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一探究竟Sigfox、LoRa、NB-IoT时代的无线传输技术

www.cechina.cn2018.06.14阅读 3010

  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LoRaSigfoxNB-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控制工程网版权所有,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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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www.cechina.cn,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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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www.cechina.cn,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。

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