LPWAN低功耗廣域網路技術比較:Wi-SUN、LoRaWAN、NB-IoT



2020 年 1 月 6 日 - 低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network,LPWAN)是為了因應物聯網(Internet of Things,IoT)遠距離通訊需求而產生的技術,具有高覆蓋、低功耗和廣域連接等特性。

而Wi-SUN、LoRa、NB-IoT均為LPWAN技術之一種,其中又可以分成授權頻段(License Band)與非授權頻段(Unlicense Band)。在授權頻段方面以3GPP (3rd Generation Partnership Project,第三代合作夥伴計畫)所主導的NB-IoT技術為主,其採用現有的3G、4G網路,主要投入的廠商包括電信營運商以及相關的設備廠商;而使用非授權頻段的技術則處於遍地開花的情況,主要技術為Wi-SUN、LoRa等。

無線連接技術有多種選擇,且無線協定本身都有顯著的不同,但最適用于公用事業、智慧城市和工業物聯網的三種協定是Wi-SUN FAN(Field Area Networks)、LoRaWAN和NB-IoT(LTE Cat-NB)。以下就針對這三種技術進行介紹與比較分析。


Wi-SUN、LoRa與NB-IoT簡介

Wi-SUN(Wireless Smart Ubiquitous Network)聯盟成立於2012年,是基於IEEE 802.15.4g、IEEE 802和IETF IPv6標準的開放規範。Wi-SUN聯盟有250多家會員,它們共同推出了150多種Wi-SUN認證產品。

Wi-SUN FAN是一種網狀網路通訊協定,網路中的每個設備都可以與相鄰設備通信,這使得它的訊息可以在網路中的每個節點之間進行非常長距離的跳轉。Wi-SUN FAN是專門為更大範圍的端點設計的,這些端點更適合被應用於戶外、長距離傳輸。Wi-SUN FAN具有自組網(self-forming)功能,可以輕鬆地將新設備添加到網路中,同時具有自我修復(self-healing)功能,如果一條路徑斷線,網路將自動重新路由到閘道。目前Wi-SUN聯盟會員們在全球已部署超過9500萬個支援Wi-SUN的設備。它使智慧電錶、智慧路燈等設備能夠連接到一個公共網路上,在公用事業和智慧城市應用中被廣泛應用。

LoRa是美國半導體製造商Semtech並購的法國公司Cycleo所開發的無線通訊技術,在這個基礎上與IBM合作完成規範,並由Semtech、IBM、Cisco為核心所組成的LoRa聯盟推動相關發展,目前擁有400多家會員。

LoRaWAN是在Semtech擁有的專有LoRa無線電設計的基礎上構建的公共規範,從端點到端點的角度來看,它並不是完全開放的,而且迄今為止,Semtech只開放了有限的智慧財產權,LoRaWAN的供應商生態系統確實各不相同,這意味著設備和設備不能保證可完全相交互操作(interoperable)。

NB-IoT也被稱為LTE Cat-NB,是由國際電信標準制定組織3GPP所支援,針對IoT所打造的電信級網路,NB-IoT出現在3GPP的R13(Release 13)規範中,由3GPP進行主導加上三大電信設備商諾基亞(Nokia)、愛立信(Ericsson)、華為(Huawei)支援,無須布建新的網路,可以利用軟體升級的方式,目前在亞洲、歐洲、美洲等區域已經開通實驗網。


Security 安全性

在安全性已經成為物聯網討論重要部分的今日,Wi-SUN FAN提供經驗證的企業級安全認證,其關鍵區別在於本地公開金鑰基礎架構(PKI,public-key infrastructure)集成,它為網路上的每個設備提供安全認證功能。這可以確保設備不會被惡意修改程式,因而證明傳入的韌體更新是系統認可的。這對於將要被布建在戶外數年甚至數十年的設備尤其重要。

另一個特性是對IPv6與相關網路安全特性的支援,如入侵偵測、流量塑形、網路分析和滲透測試等。這使得Wi-SUN FAN能夠更有效地抵禦DoS (denial-of-service,拒絕服務) 攻擊。

雖然LoRaWAN和NB-IoT有很多方法可以做到上述這些,但是在規模上,Wi-SUN FAN的生態系統由於有公開標準作為基礎因而更加容易達到,其生態系統獲得晶片供應商,軟體公司和安全專家的大力支持。


Ecosystem 生態系統

健康的生態系統對於網路標準的成功非常重要。在推廣聯盟的支援下,生態系統應提供大量可交互操作的產品,廣泛應用於物聯網中。

Wi-SUN FAN,Wi-SUN聯盟由250多家成員公司組成,成員包括晶片和產品供應商,軟體公司,公用事業,學術機構,政府機構和監管組織。每個成員產品皆通過一系列針對互通性的測試和認證計畫,健全Wi-SUN生態系統。

LoRaWAN,LoRa聯盟擁有400多個成員,晶片廠商算是相對弱勢的一環。LoRa雖然積極與晶片商合作,但其網路核心技術還是掌握在發起廠商之一的Semtech身上,晶片廠商要合作通常是以MCU搭配Semtech的通訊晶片,或者以模組的方式推出。且尚不清楚每個成員的產品在該生態系統中的可互通性。此外,市場上出現私有LoRa設備使情況變得更為複雜。

NB-IoT,尚未發展一個成熟的供應商生態系統。


Power Efficiency 電源效率

在物聯網規劃中,LPWAN通信協定使以電池供電的設備部署能夠持續使用多年而無須更換電池以減少人工維護成本。然而電池的使用壽命是三年還是十年決定於通信協定的選擇與發送訊息頻率的要求,且較低的功耗通常被迫在設備功能上做出妥協。

Wi-SUN FAN,設備可設計用於頻繁(間隔10秒)低延遲通信,休眠時小於2μA,接收時約8mA,發送時+10dBm小於14mA。低延遲功能支援即時指令(on-demand commands),而不是等待設備喚醒並從網路接收或發送消息。 LoRaWAN,設備通常可設計用於不頻繁的通信(128秒間隔),休眠時為2μA,但在接收時12mA,比Wi-SUN FAN多50%。更長的延遲意味著更少的即時指令(on-demand commands)能力。

NB-IoT,NB-IoT設備是為不頻繁通信而設計的,相對功率消耗要大得多。峰值電流為120-300毫安培,睡眠電流約為5μa。


Scalability 可擴展性

網路的可擴展性是規劃物聯網時一個重要考慮因素,像是能夠將新的產品如環境監測器、智慧照明設備與智慧計量表添加到網路中。

Wi-SUN FAN,Wi-SUN的網狀網路可以在設備容量和數量上進行擴展,其較高的頻寬使其更容易在未來添加更多的高流量傳輸需求的產品。Wi-SUN FAN網路可相容數百萬台設備,隨著節點的增加,可靠性亦隨之提升。Wi-SUN FAN在城市和郊區的網路布建表現良好。

LoRaWAN,在初始網路布建時進行擴展可能需要增加新的閘道,或者在一開始就過度配置網路設備因而付出過多潛在成本。此外,在人口密集城市環境中,眾多LoRaWAN周邊設備將互相干擾。

NB-IoT ,電信營運商推廣時程是採用NB-IoT的最大限制因素。客戶必須等待網域覆蓋完成,參照先前布建3G和4G的經驗,推廣時程可能會很緩慢且網域覆蓋範圍不完整。


Network and Device Longevity 網路和設備壽命

Wi-SUN FAN,許多Wi-SUN FAN的網路都是以硬體包括電池壽命能達到15-20年的生命週期部署的,客戶可以在網路上操作多代不同的設備,展示Wi-SUN FAN的前後相容性。

LoRaWAN ,LoRa聯盟成員宣稱以電池供電的設備可運行10年,然而這些宣稱必須有延長使用期限的技術佐證。

NB IoT,R13(Release 13)規範無法達到10年的標準,雖然有人聲稱R14(Release 14)現在能夠實現這一性能。此外,電信營運商可能因難以獲得市場需求而拖延建置計畫。


總結

在網路布建中,Wi-SUN FAN的資訊傳輸量確實高於LoRaWAN和NB-IoT,而且具有更快的回應速度和更低的網路延遲;同時,Wi-SUN FAN在睡眠和接收時消耗更低的功率。

LoRaWAN和NB-IoT較適用於通信需求不頻繁的產品,雖然它們目前正被應用在一些計量產品,但在可擴展性、維護成本和通過網路更新韌體的能力上普遍存在著問題。

濎通行銷業務副總裁鐘傑輝表示「公司主要提供符合Wi-SUN FAN認證的解決方案,目前已在濎通芯辦公區域部署超過1000個節點的網狀網路,並成功展示非常短的組網時間、自我調整能力、穩健的資料收集和可靠的遠端韌體升級;且濎通芯的VC7300系列消耗功率低,睡眠模式下功率消耗小於2.5uA,併入物聯網設計中,Wi-SUN模組的電池壽命有機會可以使用十年,滿足物聯網設計需求。」

關於濎通科技股份有限公司

濎通科技股份有限公司成立於2017年,是一家長距離、大規模、自動組網的物聯網通信晶片與軟體設計公司,為智慧能源、智慧城市、智慧住宅、智慧傳感市場應用提供了高可靠、低成本、低功耗的無線Wi-SUN、高中低速有線 PLC與無線有線融合雙模通信方案,目標成為廣域大規模物聯網通訊晶片與組網軟體解決方案的領航者。




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