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第 11 屆 iT 邦幫忙鐵人賽

DAY 4
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LPWAN 低功率網路

這邊首先一開始先介紹 LPWAN(Low-Power Wide-Area Network,低功率廣域網路)也稱為 LPWA (Low-Power Wide-Area) 或 LPN(Low-Power Network,低功率網路),是一種用在物聯網(例如以電池為電源的感測器),可以用低比特率進行長距離通訊的無線網路。低電量需求、低比特率與使用時機可以用來區分 LPWAN 與無線廣域網路,無線廣域網路被設計來連接企業或用戶,可以傳輸更多資料但也更耗能。

一般來說會智慧家庭部分都是近端網路,那如果要涵蓋整個農場整個場去甚至整個城市那就需要較長的無線傳輸距離。那又因為範圍又廣又大所以數量龐大,因環境因素也不會都有供電。此時催生出來的需求低耗電遠距離因應而生的就是 LPWAN。

LPWAN1

目前主流 LPWAN 趨勢

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目前主流 LPWAN 規格介紹

LoRa

LoRa 採用 1GHz 以下 ISM 的免授權頻段,依照地區國家的規畫也有不同的頻段,像台灣 NCC 是開放 920~925MHz 給物聯網使用,每個頻道 125kHz,共可切分 16 個頻道,其他歐洲 433/868MHz、美國 915MHz、大陸 779~787MHz 等等,最大的缺點是容易受到干擾,像是台灣 eTag 就在 920~925MHz,另外還有手機網路,因為功率較大,也容易出現俗稱蓋台的干擾。

LoRaWAN 網路架構是由應用伺服器(Application Server)、網路伺服器(Network Server)、閘道器(Gateway)與終端節點(End Node)組成。如果是建置私有網路則不需應用伺服器與網路伺服器,架構更加簡單。LoRa 在應用上非常適合不用常時連網,只要定期收到特定資訊,如空氣品質、電表、水表等。

LoRa

LoRaWAN 架構

陞特(Semtech)於 2013 年 8 月宣布推出一系列基於啁啾展頻(Chirp Spread Spectrum, CSS)調變的 LPWAN 晶片取名為 LoRa,名稱來自英文 Long Range 的含意縮寫,其優異的傳輸距離令人印象非常深刻。

主要的特性數據為:極佳的-148dBm 接收感度(RF Sensitivity)與 168dB 的鏈路預算(Link Budget);射頻(RF)輸出功率為+14~+20dBm,內建放大器;接收操作電流 9.9 毫安培(mA);支援 FSK、開關鍵控(On-off Keying, OOK)等調變運作;自動射頻載波(RF Carrier)偵測;資料傳輸速率:0.29~37kbps,使用頻寬為 125k、250k 與 500kHz。

STM32_LoRa_Nucleo_Pack_cropped-1

STM32 Low-power wireless Nucleo pack with Nucleo-L073RZ and LoRa expansion board

2018 年臺灣三大電信業者已陸續開放 NB-IoT 商用服務。NB-IoT(Narrow Band -Internet of Things) 是 NB-CIoT 和 NB-LTE 兩種標準的結合,是 3GPP R13 階段 LTE 的一項重要增強技術,網路可以直接部署在現有 2G/3G/4G 網路,具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構優…等特點。其中主要關鍵是電信業者可以不必重新佈建基地台,透過在現有 4G 基地台升級就可以提供 NB-IoT 服務,大幅降低電信業者建置服務的成本

優點

  1. 低功耗與使用壽命
    低功耗和低峰值電流需求,LoRaWAN 數據傳輸和接收需要低電流(低於 50 mA),大大降低了設備的功耗,一次充電可以使設備長達十年的使用壽命,大大降低了支持和維護成本。

  2. 節省成本
    廣泛的覆蓋範圍和相對較低的 Gateway 成本,顯著降低了 LoRaWAN 網路部署的成本。對於設備,通信模組的價格在 10 美元範圍內,未經許可的頻譜,意味著連接的成本僅為 1 美元/年。

  3. 深度穿透
    LoRa 無線電調制允許深度室內穿透,並增加了到達位於地下的水表或煤氣表的感測器的能力。

  4. 無需獲取任何頻率許可
    LoRaWAN 網路部署,在免費的 ISM 頻段(EU 868、AS 923、US 915 Mhz)上,允許任何服務提供商或公司,部署和營運 LoRaWAN 網路,而無需獲得任何頻率的許可證。

  5. 快速搭建和商用
    LoRaWAN 開放標準,無成本運行頻率,和低成本基地台相結合,使營運商能夠在短短幾個月內,以最少的投資推出網路。完全雙向通信,支持各種需要上行鏈路,和下行鏈路的案例:例如,街道照明,智慧灌溉,能源優化或家庭自動化。

窄頻物聯網(NB-IoT)

NB-IoT 窄頻物聯網(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)是由 3GPP 組織(3rd Generation Partnership Project, 3GPP) 於 2016 年 NB-IoT 凍結協議釋出,經過兩年的發展 NB-IoT 的生態系也漸漸蓬勃。此外,3GPP R14 規格更進一步強化 NB-IoT 技術,提升其傳輸效能與移動性。而低功耗物聯網應用也將在各國遍地開花。 作為 NB-IoT 最早商用的領域,「三表(編按:指水表、燃氣表、電表)」已經在 2018 年實現了百萬量級的出貨。

伴隨著蜂巢式物聯網技術的掘起,窄頻物聯網(NB-IoT)近年可謂風頭無兩,該技術具備巨量連接、深度覆蓋、超低功耗、低成本以及高安全性的優勢,因此尤其適用於各類分布廣、數量大的公共基礎設施。自 2016 年 6 月 NB-IoT 協議正式凍結以來,業界終於擁有了首個物聯網專用協議,兩年來 NB-IoT 除了得到全球主流運營商的青睞,也贏得了各地政府的支持,以期能夠帶動新經濟發展。

為了滿足更多的應用場景和市場需求,3GPP 在 R14 規範中對 NB-IoT 進行了一系列增強技術並於 2017 年 6 月完成了核心規範。相比 R13,R14 增加了定位和群播功能,提供更高的數據速率,在非錨點載波上進行尋呼和隨機接入,增強連接態的移動性,支援更低 UE 功率等級。

ubloxiot

uBlox cellular NB-IoT module

優點

  1. 基地台建置:運用現有的基地台擴充模組 Cat-NB1/NB-2 或 Cat-M1 的設備。

  2. 大量連結:NB-IoT 具備大量設備連接的能力可支持 5-10 萬個連接。

  3. 多播功能:為了更有效地支援訊息群發、軟體升級等功能,NB-IoT 增強引入了多播技術。多播技術基於 LTE 的 SC-PTM,終端透過 SC-MTCH 接收群發的業務數據。

  4. 不容易受干擾:退役的 2G 網路空間或現行 4G LTE 頻寬內的保護頻段。

  5. 訊號強度低任可使用:

    • NB-IoT: 164 db
    • Cat-M: 155.7 db
    • Sigfox: 155 db
    • GPRS: 144 db

LTE-M

LTE-M

LTE-M 規格

LTE-M(LTE-Machine to Machine)又稱 eMTC(enhanced Machine Type Communication)或是 LTE Cat M1,是 LTE 演進的技術,由 3GPP 組織(3rd Generation Partnership Project, 3GPP) 針對物聯網技術所定義的國際標準。LTE-M 直接導入現有的 LTE 網路,並保有 NB-IoT 特性,擁有更低時延、移動性及 VoLTE 語音通話,可支援豐富、創新的物聯網應用及服務。

整體而言,LTE-M 在應用上提供更低時延、更高速率、移動性及 VoLTE 語音通話等特點,NB-IoT 則有更低成本、更常使用年限及更寬廣傳輸範圍等優勢。

參考來源:

IoT Nets in Two-Horse LPWAN Race

智慧物聯網與 IPv6

中華電信 IoT 智慧聯網大平台

台灣大 NB-IoT 物聯網服務正式商轉

遠傳物聯網-物聯網服務

LPWAN 發展勢不可擋  LTE-M/NB-IoT 並居主流技術

物聯網 LPWAN 勁敵環伺  LoRa 強化優勢求突圍

今天就到這了感謝收看

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