公眾物聯網的佈建,需要LPWAN(Low-Power Wide-Area Networks;低功耗廣域網路)的支持,而LPWAN的諸多傳輸特性與今日Wi-Fi、3G/4G不大相同,LPWAN重視低功耗的長時間電池運作、低資料傳輸率、遠傳輸距離、多傳輸節點等。

頻寬窄縮、調變退減的技術趨勢路線不會變,甚至會更精進,可能還要數年時間才會停緩穩定。
頻寬窄縮、調變退減的技術趨勢路線不會變,甚至會更精進,可能還要數年時間才會停緩穩定。

為了實現這些,晶片業者、技術方案業者,不斷強化收發器晶片的連結預算(Link Budget),一方面不斷提升接收器的靈敏度,另一方面也盡可能節制發送器的發送功率,已經降到100微瓦、50微瓦等級。

除此之外,為了能在限定服務頻寬內與多節點傳輸通訊,每個節點佔用的頻寬不能太多,必須盡可能少,甚至使用將調變方式簡化,以延伸傳輸距離。因此,LPWAN方面的技術競賽,反而變成一場與過往追求傳輸速率相反的精進路線。

過往為了快速傳輸,不斷使用複雜的調變、不斷拓增通道頻寬,如Wi-Fi所用的IEEE 802.11ac從64QAM調變提升到256QAM,從20MHz、40MHz通道頻寬,增至80MHz、160MHz頻寬。

而現在,LTE-M期望將通道頻寬從20MHz降至1MHz,進一步要降至200kHz,其他相近技術也有窄頻化、超窄頻化(Ultra-Narrow Band)的發展。這挺諷刺的,2002年開始發展超寬頻(Ultra-Wide Band, UWB),期望成為短距離高速傳輸,但至今未有主流技術標準,反而是公眾物聯網開始引領超窄頻。

LTE-M縮至200kHz似乎已很小,但其他LPWAN技術也不遑多讓,IBM支持的LoRaWAN為125kHz,ARM支持的Weightless-P為12.5kHz,Weightless-N為200Hz,WAVIoT甚至低到100Hz,至於SigFox為專屬技術,僅標註為超窄頻,但未言明具體的通道頻寬。

減少通道頻寬外,調變方式也在「退化」,LoRaWAN使用GFSK調變以減少功耗、延伸傳輸距離,Weightless則使用BPSK、DBPSK、QBSK、16QAM等;SigFox使用GMSK調變;LTE-M則有用GFDM。總之,LPWAN不採行Wi-Fi、3G/4G的高耗電、高傳輸率OFDM調變。

採行窄小的通道頻寬與簡單、低傳輸率的調變方式,到底能帶來多少傳距效益?以LoRaWAN而言,在郊區可以達15公里,在城區也有2~5公里,Weightless因W、N、P等不同技術版本,傳輸距離同樣在2~5公里不等,SigFox也同樣採郊區、城區不同表現,郊區約30~50公里,城區約3~10公里,另外強調在沒有視線遮擋(LOS)下,最遠可至1,000公里。

而電池待機時間、使用時間,SigFox、LTE-M、LoRaWAN都在10年以上,WAVIoT更標榜20年以上。

通道頻寬減少後,每一個基地台(或稱閘道器)能與幾個節點通訊呢?目前得到的數據是,LTE-M、SigFox等可以因應5萬個節點,LoRaWAN可到25萬個,WAVIoT方面宣稱可達200萬個。

上述為業界主要討論、關注的技術,其他技術也有NWave、OnRamp、Platanus、Telensa(昔稱Senaptic))、Amber Wireless、M2M Spectrum、Coronis、華為的CIoT(Cellular IoT)等,也都有相近的技術標榜。

當然,還有其他的技術趨向,例如多半選擇低於1GHz以下的低頻率運作,好追求更廣的覆蓋;以及力求每個節點的成本低廉化,以便能廣泛普及佈建;或者也強調加密安全性,或彈性的通訊連接方式等。

如此看來,最主流的Wi-Fi(IEEE 802.11ah)、3GPP(LTE-M)反而在技術表現上,目前落後於專屬技術、其他聯盟技術,其競爭優勢是在現有已廣泛佈建Wi-Fi、LTE,營運業者為了保障過往已投入的佈建投資,只好以現有基礎加搭延伸,減少整體佈建成本來實現物聯網通訊,但對沒有過往投資、建設包袱的新進業者,專屬技術、聯盟技術反而能使其更快成長,如SigFox已在歐洲數國開通,收費方式亦已簡化,但LTE-M則正要起步、試行而已。

整體而言,頻寬窄縮、調變退減的技術趨勢路線不會變,甚至會更精進,可能還要數年時間才會停緩穩定。