN, 建設成本與難度都不高. 企業將廠區所搜集到的數據, 可採用透過更大範圍的NB-IoT網路或者現有的4G LTE網路傳送到開放的雲端或私有雲, 將整合多個廠區的數據進行彙整分析. 正如同LoRa標準創始人Olivier Hersent所言: LoRa和NB-IoT並不存在競爭關係, 而是將會發展成為如同Wi-Fi和LTE的合作關係, 彼此共存. 然而LoRa也有如何將LoRa網路和現有建置的IT環境無縫整合, 以及如何能管理這些系統, 如何提供系統的安全性等待解決的問題, 尤其是物聯網的裝置若在缺乏安全機制的設計下, 更容易引發嚴重的資安問題.