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Sigfox、LoRa、NB-IoT一探物聯網世代的無線傳輸技術
 
無線通訊技術是物聯網的傳輸基礎,隨著智慧城市大應用成為熱門發展,各種技術推陳出新,紛紛搶佔IoT市場。在LPWAN技術裡,最熱門的莫過於LoRa、Sigfox和NB-IoT。在IoT趨勢中,這三種技術各自具有什麼優勢?誰才會是你專業領域的最佳拍檔?
 
撰文:編輯部
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物聯網、大數據、AI人工智慧這幾個詞彙,相關產業人員想必嫻熟於心。在IoT的技術架構中,「感測」是最基礎的核心源頭,無論在農業、工業、建築、交通、醫療等領域,要讓感測到的數據透過AI分析,進而形成相關應用,首先必須部署適合的傳輸技術與網域,才能蒐集並回報巨量的環境數據。

在無線通訊技術裡,WI-FI、bluetooth、ZigBee、Z-Wave這幾項較早推出的應用已經於不同領域中奠定發展基礎。WI-FI適用於大資料量的傳輸,比如影音傳輸或者AR/VR等領域,同時也是一般無線網路的基礎,缺點是耗電量大;藍牙多用於個人穿戴式裝置,在聲音領域的應用較為成熟;ZigBee和Z-Wave則是在工業、建築等自動控制應用中成果豐碩。

長距離+省電特性,LPWAN解決物聯網傳輸難題
談到無線網路,大家腦中想到的,除了WI-FI之外,大概就是手機的移動式通信網路了。如今的通訊技術即將邁入5G,講求更大頻寬、更高速率、更低延遲,當然也更耗電,由於是對應人與人之間的通訊,因此資料傳輸較密集、交換量也更為龐大。針對M2M的通訊,由於裝置的部署範圍通常更寬廣,且無線裝置必須避免頻繁更換電池,LPWAN(Low Power Wide Area Network,低功耗廣域網路)技術順勢而生,其小資料量、長距離傳輸及省電的特性,在物聯網應用領域中大放異彩。

較早期的無線傳輸技術,如WI-FI、ZigBee和Z-Wave,通訊傳輸距離頂多只有100公尺,用在智慧家庭領域,必須再加裝訊號加強的天線或中繼站。若是要滿足智慧城市的相關應用,例如環境監測或資產追蹤,傳輸距離可達20公里的LPWAN技術顯然能大幅縮減佈建成本,只要幾個機站就能覆蓋大面積的範圍;以電池作為電力來源,則省略了佈線問題,讓感測器的安裝步驟更簡易。目前最受關注的LPWAN技術分別是LoRa、Sigfox和NB-IoT,這三種技術具有各自的優勢,業主可根據不同領域及使用需求,選擇最適合的通訊技術。

低耗能、高範圍傳輸:LoRa與Sigfox大比拚
正如LPWAN的技術特色,LoRa與Sigfox都具有長距離、低功耗的特點,可延長電池壽命,形成大範圍的訊息傳輸。兩者皆使用免授權的Sub-1GHz ISM頻段,不需額外付出授權費用,且由於電子晶片製造技術的突破,兩項技術的硬體製造成本不斷降低,比如去年在台灣產業已經啟用的Sigfox,月租費最低只要2元新台幣。

LoRaWAN是由各產業聯盟共同推動的網路標準,提供開放式技術,只要取得關鍵內容,就能開發個別的應用。不同於LoRa的開放性,Sigfox則是由法國同名公司自行開發的技術,掌握核心網路的營運和布建,意圖以獨立營運商的角色,在全球進行網路基地部署,目前已能同時在36個國家使用可連結的網域和設備。以類型來說,LoRa好比小型的私人網域,傳輸距離最遠可達20公里,只要掌握技術,就能自行架設基站,自由度更高。

Sigfox則是以全球為營運目標,不斷擴展網路基地的藍圖,可提供使用者既有的網路佈署及雲端服務,需要付出額外的月租費,相對LoRa而言,成本較高,但平台方案完整,不須額外布建網路。Sigfox的傳輸距離可達50公里,是三種技術當中範圍最廣的,不過為達到低功耗的目標,LoRa和Sigfox的每日傳輸次數都有限制,一天當中的傳輸時間很短,適合發揮在沒有即時通訊需求的領域,比如每日固定回報數據的感測器,可測量溫溼度、PM2.5等特定環境數據,藉由長距離、少次數的傳輸型態,形成較大面積的物聯網應用。

電信業者強強推:NB-IoT
另一項在物聯網產業鏈上討論熱烈的技術是NB-IoT,與前述兩項技術最大的不同,在於它是由3GPP組織所制定的技術,使用需授權的GSM和LTE頻段,也就是說,NB-IoT必須藉由電信產業買下頻段授權,使用者只能透過電信業者或第三方代理商取得授權技術和頻段,才能使用NB-IoT相關服務。NB-IoT的優勢在於它是由現有電信業者推出的技術,不需重新布建網路,只要更新軟體,就能使用現有的4G電信基地台和相關設備。另一方面,採用電信級的網路,在通訊品質和訊息安全性擁有高度的保障。遠傳電信目前已推出NB-IoT的搶先體驗活動,並預計於5月底完成全台基地升級,只要遠傳電信能收到訊號的地方,就能使用NB-IoT,裝置月租費約為10至60元新台幣。



「將對的技術擺在對的位置上」──無線通訊技術應用
上述三種熱門的LPWAN技術各自有著不同特點,業界多預測未來其中一項技術將會力壓群雄,成為一枝獨秀。然而,正如LoRa創始人之一Olivier Hersent曾說過的,互相合作的共存關係更可能帶領未來技術走向新的發展。事實上,物聯網應用領域百百款,這三種技術的特點也對應了不同領域的特殊需求。比如NB-IoT,使用授權頻段和LTE技術,其網路不限制傳輸訊息次數,所能攜帶的資料量也更高,因此適用於重視網路傳輸穩定性和即時性的智慧工業領域,或者是需要聲音、影像檔等高資料傳輸的IoT裝置。相對地,NB-IoT的功耗也高於另兩項技術,電池壽命的損耗較大。同時與電信業者的協作模式,在向使用者推廣時會更為快速、簡便,從另一角度來看,也受限於硬體成本(晶片)和月租成本。

與NB-IoT相比,LoRa和Sigfox由於硬體成本低、功耗更小,因此更適合在小資料量、大範圍的傳輸應用。LoRa技術目前的發展規模已趨向成熟,且曾與亞太電信及鴻海富鴻網合作,在台灣已有實際營運成果。雖然傳輸距離不比Sigfox,但傳輸頻寬較高,建設成本和技術難度不高,適合在高科技廠區中建設封閉型網域,傳輸各類型的感測數據。

以全球布建的角度來說,德國萊因的資訊與通信技術經理于凱群表示,Sigfox是很有發展性的技術,由於Sigfox提供全球性的網域服務,對跨國公司來說更為便捷,尤其是一體成形的網路方案,對高收益的公司而言提供完整且穩定的雲端服務,省去許多開發和協作上的麻煩。Sigfox的傳輸距離最遠,但一天內的傳輸次數最少,因此適合應用在反應數據變化或固定時段傳送資料的場景,比如管線監控、智慧電錶、地區氣候監測和警報等。Sigfox目前在台灣與O-bike合作,負責定位追蹤服務,以及中興保全的設備狀態偵測,和智慧醫療遠端照護等應用。由於是跨國應用,Sigfox也與美國快遞公司合作,在包裹上裝設感測器,除了知道包裹的運送位置,也能偵測拆開的時間,將具體資料傳送回美國。



IoT未來願景:資訊安全與技術驗證缺一不可
新興科技帶來更便利及美好的未來願景,同時也帶來關於安全的隱憂,當各種資訊在網路上流通,一旦網路安全發生問題,將可能導致個人隱私外洩,甚至影響人身安全。在極重視隱私權的歐洲,已經通過通用資料保護協議(General Data Protection Regulation,簡稱 GDPR),其中嚴格規範了網路公司對個人資料蒐集的限制與管理。雖然資安問題在台灣尚未掀起全面關注,但隨著物聯網裝置和領域的拓展,一般使用者也會更頻繁的接觸到相關的議題,網路安全必定將成為產品/軟體供應商需提出的服務方案之一。

德國萊因資深經理何紹彭也提醒,所有無線通訊技術都必須經過國家規範和聯盟認證標準。首先必須先通過各國法規對無線通訊頻率和功率的控管,讓產品具備合格的通訊標準,不會因要加強通訊而影響其他電子儀器或人體健康。再來還必須通過各個技術聯盟的標準,包含電磁波型、通訊協定及互聯性測試,確保使用同類型通訊技術的產品能夠互相溝通。如同目前市面上的智慧家庭閘道器,大多會容納1至3種的通訊技術(如WI-FI、Bluetooth、ZigBee等),產品的互聯性及抗干擾性就更為重要。或許在不久的將來,也會在單一IoT模組內整合LoRa或NB-IoT等不同的無線網路通訊技術,像是在偏遠工廠,以LoRa形成區域網路內設備間的資料傳輸,再將資料傳送到外部的LTE網路,整合多個廠區的數據進行整體分析。

無論在交通、工業、農業、建築、醫療、金融等領域,物聯網所要關注的將會是數據下的新興應用,裝置聯網只是基礎,只有善加利用軟體服務,掌握應用商機,才能具體實現物聯網的真正智慧。
 
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