IoT应用/装置数量飞速成长认识LPWAN发展刻不容缓

物联网(IoT)发展需要长距离的通讯，进而催生出低功耗广域网络技术(LPWAN)的问世。

事实上，LPWAN一词在2013年之前还不存在，但为了达成生活全面智能化的愿景，不论是产/官/学界，对于物联网的发展都抱持着高度的期待。根据预测，10年后的社会，将会有超过25亿个设备串连在一起，足见落实LPWAN技术的应用刻不容缓。其中，被高度探讨的是作为非授权频谱代表的LoRa，以及授权频谱代表的窄频物联网(NB-IoT)。

LoRa：低连网复杂性、低耗能为特点

LoRa技术是基于1GHz以下的资料传输，由Semtech公司所开发。基于线性Chirp Spread Spectrum(CSS)扩频调制，在相同频率下，不同扩频序列的终端设备也不会互相干扰。

再者，LoRaWAN则是专为依赖电池供电的无线装置所设计的规范，通讯实体主要包括三个部份(如图1所示)：终端设备(End Device)、闸道器(Gateway)和伺服器(Network Service)。

图1 LoRa网络架构

资料来源：参考文献[1]

LoRaWAN的网络架构属于星状拓扑，所有终端设备透过LoRa传输连接到闸道器，闸道器则透过实体网络连线到伺服器进行讯息整合。此架构能减少网络复杂性以及能量的损耗，有效的延长电池寿命。

另一方面，依据应用场景的不同，终端设备可以不同的工作模式运作，以满足不同应用的需求，一共分为3种不同传输方式：Class A、Class B、Class C。数据延迟与电能消耗两者之间成为决定传输方式的关键因素。

Class A：双向通信

此一方式能够省下最多的电能，但相对来说，数据下载的延迟也最为明显。由于装置的传输功能平常是处于关闭的状态，当装置上传数据时，会短暂执行接收数据二次，紧接着又会再次关闭传输，借此节省电力。这样一来，节电机制会导致装置无法即时传送数据，进而造成相对较长的数据延迟。

Class B：具有预设接收槽的双向通信

此一方式需负担较多的电量，由于能够在设定的时间定期开启下载功能、接收数据，以降低数据传输的延迟。

以Class B来说，终端设备会在预设的时间中开放多余的接收视窗；为能达到这一目的，终端设备会同步从闸道器中接收一个Beacon，并通过此Beacon将基站与模组的时间进行同步。透过这种方式，能使伺服器掌握到终端设备正在接收资料。为了让数据保持同步的状态，因此会消耗较多的电量。

Class C：具有最大接收槽的双向通信

此一方式消耗最多的电量，在上传数据以外的时间，持续开启下载功能，以大幅降低延迟。

NB-IoT：采授权频谱提升传输效能/品质

NB-IoT技术始于2015年9月的3GPP会议制定工作项目，其第13版在2016年的年中制定完成。由于是布建在授权频谱，相对于其他LPWAN技术，在大量布建时可能会产生的连线碰撞问题，NB-IoT对此可有明显的改善。

目前来看，NB-IoT一共有三种操作模式：其一为载波独立于原先LTE的Standalone Mode；其二为在原先LTE载波间的Guard Band中，塞入NB-IoT的Guard-Band Mode；其三则为在运营商所使用的LTE载波中，切割出给NB-IoT操作的In-Band Mode。

其中，Standalone Mode最容易实作出，也是被很多NB-IoT基地台开发商首先建构出的版本。然而，对于现有运营商而言，为了在现有购买的频谱中提供NB-IoT服务，则倾向采用在原先LTE载波中切割NB-IoT操作频段的模式。

有鉴于此，对于要满足运营商需求的NB-IoT基地台开发商来说，必须设法解决NB-IoT频段，以及现有LTE频段间的干扰问题，才有办法进一步实现In-Band Mode的操作模式。

现阶段，3GPP的物联网系统一共有三种，一种是eMTC，第二种是NB-IoT，第三种是EC-GSM-IoT。三种规格比较表格如图2所示。

图2 eMTC、NB-IOT和EC-GSM-IOT的比较

资料来源：3GPP

对比NB-IoT系统，eMTC和EC-GSM-IoT只能应用在In-Band的架构。再者，相较于eMTC，NB-IoT具有更低的成本、更高的涵盖范围，并可提供更长的待机时间(10年每小时5瓦的功率消耗)，每个NB-IoT蜂巢可支援到5万个对应物件。

NB-IoT有自己的物理层通道和同步讯号，支援单一的HARQ流程、简易的RLC AM模组及一组DRB。NB-IoT和eMTC都可支援在控制层传送小封包资料，核心网的MME、S-GW和P-GW整合成C-SGN，支援non-IP资料的传输，支援在连线时无建立PDN Connectivity。

除此之外，NB-IoT可支援到三种不同的涵盖范围，即便NB-IoT物件随机存取失败，倘若连线到的基地台可支援其他涵盖范围时，则可更改到不同的涵盖范围，进行随机存取。

第14版NB-IoT规格于2017年年中制订完成，可支援OTDOA以及UTDOA的定位功能。此规格能提供多方传送模式(SC-PTM)，允许系统同时对多个设定物件传送相同资料，并提供低功率消耗和透过上下行两组HARQ减低传送延迟问题。

另外，新版规格亦可允许NB-IoT物件透过非定锚的载波连接上基地台，或借此呼叫物件以建立连线。相对第13版强制NB-IoT物件必须在同一个蜂巢下连线，新规格则提供NB-IoT物件可移动性和服务连续性等功能。

尽管设计上较原先3GPP的eMTC物联网系统简单，NB-IoT就其他LPWAN技术而言，由于需要支援蜂巢网络系统，外加芯片设计较复杂，其建置成本自是高于一般LoRa、Sigfox等，却也相对有办法提供较佳的系统表现，以及较高的传输速率。不仅如此，因运用原先蜂巢网络的加密设计，NB-IoT较其他LPWAN具备更佳的传送安全性。

此外，NB-IoT物件也能运用在智慧电表、停车场感应服务、智慧城市等自动感应器应用上。

现阶段，全球已布建eMTC和NB-IoT系统的运营商如图3所示。

图3全球eMTC和NB-IoT布建的情况

资料来源：Qualcomm

Cat-M1为支援eMTC规格的物件，至于Cat-NB1则为支援NB-IoT规格的物件。eMTC系统可提供较宽频宽，因此Cat-M1支援移动性的功能；相对地，第13版的Cat-NB1只支援再选蜂巢网络功能。除此之外，Cat-M1也支援语音服务。

另一方面，NB-IoT系统在第15版、即5G架构下，预计支援TDD模组的Wake-Up Receiver，可望提供更有效的功率消耗操作模式。

eMTC和NB-IoT系统在第14版和第15版提供的功能如图4所示。

图4 Release 14和Release 15功能

资料来源：Qualcomm

5G需要支援更大量的物件、使它们同时连上蜂巢网络系统，整体系统也能提供更高的频宽、速率，提供大量物件传送资料的功能。5G预计在2019年先提供eMBB和URLLC的功能，大量IoT物件联网的功能则预计在第二阶段提供。得利于此，NB-IoT系统可望在5G架构下支援LoRa以及Sigfox系统，进而支援其生态系下大量物件的物件量。

LoRa技术趋近纯熟NB-IoT极具发展潜力

无论是LoRa、NB-IoT，都能为物联网发展提供良好的技术支援，不过两项技术各有其优缺点(图5)，以及不同的应用取向。下列将分别以服务品质、电池寿命与延迟、网络覆盖、部署形式、成本等不同面向进行较详细的说明。

图5 LoRa与NB-IoT特性比较

资料来源：参考文献[3]

服务品质(QoS)

高品质服务提供需要传输环境保持稳定状态，而属授权频谱、同步协定的NB-IoT所能提供的服务品质，自然优于非属授权频谱、同步协定的LoRa。

当然，倘若高品质服务为系统建置的重点诉求，就不得不付出相应的代价，采用成本较高的NB-IoT；相对地，若对服务品质无太大追求，成本较低的LoRa是较适宜的选择。

电池寿命与延迟(Battery Life& Latency)

LoRaWAN由于为非同步协定，网域内设备进入休眠状态的时间可长可短。相形之下，NB-IoT由于设备会定期同步，因而将耗损额外的电力。倘若对于讯息的延迟较不敏感，也没有大量的资讯需要传递的情况下，LoRa会是较适宜的选择。

部署形式(Deployment Model)

NB-IoT的部署可以透过升级现存的蜂巢式网络来完成，但此功能现阶段还在发展阶段。相形之下，LoRaWAN已然具备堪称成熟的生态系。

网络覆盖(Network Coverage)

LoRa最大的优势之一在于其覆盖面积。以比利时为例，总面积约30500平方公里，约7个基站就能将网络覆盖全国。相形之下，NB-IoT的布署受限于4G/LTE基站，到乡村或郊区等无4G覆盖的地区，就失去收讯。

成本(Cost)

在成本的计算上，除了得考虑到网络成本、设备成本和部署成本外，还不得不考量频谱成本。鉴于NB-IoT属于授权频谱，必需额外付费，成本上自然高于LoRa。