低功耗廣域網路

低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network, LPWAN)，使用在物聯網中第二層的網路層，能大幅擴展物聯網的應用情境，今天就來介紹LPWAN。那LPWAN和Wi-Fi、藍芽...短距離通訊的差別在於？

• LPWAN特色:

  • 低功耗、低耗電、距離長、資料量低、低成本
  • 具備長距離通訊能力、有省電的特性
  • 傳輸速率通常小於 200 kbps
  • 傳輸距離通常在可以達 3~10 公里(市區裡)

• LPWAN應用:

  • 適用在生命週期長、感測器分散的應用
  • 智慧能源、智慧城市、智慧農業
  • 停車位管理、環境監測...低頻率資料傳輸的應用

• LPWAN能滿足大規模物聯網裝置運作的需求

• LPWAN技術可分成:

  • 免費頻段/非授權頻段(Unlicense Band):
    • LoRa
    • SigFox
  • 授權頻段(License Band):
    • NB - IoT

LoRa

LoRa(LongRange)為Semtech開發的無線通訊技術，採用像 Wi-Fi 一樣任何人都能自己設置基地台來建造網路環境。

• LoRa 特點:
  • 傳輸距離遠
  • 低功耗
  • 組網節點多
  • 採用星狀拓樸
  • 在ISM頻段操作，頻率的分配隨地區而不同
  • 實體層採用Spread Spectrum 展頻技術
  • 支援雙向傳輸的功能(bi-directional)
  • 可為個別裝置設定傳輸率，能使電池效率及網路容量更有效率

LoRa 將終端裝置分為三類，能適用通訊距離不同的需求，該省電或者該即時等情況。

• LoRa 傳輸有三種方式:
  • Class A
  • Class B
  • Class C

Class A

Class A 裝置平常是關閉傳輸的功能不傳輸資料，等到需要上傳資料就會連續兩次接收，看有沒有要聯絡，沒有聯絡就繼續關閉，數據只有在發送後才可以接收，所以很省電。

• 功耗最低
• 最省電
• 採用非同步的作業
• 可雙向通訊
• 裝置平常關閉資料傳輸功能

Class B

Class B 是隔一段時間才做傳輸的方式，每間隔128秒會就跟閘道同步Beacon的動作，但並不是是傳輸資料，而是在設定要開放傳輸功能的時間，等到設定的時間到才開放傳輸、接收資料以及開放下載的功能，可以一次接收多個資料。

• 可雙向通訊
• 每128秒會跟閘道同步
• 設定時間再開啟傳輸功能
• 功耗比Class A 高，但是比Class C低

Class C

Class C 是持續的開啟資料下載的功能，這樣資料都會即時傳輸出去，相對的耗電量最高，所以Class A耗電量最低、Class C 耗電量最高，裝置在傳送以外的其他時間都開啟接收的功能。

• 可雙向通訊
• 持續開啟資料傳輸的功能
• 通訊延遲率最低
• 功耗最高、耗電

三種方式都有優缺點，就看要應用的場景需要哪些需求，基本都是雙向傳輸，這一個基地台可以覆蓋的範圍很大。

SigFox

SigFox 為一個物聯網的營運商，用戶都用同樣的軟硬體架構，沒有硬體破碎化的問題。通訊時由基地台自行接收訊息，是非常簡單的應用。

規格部分跟LoRa 有些不同，SigFox使用最佳化輕量通訊協定，能在傳輸一樣的資料情況下，降低整體的傳輸量，進而節省物聯網裝置的電力消耗。SigFox傳輸速率很低100bps，每個裝置每天最多只能傳輸140個訊息，每個訊息最大12bytes。

SigFox另一個好處是裝置占用的頻寬較低，因此能在相同建設的網路下可以容納更多裝置，這對物聯網系統相當友善，可以讓基地台提供穩定的通訊服務給物聯網每個裝置。

• SigFox 特點:

  • 成本低
  • 功耗低
  • 採用最佳化輕量通訊協定
  • 傳輸速率很低
  • 占用的頻寬較低

• SigFox 應用:

  • 適合於訊息非常小的監測服務
  • 傳統讀數據:水表 電表 瓦斯表

NB-IoT

NB-IoT(Narrow Band IoT)，採用授權頻段技術為3GPP(3rd Generation Partnership Project)，是3GPP很重要的標準，頻寬為200kHz， 資料傳輸率是200kbps，使用的頻段通常是低於1GHz。

網路傳輸品質好也有更高數據安全的保障，而且NB-IoT的部署方式較為快速，支持 3 種部署場景，有較低的建置成本能快速部署完成。此外 NB-IoT 也可以部署在 2G/3G 網絡。

NB-IoT 的覆蓋性通常很高，穿透力強，訊號也很強，因此室內通訊品質相對也高，一個基地台可以承受5-10萬個節點，所以很適合在網域的環境之下使用的物聯網技術。

• NB-IoT 特點:

  • 覆蓋性高
  • 信號強
  • 室內通訊品質高
  • 建置成本較低
  • 部署速度快

• NB-IoT 有三種佈建的方式:

  • 單獨佈建 (Standalone)
  • 專用保護頻段 (Guard Band)
  • 現行運作頻段佈建（In Band）

由於NB-IoT服務品質有保障，適合高價貨物的追蹤，或是與消費者有直接關聯的應用。

• NB-IoT 應用:
  • 健康照護
  • 穿戴式裝置
  • 物聯網安全感測器
  • 智慧電表
  • 各種工業應用

LoRa、SigFox、NB-IoT 三者特點

以上介紹的就是 Low Power Wireless WAN 適用於物聯網的一些技術。

參考資料

https://meethub.bnext.com.tw/%E8%90%AC%E7%89%A9%E8%81%AF%E7%B6%B2%EF%BC%8C%E6%B7%BA%E8%AB%87iot%E4%BD%8E%E5%8A%9F%E8%80%97%E5%BB%A3%E5%9F%9F%E7%B6%B2%E8%B7%AF%E8%B6%A8%E5%8B%A2%EF%BC%9Alora%E3%80%81sigfox%E3%80%81nb-iot%EF%BD%9C/

https://www.eebreakdown.com/2016/08/lora-i.html