低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)(Low Power Wide Area Network, LPWAN)依使用頻段可分為執(zhí)照與免執(zhí)照兩大陣營，免執(zhí)照LPWAN技術(shù)發(fā)展較早，主要技術(shù)為：HaLow、LoRaWAN、Sigfox、Weightless、RPMA等。執(zhí)照頻段則以3GPP主導(dǎo)的NB-IoT為主。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用日益多元(圖1)，不同于移動通訊對于大帶寬、低延遲等傳輸要求，許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用如監(jiān)測空氣質(zhì)量、電表數(shù)據(jù)傳輸?shù)确?wù)，數(shù)據(jù)封包小、對于延遲容忍程度較大，同時，在環(huán)境監(jiān)測、管線監(jiān)測等應(yīng)用場景中需要廣范圍布建，或是地處偏遠(yuǎn)、位于地下室、地底等屏蔽較嚴(yán)重的地點，既有無線通信或移動通訊技術(shù)之傳輸訊號到達(dá)不易，針對上述應(yīng)用，發(fā)展出具備長距離低功耗的通訊技術(shù)，包含用戶許可證頻段的技術(shù)，以及運作于免執(zhí)照頻段的技術(shù)，統(tǒng)稱為低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)(Low Power Wide Area Network, LPWAN)。

圖1 LPWAN在智慧城市上的應(yīng)用

免授權(quán)頻段LPWAN技術(shù)LPWAN技術(shù)依照使用頻段可分為執(zhí)照與免執(zhí)照兩大陣營，其中免執(zhí)照LPWAN技術(shù)發(fā)展較早，目前主要技術(shù)包含：HaLow、LoRaWAN、Sigfox等，除HaLow因為標(biāo)準(zhǔn)推動較晚導(dǎo)致相關(guān)生態(tài)體系尚未發(fā)展外，其余技術(shù)都已進(jìn)入測試或商用階段，在世界各國已經(jīng)有許多應(yīng)用案例。SigfoxSigfox于2009年由法國同名物聯(lián)網(wǎng)新創(chuàng)公司所推動，根據(jù)Sigfox公布的資料指出，目前全球已經(jīng)有29國展開Sigfox網(wǎng)絡(luò)布建，包含：荷蘭、西班牙、法國、俄羅斯、英國與美國等，預(yù)計于2019年拓展至全球60國。技術(shù)規(guī)格方面，傳輸速率約在100bit/s左右，傳輸距離在市區(qū)約10公里，在郊區(qū)則可達(dá)50公里，以上行通訊為主，但也支持下行通訊，采用超窄頻(Ultra-Narrow Band, UNB)技術(shù)，使用帶寬僅需100kHz。為降低功耗，Sigfox裝置通常處于閑置狀態(tài)，裝置要求網(wǎng)絡(luò)完成傳輸后就會再次回到閑置狀態(tài)。Sigfox的操作頻段采用免授權(quán)的工科醫(yī)(ISM)頻段，如：美國的902～928MHz以及歐洲的863～868MHz。LoRaWANLoRaWAN是由包括IBM、Cisco、Actility等大廠在內(nèi)的LoRa Alliance成員所共同推動的通訊協(xié)議，根據(jù)LoRa Alliance報告顯示，2016年有17個國家公開宣布建網(wǎng)計劃，120多個城市地區(qū)有正在運行的LoRa網(wǎng)絡(luò)，其中韓國SKT、印度TaTa、荷蘭KPN等已完成或正在進(jìn)行全國網(wǎng)絡(luò)的布建。在技術(shù)規(guī)格方面，傳輸速率約在30bit/s～50kbit/s之間，傳輸距離在市區(qū)約2～5公里，郊區(qū)最長可達(dá)15公里，依據(jù)2015年6月所公布的LoRaWAN 1.0版技術(shù)文件，LoRaWAN同樣采用sub-GHz免授權(quán)ISM頻段，支持雙向傳輸，傳輸方式依據(jù)延遲要求與功耗大小可分為Baseline(Class A)、Beacon(Class B)以及Continuous(Class C)三種等級，其中Class A方式只有當(dāng)終端裝置發(fā)送要求時才會進(jìn)行傳輸，功耗最低；Class B可排定時程進(jìn)行傳輸，終端可于預(yù)設(shè)時間開啟接受封包傳輸；Class C為持續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，功耗最大，但傳輸延遲時間最短。WeightlessWeightless是由ARM及華為收購之英國物聯(lián)網(wǎng)公司Neul所推動的sub-GHz LPWAN通訊協(xié)議，目前以歐洲如英國、丹麥等范圍為主推展其服務(wù)。自2012年開始發(fā)展以來，Weightless共已釋出三個版本協(xié)議包含Weightless-W、Weightless-N及Weightless-P。Weightless-W為最早發(fā)展的版本，主要使用電視空白頻段(TVWS)傳輸數(shù)據(jù)，但因各國TVWS釋出發(fā)展進(jìn)程存在顯著差異，導(dǎo)致發(fā)展受限。Weightless-N版本改采sub-GHz免執(zhí)照頻段，傳輸速率為30～100kbit/s，傳輸距離約為5公里，Weightless-W及Weightless-N僅支持單向傳輸，但在最新Weightless-P版本開始支持雙向通訊，傳輸速率約在100kbit/s左右，傳輸距離最長為2公里。HaLow2010年由IEEE開始發(fā)展的HaLow，其成立背景是因為Wi-Fi技術(shù)雖在無線數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域獲致相當(dāng)大的成功，然當(dāng)前Wi-Fi主流標(biāo)準(zhǔn)802.11n及802.11ac在功耗及傳輸距離的表現(xiàn)，尚未符合低功耗、長距離與數(shù)據(jù)流量少的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景要求，尤其在物聯(lián)網(wǎng)傳輸環(huán)境中大量裝置的鏈接維護(hù)以及信息回傳處理，使既有Wi-Fi技術(shù)面臨挑戰(zhàn)。因此，IEEE在Wi-Fi技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖上規(guī)劃802.11ah標(biāo)準(zhǔn)，采用1GHz以下低頻頻段，用來實現(xiàn)低功耗、長距離無線網(wǎng)絡(luò)鏈接，802.11ah Draft 9.0已于2016年9月完成，于2016年12月完成標(biāo)準(zhǔn)委員會核定(IEEE-SA Standards Board APProval)程序。此外，Wi-Fi Alliance已于2016年1月在美國舉辦的CES展會上將802.11ah標(biāo)準(zhǔn)正式命名為“HaLow”，根據(jù)IEEE規(guī)范，HaLow使用1GHz以下不包含TVWS的免執(zhí)照頻段，頻道帶寬可分為1MHz、2MHz、4MHz、8MHz及16MHz，傳輸速率至少為1Mbit/s，傳輸距離最長可達(dá)1公里。RPMARPMA(Random Phase Multiple Access)自2008年起由Ingenu公司推動，獲得如美國通用電氣(General Electric)等廠商所支持，以美國為中心展開布建，預(yù)計2017年完成全美30個城市網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。RPMA是目前唯一使用2.4GHz ISM頻段的LPWAN技術(shù)，透過增加接收靈敏度等技術(shù)，補(bǔ)足高頻在傳輸特性上的弱點。相較于其他LPWAN技術(shù)所使用的sub-GHz免執(zhí)照頻段，依地區(qū)、國家頻段范圍略有差異，2.4GHz為全球統(tǒng)一頻段，利于裝置規(guī)模制造與服務(wù)普及。授權(quán)頻段LPWAN技術(shù)－NB-IoT使用執(zhí)照頻段的LPWAN技術(shù)，以3GPP推動的NB-IoT為代表，是3GPP因應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用趨勢而發(fā)展的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一。NB-IoT相關(guān)研究自2014年9月3GPP成立FS_IoT_LC工作項目后，展開支持超低復(fù)雜度與低流量物聯(lián)網(wǎng)的蜂巢網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究。2016年6月公布核心標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，目前除RAN及終端測試規(guī)范尚未完成外，Release 13的NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)已大致底定。NB-IoT以既有的LTE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，但大幅刪除及簡化相關(guān)規(guī)范，以滿足頻譜使用效率、低成本等要求，如不支持語音服務(wù)、電路回退交換等功能，并導(dǎo)入新的節(jié)電機(jī)制eDRX，延長裝置空閑時間以達(dá)到低功耗要求，且可使用既有移動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，降低在布建上對既有網(wǎng)絡(luò)的沖擊，達(dá)成快速布建與商用之目標(biāo)，縮短與其他LPWAN技術(shù)商用起步時間的落差。產(chǎn)業(yè)應(yīng)用兵家必爭LPWAN由于具有低功耗與長距離的優(yōu)勢，因此適用于需要廣范圍布建且傳輸數(shù)據(jù)量小的應(yīng)用領(lǐng)域，就目前LPWAN業(yè)者提供的服務(wù)現(xiàn)況而言(圖2)，可歸類為資產(chǎn)追蹤、停車管理、環(huán)境監(jiān)測、智能讀表系統(tǒng)等四大領(lǐng)域。

圖2 LPWAN服務(wù)供應(yīng)模式

資產(chǎn)追蹤資產(chǎn)追蹤方面，Sigfox與新創(chuàng)公司Capturs合作推出GPS位置追蹤服務(wù)，提供運動愛好者在偏遠(yuǎn)地區(qū)或長距離的定位信息，亦展開公益計劃如贊助比利時之南極洲伊麗莎白公主研究站利用搭載GPS與Sigfox技術(shù)之裝置實時追蹤人員移動與裝備位置。LoRa在資產(chǎn)追蹤的相關(guān)應(yīng)用，如布魯塞爾機(jī)場在飛機(jī)貨運車上利用LoRa Sensor，對貨車實施遠(yuǎn)距監(jiān)控與調(diào)配運用；在澳洲，衛(wèi)星業(yè)者Immarsat利用GPS及LoRa網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控牧場中的牛群與水源等。停車管理停車管理應(yīng)用部分，在比利時阿爾斯霍特市政府于停車位上布建LoRa Sensor，駕駛?cè)丝赏高^Smart Parking APP搜尋距離最近的停車場與車位。Vodafone利用800MHz頻段的商用LTE網(wǎng)絡(luò)，在西班牙馬德里的Vodafone Plaza進(jìn)行智能停車應(yīng)用服務(wù)測試，透過停車傳感器偵測停車格狀態(tài)。華為與中國聯(lián)通在上海測試NB-IoT的智能停車服務(wù)，車主可遠(yuǎn)程查詢與預(yù)訂車位，提高車位利用率。環(huán)境監(jiān)測環(huán)境監(jiān)測方面，英國由物聯(lián)網(wǎng)新創(chuàng)公司Nwave與英國數(shù)字經(jīng)濟(jì)技術(shù)與創(chuàng)新中心(Connected Digital Economy Catapult)合作，以Weightless-N技術(shù)為基礎(chǔ)在倫敦布建智慧城市網(wǎng)絡(luò)，提供空氣污染監(jiān)測。Ingenu與Libelium、PTC合作利用RPMA網(wǎng)絡(luò)搜集城市中空氣質(zhì)量信息進(jìn)行分析。智能讀表系統(tǒng)智能能源表相關(guān)應(yīng)用，韓國SKT與SK E&S合作在首爾、釜山與光州等三個城市測試運用LoRa網(wǎng)絡(luò)的瓦斯先進(jìn)讀表系統(tǒng)，提供自動讀表與偵測瓦斯漏氣等服務(wù)。Sigfox與法國電力與天然氣供貨商ENGIE子公司ENGIE M2M布建Sigfox Smart Meter于建筑物中，協(xié)助用戶能源使用管理。Vodafone以及瑞士模塊廠商u-blox共同在西班牙蒙卡達(dá)完成NB-IoT前標(biāo)準(zhǔn)(Pre-Standard)商用測試，以U-blox模塊搭配華為子公司Neul所開發(fā)之NB-IoT芯片嵌入智能水表中，使水表能夠接入移動網(wǎng)絡(luò)，透過窄頻通訊達(dá)成遠(yuǎn)程自動抄表作業(yè)。LPWAN商業(yè)模式探討以LPWAN提供物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的業(yè)者其營運模式與收費方式，以Sigfox為例，其目標(biāo)在于建立一個全球統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，類似營運商eSIM的概念，基本上用戶可在全球范圍下使用Sigfox服務(wù)而不需考慮漫游問題。Ingenu亦與Sigfox采用類似作法，透過專屬授權(quán)給不同地區(qū)的業(yè)者進(jìn)行布建與經(jīng)營RPMA網(wǎng)絡(luò)，如新創(chuàng)公司IoTOz取得澳洲、紐西蘭的網(wǎng)絡(luò)授權(quán)。LoRaWAN目前在各國營運方式大致上分為兩種類型，第一，與當(dāng)?shù)貭I運商合作，由LoRa Alliance提供技術(shù)與產(chǎn)品認(rèn)證。第二，由制造商自行架設(shè)基地臺，提供應(yīng)用服務(wù)。LPWAN的收費模式可歸納為裝置/服務(wù)綁定、服務(wù)費與通訊費等三種類型(圖3)。裝置/服務(wù)綁定方面，如法國業(yè)者Capturs的GPS裝置定價包含硬設(shè)備及Sigfox通訊費用。服務(wù)費部分，韓國業(yè)者Sparcosa的LoRa追蹤器需要用戶額外添購一個月5美元的服務(wù)費用。通訊費方面，如Sigfox提供范圍從1美元/月到1美元/年的資費方案，依照用戶鏈接的裝置數(shù)量進(jìn)行個案調(diào)整。

圖3 LPWAN商業(yè)模式/span>

免執(zhí)照LPWAN在歷經(jīng)多年技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用測試后，目前服務(wù)供應(yīng)與收費方式已逐漸成形，使用執(zhí)照頻段的NB-IoT也在3GPP的推動下加速標(biāo)準(zhǔn)制定，營運商亦積極推動建設(shè)，預(yù)期LPWAN商用服務(wù)于2017年更加蓬勃開展。