一探究竟Sigfox、LoRa、NB-IoT物联网时代的无线传输技术
2018-05-28 14:55:37
来源： ibtmag 热度:
无线通信技术是物联网的传输基础，随着智慧城市大应用成为热门发展，各种技术推陈出新，纷纷抢占物联网市场。在LPWAN技术里，最热门的莫过于LoRa、Sigfox和NB-IoT。在物联网趋势中，这三种技术各自具有什么优势?谁才会是你专业领域的最佳拍档?
物联网、大数据、AI人工智能这几个词汇，相关产业人员想必娴熟于心。在物联网的技术架构中，“感测”是最基础的核心源头，无论在农业、工业、建筑、交通、医疗等领域，要让感测到的数据透过AI分析，进而形成相关应用，首先必须部署适合的传输技术与网域，才能搜集并回报巨量的环境数据。
在无线通信技术里，WI-FI、bluetooth、ZigBee、Z-Wave这几项较早推出的应用已经于不同领域中奠定发展基础。WI-FI适用于大数据量的传输，比如影音传输或者A R/V R等领域，同时也是一般无线网络的基础，缺点是耗电量大;蓝牙多用于个人穿戴式装置，在声音领域的应用较为成熟;ZigBee和Z-Wave则是在工业、建筑等自动控制应用中成果丰硕。
长距离+省电特性，LPWAN解决物联网传输难题
谈到无线网络，大家脑中想到的，除了WI-FI之外，大概就是手机的移动式通信网路了。如今的通讯技术即将迈入5G，讲求更大带宽、更高速率、更低延迟，当然也更耗电，由于是对应人与人之间的通讯，因此数据传输较密集、交换量也更为庞大。针对M2M的通讯，由于装置的部署范围通常更宽广，且无线装置必须避免频繁更换电池，LPWAN(Low Power Wide Area Network，低功耗广域网)技术顺势而生，其小数据量、长距离传输及省电的特性，在物联网应用领域中大放异彩。
较早期的无线传输技术，如WI-FI、ZigBee和Z-Wave，通讯传输距离顶多只有100公尺，用在智能家居领域，必须再加装讯号加强的天线或中继站。若是要满足智能城市的相关应用，例如环境监测或资产追踪，传输距离可达20公里的LPWAN技术显然能大幅缩减布建成本，只要几个机站就能覆盖大面积的范围;以电池作为电力来源，则省略了布线问题，让传感器的安装步骤更简易。目前最受关注的LPWAN技术分别是LoRa、Sigfox和NB-IoT，这三种技术具有各自的优势，业主可根据不同领域及使用需求，选择最适合的通讯技术。
低耗能、高范围传输：LoRa与Sigfox大比拚
正如LPWAN的技术特色，LoRa与Sigfox都具有长距离、低功耗的特点，可延长电池寿命，形成大范围的讯息传输。两者皆使用免授权的Sub-1GHz ISM频段，不需额外付出授权费用，且由于电子芯片制造技术的突破，两项技术的硬件制造成本不断降低，比如去年在台湾地区产业已经启用的Sigfox，月租费最低只要0.4元人民币。
LoRaWAN是由各产业联盟共同推动的网络标准，提供开放式技术，只要取得关键内容，就能开发个别的应用。不同于LoRa的开放性，Sigfox则是由法国同名公司自行开发的技术，掌握核心网络的营运和布建，意图以独立营运商的角色，在全球进行网络基地部署，目前已能同时在36个国家和地区使用可连结的网域和设备。以类型来说，LoRa好比小型的私人网域，传输距离最远可达20公里，只要掌握技术，就能自行架设基站，自由度更高。
Sigfox则是以全球为营运目标，不断扩展网络基地的蓝图，可提供用户既有的网络布署及云端服务，需要付出额外的月租费，相对LoRa而言，成本较高，但平台方案完整，不须额外布建网络。Sigfox的传输距离可达50公里，是三种技术当中范围最广的，不过为达到低功耗的目标，LoRa和Sigfox的每日传输次数都有限制，一天当中的传输时间很短，适合发挥在没有实时通讯需求的领域，比如每日固定回报数据的传感器，可测量温湿度、PM2.5等特定环境数据，藉由长距离、少次数的传输型态，形成较大面积的物联网应用。
电信业者强强推：NB-IoT
另一项在物联网产业链上讨论热烈的技术是NB-IoT，与前述两项技术最大的不同，在于它是由3GPP组织所制定的技术，使用需授权的GSM和LTE频段，也就是说，NB-IoT必须藉由电信产业买下频段授权，使用者只能透过电信业者或第三方代理商取得授权技术和频段，才能使用NB-IoT相关服务。NB-IoT的优势在于它是由现有电信业者推出的技术，不需重新布建网络，只要更新软件，就能使用现有的4G电信基地台和相关设备。另一方面，采用电信级的网络，在通讯质量和讯息安全性拥有高度的保障。台湾地区远传电信目前已推出NB-IoT的抢先体验活动，并预计于5月底完成全台基地升级，只要远传电信能收到讯号的地方，就能使用NB-IoT，装置月租费约为2至12元人民币。
“将对的技术摆在对的位置上”──无线通信技术应用
上述三种热门的LPWAN技术各自有着不同特点，业界多预测未来其中一项技术将会力压群雄，成为一枝独秀。然而，正如LoRa创始人之一Olivier Hersent曾说过的，互相合作的共存关系更可能带领未来技术走向新的发展。事实上，物联网应用领域百百款，这三种技术的特点也对应了不同领域的特殊需求。比如NB-IoT，用户许可证频段和LTE技术，其网络不限制传输讯息次数，所能携带的数据量也更高，因此适用于重视网络传输稳定性和实时性的智慧工业领域，或者是需要声音、图像文件等高数据传输的物联网装置。相对地，NB-IoT的功耗也高于另两项技术，电池寿命的损耗较大。同时与电信业者的协作模式，在向用户推广时会更为快速、简便，从另一角度来看，也受限于硬件成本(芯片)和月租成本。
与NB-IoT相比，LoRa和Sigfox由于硬件成本低、功耗更小，因此更适合在小数据量、大范围的传输应用。LoRa技术目前的发展规模已趋向成熟，且曾与亚太电信及鸿海富鸿网合作，在台湾地区已有实际营运成果。虽然传输距离不比Sigfox，但传输带宽较高，建设成本和技术难度不高，适合在高科技厂区中建设封闭型网域，传输各类型的感测数据。
以全球布建的角度来说，德国莱因的信息与通信技术经理于凯群表示，Sigfox是很有发展性的技术，由于Sigfox提供全球性的网域服务，对跨国公司来说更为便捷，尤其是一体成形的网络方案，对高收益的公司而言提供完整且稳定的云端服务，省去许多开发和协作上的麻烦。Sigfox的传输距离最远，但一天内的传输次数最少，因此适合应用在反应数据变化或固定时段传送数据的场景，比如管线监控、智能电表、地区气候监测和警报等。Sigfox目前在台湾地区与O-bike合作，负责定位追踪服务，以及中兴保全的设备状态侦测，和智能医疗远程照护等应用。由于是跨国应用，Sigfox也与美国快递公司合作，在包裹上装设传感器，除了知道包裹的运送位置，也能侦测拆开的时间，将具体数据传送回美国。
物联网未来愿景：信息安全与技术验证缺一不可
新兴科技带来更便利及美好的未来愿景，同时也带来关于安全的隐忧，当各种信息在网络上流通，一旦网络安全发生问题，将可能导致个人隐私外泄，甚至影响人身安全。在极重视隐私权的欧洲，已经通过通用数据保护协议(General Data Protection Regulation，简称 GDPR)，其中严格规范了网络公司对个人资料搜集的限制与管理。虽然资安问题在台湾尚未掀起全面关注，但随着物联网装置和领域的拓展，一般使用者也会更频繁的接触到相关的议题，网络安全必定将成为产品/软件供货商需提出的服务方案之一。
德国莱因资深经理何绍彭也提醒，所有无线通信技术都必须经过国家规范和联盟认证标准。首先必须先通过各国法规对无线通信频率和功率的控管，让产品具备合格的通讯标准，不会因要加强通讯而影响其他电子仪器或人体健康。再来还必须通过各个技术联盟的标准，包含电磁波型、通讯协议及互联性测试，确保使用同类型通讯技术的产品能够互相沟通。如同目前市面上的智能家居网关，大多会容纳1至3种的通讯技术(如WI-FI、Bluetooth、ZigBee等)，产品的互联性及抗干扰性就更为重要。或许在不久的将来，也会在单一物联网模块内整合LoRa或NB-IoT等不同的无线网络通讯技术，像是在偏远工厂，以LoRa形成局域网络内设备间的数据传输，再将数据传送到外部的LTE网络，整合多个厂区的数据进行整体分析。
无论在交通、工业、农业、建筑、医疗、金融等领域，物联网所要关注的将会是数据下的新兴应用，装置联网只是基础，只有善加利用软件服务，掌握应用商机，才能具体实现物联网的真正智慧。
责任编辑：胡辉
