3分鐘瞭解物聯網三大技術的未來爭奪戰！

來源：感測器技術

摘要：物聯網通過通訊技術將人與物、物與物進行連線，在智慧家居、工業資料採集等區域網通訊場景一般採用短距離通訊技術，對於廣範圍、遠距離的連線則需要遠距離通訊技術。

物聯網通過通訊技術將人與物、物與物進行連線，在智慧家居、工業資料採集等區域網通訊場景一般採用短距離通訊技術，對於廣範圍、遠距離的連線則需要遠距離通訊技術。在生活中的應用場景（如遠端抄表、環境監測、智慧停車、位置追蹤等）時，我們需要一種覆蓋廣、成本低、部署簡單、支援大連線的物聯網，因此低功耗廣域物聯網（Low-Power Wide-Area Network，簡稱LPWAN）應運而生。並且，以這些應用場景為主導的物聯網數量將佔到物聯網總連線數的60%。

LPWAN可分為兩類：一類是工作於未授權頻譜的LoRa、SigFox等技術；另一類是工作於授權頻譜下，3GPP支援的2/3/4G蜂窩通訊技術，比如EC-GSM、eMTC、NB-IoT等。 LPWAN 專為低頻寬、低功耗、遠距離、大量連線的物聯網應用而設計，與傳統的物聯網技術相比，LPWAN有著明顯的優點：與藍芽、Wi-Fi、Zigbee、802.15.4等無線連線技術相比LPWAN技術距離更遠；與蜂窩技術（如GPRS、3G、4G等）相比連線功耗更低。

在物聯網通訊的發展中，NB-IoT已經獲得全面性的支援，未來相關應用的市場榮景可期。LoRa與SigFox雖然受到NB-IoT強大的擠壓，但因為物聯網應用還屬於成長中的市場，這兩個技術已逐漸找到與NB-IoT區隔的發展道路，未來的發展重點是創造良好的消費者使用體驗，朝著正確的航道加速、起飛。

物聯網通訊是這兩年產業最熱門的話題之一，尤其在5G三大願景中正式定義為mMTC(Massive Machine Type Communication)，未來物聯網的聯網規模將大幅超越過去的人聯網，每平方公里網路節點甚至高達100萬個。低功耗廣域網(Low Power Wide Area Network, LPWAN)技術簡單、應用廣泛，將是MTC早期的切入點，包括NB-IoT、LoRa、SigFox等都是相關的明星級技術，而未來3GPP的MTC標準陸續訂定之後，可以支援更多不同型別的物聯網應用。
 
事實上，在過去物聯網概念尚未成熟時，已有許多利用2G/3G技術的機器通訊(Machine to Machine, M2M)應用，如車隊管理、物流、工業等B2B應用，未來幾年市場需求將持續成長。在現有2G/3G/4G模組的基礎之下，2018年NB-IoT、LoRa、SigFox大力擴充新興應用市場，加上LTE Cat. M1，與未來可滿足更多高傳輸速率、高移動性、定位、低耗電、語音等功能的MTC標準，共同建構物聯網通訊的產業面貌。

NB-IoT：中國的物聯網標準

NB-IoT產業2017年開始起步，2018年進入加速階段，2019年將要正式起飛。從技術標準發展來看，2016年3GPP R13版本發表NB-IoT技術，2017年大廠高通(Qualcomm)與海思(HiSilicon)相繼推出支援初版標準的晶片，年底聯發科進一步推出R14版本晶片，更有許多晶片廠商陸續宣佈投入NB-IoT，市場蓬勃發展，同時也刺激了通訊模組廠商的腳步。

自2016年6月16日，NB-IoT 技術協議獲得3GPP無線接入網（RAN）技術規範組會議通過以來，我國隨後就出臺一系列政策支援 NB-IoT 發展。

2017年5月，工信部發布《電信網編號計劃（2017年版）》，新編號中增加了物聯網網號，將“140XX~144XX”明確為物聯網網號。

2017年6月16日，工信部下發《關於全面推進移動物聯網（NB-IoT）建設發展的通知》，《通知》對2017年到2020年的NB-IoT標準、NB-IoT裝置、NB-IoT晶片、NB-IoT模組、NB-IoT測試、NB-IoT應用、NB-IoT網路的發展，部署了“定量”的任務。

2017年6月20日，工信部發布2017年第27號公告，從三方面明確了 NB-IoT 系統頻率的使用要求。

2017年8月7日，工信部批准同意了部分單位提出的電信網碼號資源有關申請，對2017年第10批《中華人民共和國電信網碼號資源使用證書》頒發結果進行公示，其中就包括了物聯網號段分配。

有了中國政府和中國市場對NB-IoT的全力支援，NB-IoT如日中天。

三大運營商NB-IoT部署進度

NB-IoT的發展離不開晶片和模組等產業鏈上游廠商的發力。華為的Boudica120、Boudica150；高通的MDM9206；聯發科的MT2625。除此之外，銳迪科、英特爾、中興微電子等公司也有自己的晶片規劃。

 

網路部署情況

中國是現今NB-IoT最大部署市場，隨著2017年中國國務院和工信部發文，引導物聯市場健康有序發展，NB-IoT產業生態在中國蓬勃發展。NB-IoT產業聯盟、移動物聯網聯盟的成立吸引了一千多家企業佈局NB-IoT市場，智慧抄表、智慧停車、智慧醫療、智慧物流等四十多個行業應用已啟動規模商用部署，預計年底中國NB-IoT連線數將達1億。

海外NB-IoT發展也即將進入快車道。在NB-IoT商用快速增長、產業蓬勃發展的帶動下，原有LoRa的支持者們也逐步嘗試轉向NB-IoT陣營。

NB-IoT網路架構

NB-IoT網路架構方案

NB-IoT 組網主要分成5 個部分：

NB-IoT 終端：支援各行業的IoT 裝置接入；

NB-IoT 基站：主要是指LTE 基站；

NB-IoT 核心網：NB-IoT 基站和NB-IoT雲的連線樞紐；

物聯雲平臺：各類業務的處理及反饋的中心；

應用服務中心：既可以獲取到本中心的NB-IoT 業務資料，也可以完成對NB-IoT 終端的控制。

NB-IoT應用

由政府推動的公共事業與智慧城市建設，都是NB-IoT的主要應用，包括最常被提到的智慧三表(水錶、電錶、燃氣表)、智慧路燈、停車管理、環境監測等。

 
事實上，NB-IoT今年已證明將在公共事業、服務與智慧城市建設等領域，取得主導性的發展地位。NB-IoT由電信營運商建置網路並提供服務，網路建置與原先的無線通訊基地臺一致，在人口稠密的都會區，4G LTE訊號完善，只需透過最簡易的軟體升級，不需重新布建網路；採用授權頻段，公共服務質量有保障，只要談好服務費率，商業模式建立也相對簡易。2018下半年到2019年，將有更多型別、更大規模的NB-IoT應用匯入。

LoRa：LPWAN無人能敵的最強者

LoRa是美國半導體制造商Semtech藉助其併購的法國公司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。

2016~2017年備受期待，有可能成為物聯網時代的Wi-Fi，因為其採用非授權頻段，技術簡易、應用方便，開放的生態圈也提供與電信領域較遠的資通訊廠商插旗物聯網通訊的機會，很快的就吸引數百家廠商加入產業聯盟，臺灣地區也有許多廠商大力投入。省掉授權頻段權利金，背後又有思科(Cisco)、IBM、阿里巴巴、騰訊這些大廠力挺，甚至許多電信商也押寶，技術、產品都在2017年以前就Ready，產業推動時程較NB-IoT更有優勢。
 
不過，從2017~2018年，LoRa發展受到NB-IoT強大的競爭壓力，業界傳出不少撤換網路解決方案的傳聞，主要原因分為內部與外部兩個面向，外部原因就是NB-IoT的大規模推動，原先推動較順利的LoRaWAN與其應用領域重迭性高，尤其像前述公共事業的物聯網應用，沒有大型的服務商如電信業者來扮演與政府合作的角色。內部原因則是LoRa技術1.0版未達最大的省電效果，訊息傳送採用類似廣播的方式，會出現終端與伺服器不同步的問題，導致重要訊息遺漏，掉封包的狀況經常出現；另外，LoRa雖然晶片幾乎都掌握在Semtech手上，但因為驗證與互通測試服務還不成熟，也會造成不同廠商終端裝置互通互連的瓶頸。
 

去年底，無管局釋出了“徵求意見稿”。意見稿裡有一條細則，規定“470-510MHz的非授權頻段，限單頻點使用，不能用於組網應用”。LoRa本就用於物聯網，如此一刀切非授權頻譜的物聯網應用，意味著頻段內LoRa等物聯網通訊技術均請出國門，頻段內的千億產業鏈及生態均被扼殺。最終在LoRa支持者們的努力下，這件事情最終沒有定論。但無管局並未明確透露何時推出新的政策，對身在其中的人們來說，這是沒有落地的“靴子”。

LoRa主導廠商當然也知道現在的困境，儘管整體市場還在成長中，不過在產業中受矚目的程度降低卻是不爭的事實。

網路部署情況

目前LoRa聯盟已有500多個成員，在100多個國家提供服務，58家聯盟成員運營商在41個國家運營，67家公共網路運營商，從美國、中國到俄羅斯、東南亞、南美，實現在全球範圍內的廣泛覆蓋。其全球網路覆蓋情況如下圖所示：

LoRaWAN網路架構

從LoRaWAN網路架構來看，主要有以下幾部分：終端節點（End Nodes）、集中器/閘道器（Concentrator/Gateway）、回程（Backhual）、網路伺服器（Network Server）、應用伺服器（Application Server）。

終端節點（End Nodes）：終端節點是在最左邊，非同步地廣播資料包到網路。遵循Aloha網路規範，保證終端裝置可以大部分時間處於空閒模式，功耗少於1uA。 這種方法可確保在小型電池上的應用可以實現10至15年的使用壽命。

集中器/閘道器（Concentrator/Gateway）：通過終端節點廣播的資料包將會被網路中的一個或多個閘道器獲取。閘道器有一個多通道和多資料速率的射頻嵌入式裝置，可以掃描和檢測任何活動通道上的資料包並進行解調。

回程（Backhual）：閘道器通常有一個乙太網的回程，然而，目前一些部署使用了2G、3G、4G、Wi-Fi、NB-IoT、乙太網等作為回程。

網路伺服器（Network Server）：核心網路是LoRaWAN系統的重要組成部分。 它承載所有需要的智慧來管理網路並將資料分發到其他伺服器。 

應用伺服器（Application Server）：LoRaWAN協議支援不同型別的網路。一些網路提供商也是應用提供商。因此，在LoRaWAN網路架構圖圖中最右側的應用伺服器可以與網路伺服器分別託管或與網路伺服器整合在一起託管。

LoRa應用

LoRa正在全球範圍內應用部署，因為其低功耗、深度覆蓋、容易部署等優勢使得其非常適用於要求功耗低、距離遠、大量連線以及定位跟蹤等的物聯網應用，如智慧抄表、智慧停車、車輛追蹤、寵物跟蹤、智慧農業、智慧工業、智慧城市、智慧社群等等應用和領域。

SigFox：國外最火的LPWAN技術

Sigfox是一家法國公司，成立於2009年，建立了連線低功耗裝置的無線網路，主要用於低功耗物聯網，如：電錶等，這類應用需要連續地傳送少量的資料。Sigfox希望建立第一個僅供用於物聯網的全球蜂窩連線的公司，其基礎設施完全獨立於現有的網路（如電信行動網路）。

SigFox是自行建構一個產業生態體系(Ecosystem)，由SigFox負責全球共同的網路營運與雲端平臺管理，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，其經營理念為“One Globe, One Network. One Globe, One Contract.”，截至目前為止訊號涵蓋已達46個國家和地區，預計在2018年底達到60個國家和地區的網路部署。

 
SigFox尤其適合跨國性的物聯網應用，如資產追蹤。SigFox在臺灣的營運商優納比(UnaBiz)在Computex 2018也邀請多家發展SigFox解決方案的廠商展出相關服務。

Sigfox正在推出首個全球性的物聯網網路，可以監聽數十億的物件廣播資料，而無需建立和維護網路連線。在無線連線的世界中，這種獨特的方法是沒有信令開銷的，緊湊和優化的協議，而物不依賴於網路。Sigfox提供了一種基於軟體的通訊解決方案，所有的工作和計算的複雜性都是在雲端進行的，而不是在裝置上。所有這一切，大大降低了能源消耗和連線裝置的成本。

網路部署情況

由於物聯網連線使用低資料速率，Sigfox網路利用了超窄帶，UNB技術。傳輸功耗水平非常低，而仍然能維持一個穩定的資料連線。Sigfox無線鏈路使用免授權的ISM射頻頻段。頻率根據國家法規有所不同，但在歐洲廣泛使用868MHz，在美國是915MHz。Sigfox網路中單元的密度(基於平均距離)，在農村地區大約30-50km，在城市中常有更多的障礙物和噪聲距離可能減少到3-10km之間。整個Sigfox網路拓撲是一個可擴充套件的、高容量的網路，具有非常低的能源消耗，同時保持簡單和易於部署的基於星型單元的基礎設施。

SIGFOX網路全球部署情況

根據官方資料，截止上半年Sigfox 在 29 個國家建有應用網路，主要為歐洲國家，如：西班牙、法國、俄羅斯、英國、荷蘭、德國等，覆蓋 170 萬平方公里。

Sigfox網路架構

由上圖可以看出，Sigfox網路架構可以分為三部分。中間部分Sigfox Gateway和Sigfox Cloud部分由Sigfox公司提供，也就是Sigfox網路和Sigfox網路伺服器或裝置管理伺服器由Sigfox提供。左邊終端部分Sigfox則是開放的，與多個RF晶片公司合作無線前端的連線，為使用者提供多RF晶片供應商的選擇，但終端必須符合Sigfox網路認證。右邊的部分則是業務的應用，包括應用伺服器和Web客戶端或App等。

Sigfox的應用

以行業部分來看，Sigfox應用主要集中在工業、共用事業、農業、公共部門等領域。按用例來看，Sigfox應用主要集中在智慧計量、智慧跟蹤、溫度檢測上。

Sigfox在中國的第一個專案

2018年1月，“中法合作 成都國際智慧養老服務示範社群”Sigfox專案簽署。專案總投資約3億歐元，由Sigfox物聯網公司和KRG智慧養老公司提供物聯網技術標準和智慧養老技術解決方案，中國聯通提供技術運營支援。KRG智慧養老公司針對獨居的老人及行動不便者開發了智慧居家新一代遠端養老監護系統，提供基於Sigfox物聯網技術的新一代遠端協助解決方案，能夠觀測到可能將上述人員置於危險境地的跌到、不適和等反常行為。

LPWAN技術正各自起飛

 
2018年是物聯網通訊正式商用化的元年，尤其是NB-IoT，根據資策會MIC的研究顯示，今年LPWAN模組市場將挑戰第一個1億規模，該會產業分析師曾巧靈指出，上半年NB-IoT多功能整合模組市價都在10~15美元左右，對於訴求大規模簡易的應用來說，成本壓力沉重，不過下半年NB-IoT模組出貨已經逐漸放量，加上投入的晶片、模組廠商越來越多，模組價格有下降到8~10美元的趨勢。
 
世界各地電信營運商的NB-IoT服務在2017年下半年陸續開臺，市場推動力量加大，2019年以後NB-IoT模組將出現高度成長，預計2021年LPWAN聯網裝置數量規模將高達8億(圖1)，其中約7億是NB-IoT與eMTC這類授權頻段技術產品，尤其以中國與歐洲市場的發展最為強勁。
 

 

2017~2021年LPWAN聯網裝置數量

另一研究單位IHS Markit的看法也相當樂觀，預測到2021年IoT聯網數量將超過10億。從2014年到2021年的年複合成長率(CAGR)高達206%，中國的物聯網市場在政府的大力支援下，中國三大營運商的物聯網連線從2014年的5,350萬成長到2016年的1.62億，中國政府在策略上希望主導NB-IoT的產業發展，也讓中國成了全球NB-IoT發展的火車頭與觀察指標。

而在非授權頻段的LPWAN市場中，LoRaWAN在2017年出現高於預期的成長，據瞭解，Semtech的LoRa晶片出貨量超過1,000萬顆，IHS Markit預計LoRaWAN的聯網節點數量到2021年將增加到近3億。針對另一個明星級的LPWAN技術SigFox，IHS Markit的看法則較為保守，整體而言，NB-IoT已經成為現階段物聯網通訊的霸主，LoRa與SigFox的早發領先優勢已經逐漸消失，不過在物聯網的高度成長趨勢下，LoRa與SigFox也積極尋求合適的領域與應用。

整體而言，NB-IoT已經獲得全面性的支援，其實與去年業界的看法一致，大部分物聯網通訊廠商投入的方向也以NB-IoT為主，部分兩邊押寶的廠商大都將策略重心放在NB-IoT，還有更多先前觀望的廠商，已經確定要投入NB-IoT的發展，未來相關應用的市場榮景可期。另外，LoRa與SigFox雖然受到NB-IoT強大的擠壓，但因為物聯網應用還屬於成長中的市場，這兩個技術的市場也在不斷成長。或許在不久的將來，也會在單一物聯網模組內整合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形成區域網路內裝置間的資料傳輸，再將資料傳送到外部的LTE網路，整合多個廠區的資料進行整體分析。

 LPWAN三大技術陣營的主要半導體供貨商

總結

NB-IoT帶動的不僅僅是自身產業生態陣營的快速發展，也讓LoRa、Sigfox等其他低功耗廣域網路技術獲得了絕佳的市場教育機會，尤其是LoRa以及以此為基礎制定的廣域網路規範LoRaWAN，在過去一年多的時間裡，國內外從業者對LoRa並不陌生，而且有大量基於LoRa的物聯網應用案例已經落地。

思科(Cisco)、IBM、阿里巴巴等巨頭力挺LoRa，上個月騰訊也宣佈加入LoRa聯盟，騰訊雲副總裁王慧星表示：“LoRaWAN已經實現了快速增長，我們認為，它在LPWAN市場上與NB-IoT高度互補。加入LoRa聯盟將使我們能夠影響LoRaWAN的技術開發、推進相關的物聯網應用，並通過與全球其他LoRaWAN供應商建立緊密的合作關係來加強推進我們的雲業務。”

總的來說，LoRa與SigFox已逐漸找到與NB-IoT區隔的發展道路，未來兩年的發展重點應該是創造良好的消費者使用體驗，包括硬體終端晶片/模組的降價、軟體服務的完善與便利性等，真正從正確的航道加速、起飛。

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