物聯網LPWAN勁敵環伺 LoRa強化優勢求突圍

作者：黃景茂 來源：2cm

隨著物聯網(IoT)技術這幾年被高度關注，耳熟能詳如窄頻物聯網(NB-IoT)、LTE-M(Long Term Evolution, Category M1)、Wi-SUN及Sigfox等眾多的技術與相關推廣聯盟在市場上爭相競逐，而LoRa技術在全球也有許多的布建與關注，以下針對LoRa技術的發展狀況與推廣導入做詳細的介紹。

網路科技的發展一日千里，伴隨著對裝置通訊的需求被大量重視，以較少帶寬、低功耗、長距離及大量裝置連接需求為主所發展的通訊領域長距離低功耗廣域網(Low Power Wide Area Network, LPWAN)有著顯著的發展，這些基於免費頻段Sub-1GHz運作的技術更是快速興起。

認識LoRa晶元/LoRaWAN通訊協議

升特(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晶元取名為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。

圖1 頻譜分析儀下面各帶寬設定的LoRa波形

CSS採用線性調頻擴頻調製技術，保有原本頻率位移鍵控(Frequency Shift Keying, FSK)技術的低功耗特性但明顯地增加了傳輸距離。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(mA)；支持FSK、開關鍵控(On-off Keying, OOK)等調變運作；自動射頻載波(RF Carrier)偵測；數據傳輸速率：0.29~37kbps，使用帶寬為125k、250k與500kHz(圖1)。

同時升特基於推廣LoRa應用成立了產業合作與生態系串聯的結盟組織LoRa Alliance。目前聯盟成員涵蓋超過五百家以上的公司。其中包含IBM、思科(Cisco)、Giesecke & Devrient(G&D)、升特、意法半導體(ST)等大型企業，還有Orange、SK、荷蘭皇家電信(KPN)、DoCoMo、軟體銀行(Softbank)、亞太電信等電信業者。聯盟主要的工作為制定共通的開放原始碼通訊協議LoRaWAN，讓各個相關廠商的裝置可以互相通訊進而擴大應用的範疇與排除地理位置限制。

兩面向拆解LoRaWAN

可以將LoRaWAN技術簡單歸納成兩個面向：

第一個面向是，從實體網路基礎建設布建與裝置關係來看。LoRa技術基於星狀(Star)的網路拓撲架構(圖2)，表1則歸納了目前LoRa網路所需的設備與其功能。

圖2 LoRaWAN網路架構

第二個面向為LoRaWAN通訊協議。如表2所示，目前終端裝置與網關間的通訊就媒體訪問控制(MAC)層的行為模式分為三大類別(Class)。在通訊協議中星狀拓撲數據傳輸方向分為上行(Uplink)與下行(Downlink)。上行代表裝置對網關發送數據，反之，下行為網關對裝置發送數據。圖3簡述此三種類別的收發行為。

LoRaWAN裝置啟動入網方式簡介

前面已經說明了裝置在做傳輸時運作的類別，接下來說明LoRaWAN如何接受並啟動傳輸資料的入網機制，此部分可以思考成裝置合法與否的確認機制。

圖3 LoRaWAN終端裝置類別運作圖例說明

目前有兩種啟動方式，分別為ABP(Activation By Personalization)與OTAA(On The Air Activiation)兩種，個別的詳細內容如圖4所述。

圖4 LoRaWAN裝置提供ABP與OTAA兩種啟動入網方式

LoRaWAN認證現況說明

LoRa聯盟為了實現將來為數眾多的物聯網裝置的兼容性，透過制定各區域或國家地區的統一通訊規範，讓各區域不同國家製造商所生產的LoRaWAN裝置實現互通，這些區域規範都是參考各國家區域的LPWAN無線頻段安規所制定。此一標準規範彙整於LoRaWAN文件Regional Parameters中，目前最新版本為v1.1。表3為目前LoRa聯盟所訂定的國家或區域的頻道規範簡單整理說明。

接下來針對EU868、US915、AS923與CN470等主要的區域規範做進一步的說明。目前大多數國家針對免費頻段多規範使用於工業、科學與醫療(Industrial, Scientific and Medical, ISM)頻段或者無線射頻辨識(RFID)頻段中，各區域的介紹將以各區域中的使用頻段、頻道信息、傳輸速度及安規等重點項目做整理說明。

EU 863-870MHz ISM頻段

頻段部分為基於歐洲電信標準協會(ETSI) [EN300.220] ISM規範，歐盟(EU)采868~870MHz頻段。而頻道如表4所示，歐洲區LoRa規範強制頻道三個，而ESTI規範下至少使用十六個頻道。至於安規部分，採用工作周期(Duty Cycle)方式限制佔用頻道的時間。

US 902-928 ISM頻段

在頻段方面，基於FCC Part.15規範，LoRa使用902~928MHz。頻道部分如圖5所示，上行共有六十四個125kHz頻道與八個500kHz頻道，下行有八個500kHz頻道。其傳輸速率達0.98~5kbps，而安規部分，頻道佔用400msec限制(FHSS跳頻系統)。

圖5 US915頻道規範

AS923 ISM頻段

其頻段如表5所示，AS923區域內各國均採用相同的強制頻道。LoRa大部分使用920~928MHz頻段。以國家別整理如下：汶萊(Brunei)923~925MHz、柬埔寨(Cambodia)923~925MHz、印度尼西亞(Indonesia)923~925MHz、日本920~928MHz、寮國(Laos)923~925MHz、紐西蘭915~928MHz、新加坡920~925MHz、泰國920~925MHz以及越南(Vietnam)920~925MHz。

在頻道方面，所使用頻道數目與頻率依各國安規規範有所不同；安規部分，頻道使用機制台灣地區NCC走類似美國聯邦電信委員會(FCC)精神，也有國家採用Duty Cycle規範。

CN 470-510MHz頻段

在頻段方面，基於中國國家無線電管理委員會(SRRC)規範，LoRa使用470~510MHz，而其頻道如圖6所示，上行共有九十六個125kHz頻道，下行有四十八個125kHz頻道。其傳輸速率介於0.25~5kbps，而安規部分，頻道佔用時間不可以大於5,000msec。

圖6 CN470規範頻道

LoRaWAN系統整合　 實例分析說明

前面已經介紹了LoRaWAN的架構及各項協議規範，接著透過一個簡單的LoRaWAN網路建構作為LPWAN實際應用概念性驗證(Proof Of Concept, POC)範例。如前面圖2所示，一個LoRa網路可以是電信業者如亞太電信等營運商等級的LoRa基礎建設，也可以依單一區域、工廠、小區或者家庭為基礎來進行布建，這部分的特性是目前NB-IoT等第三代合作夥伴計劃(3GPP)制定的協議較不易實現的架構。表6列出了此一基礎建置所需的設備列表。

網關部分，目前海內外有非常多廠商可供選擇，同時很多廠商都有提供內建伺服器的網關產品。基本的硬體配備大多為：上行支持頻道數八或十六頻道、下行頻道一至二頻道、具備乙太網絡(Ethernet)或無線區域網絡(Wi-Fi)介面，或者支持全球衛星定位系統(GPS)以及3G/4G網卡擴充功能。軟體部分大多支持UDP Packet Forwarder、MQTT、RESTful等通訊協議，提供外部伺服器或者應用程序進行數據存取。而戶外型的網關，則大多配備高增益天線與防水功能。

LoRaWAN裝置以模塊而言，目前市面上有兩大類，分別為COB(Chip On Board)的模塊，與透過晶粒(Die)堆棧與封裝的SiP(System in Package)設計。SiP是將LoRa晶元與微處理器(MCU)甚至GPS晶元等晶粒透過三維(3D)堆棧封裝成一顆晶元的設計，此類設計最大的優點在於整個產品的尺寸減少非常多，更讓應用面產品設計較為精簡與單純。圖7針對市面上模塊與SiP模塊尺寸外觀做簡單比較，可以看出兩者之間物理尺寸的差異。

圖7 左為微芯(Microchip) RN2903 LoRa模塊尺寸17.8毫米(mm)×26.7毫米×3.34毫米，右為群登LoRa SiP模塊尺寸11毫米×13毫米×1.1毫米。

建構一個POC階段的LoRaWAN網路架構並沒有想像中的複雜與困難。透過海內外廠商多款內建伺服器的網關搭配AcSiP基於Arduino平台為基礎的LoRa智慧積木，或者任何兼容於LoRaWAN協議的終端裝置，可以快速地建構一個區域性LoRaWAN網路，透過Arduino平台豐富的感測器(Sensor)支持裝置與龐大社群的軟體資源，可以快速地建構應用的架構雛型來驗證各式各樣的物聯網應用。

如圖8所示，透過簡單的網關裝設與一台個人計算機(PC)或伺服器建置出一個落地的LoRa網路，終端裝置透過LoRa無線射頻將感測器數據發送給室內型或戶外型網關；應用層面則可以透過PC或伺服器的軟體架設對網關進行數據存取與儲存，亦可以透過網關發送控制封包給裝置端進而建構完整的雙向傳輸網路。

目前內建伺服器的網關非常普遍，同時支持多種物聯網數據存取協議，例如基於TCP/IP協議已變成國際標準化組織(ISO)標準的MQTT、RESTful API等。可以透過這些協議搭配Python或者Node-RED等直覺性的開發工具，快速地建構出各種應用情境與架構。

以群登的LoRa智慧積木銷售套件為例，圖8中網關部分，可以自由選擇搭配兩家室內型LoRa網關生產廠商的產品，終端部分套件里有基於Arduino處理器平台且內建了溫度、濕度及三軸加速器等感應裝置。同時預留了許多周邊介面與通用輸入/輸出(GPIO)讓使用者可以方便地整合各種所需的感測器。亦附有電池以便於不方便接電的環境下仍能進行數據收集。

圖8 POC階段LoRaWAN網路架構

而圖9介紹透過Node-RED直覺式的程序撰寫搭配MQTT等組件實作的IoT Dashboard範例，所有相關程序代碼均為開源方式提供。

圖9 基於Node-RED環境所開發LoRa裝置儀錶板應用範例

無線射頻訊號的傳輸距離，在環境中會有許多變因造成傳輸效能降低，不考慮太複雜的影響變因下，目前LoRa技術經實測確實有極佳的抗干擾性，在接收靈敏度也有相當不錯的表現。

圖10顯示從石門水庫大壩沿著大漢溪空曠河谷採用0 dBi天線下測得傳輸距離最遠可達16公里(km)，在空曠處有非常好的傳送效能。另外，在都會區的測試部分，將網關架設於桃園新光大樓十樓位置，約可以涵蓋半徑大約2公里上下的範圍傳輸。不過，在真實場域可能會因為建物的阻隔等環境影響而有增減。整體而言，實測數據顯示LoRa技術在傳輸距離上確實有不錯的表現。

圖10 SF12帶寬125kHz + 20dBm輸出功率下實測結果

面對其他技術挑戰　LoRa發展依然看好

面對NB-IoT等新技術威脅，LoRa仍然小心翼翼地面對，硬體方面新一代更為便宜、尺寸更小且效能更佳的晶元也將於今年三月上市，希望透過較低的成本價格、效能與功耗的改良、輔以降低應用設計複雜度等面向調整，期待能以更有競爭力與良好性價比的產品線保持競爭力。2018年1月升特於美國國際消費性電子展(CES)所揭露的新一代LoRa晶元就是基於這些基礎所推出的新產品。圖11為SX126X的功能結構圖，與2013年所發表的前一代晶元相比有許多新的設計與效能部分的提升。

圖11 新一代LoRa晶元的功能結構方塊圖

主要聚焦的功能與改善包括：晶元尺寸減少了45%，新晶元尺寸只有4毫米×4毫米；接收模式的功耗降低了50%，原為9毫安已降至4.6毫安；傳輸距離增加20%，而同一顆晶元支持全球Sub-1G頻段的使用，頻率範圍為150~960MHz。為減低應用的開發的複雜度，導入協議引擎(Protocol Engine)，透過硬體實作的協議引擎搭配256Bytes的數據緩衝區(Data Buffer)提供使用者應用程序編程介面(Application Programming Interface)的擴展命令，應用開發者可以用更精簡的程序達到LoRa程序的開發。原廠數據顯示處理器只需要用十行程序代碼就能編寫出LoRa傳輸與接收的功能。

其他改善部分，還有針對中、短無線涵蓋範圍應用且需要較多裝置收發數據的應用需求，增加了展頻因子SF5(Separating Factor 5)的速率，藉助提高實際的LoRa傳輸速率，進而增進頻道的利用率，讓網關可以支持更多裝置的數據傳輸。前述的這些改進設計揭露了LoRa面對新技術的競爭與挑戰，持續的改善成本與效能，希望開闢出一塊屬於自己在物聯網市場的一片天地。

另一方面，就組建整個LoRaWAN網路的軟體協議的部分，LoRa聯盟於去年提出v1.1的新版本，對於穩定性以及未來更大量裝置的網路建構所面臨的問題，新協議在網路的安全機制、新的區域規範提出、核心伺服器後端介面(Back-end Interfaces)與伺服器間數據交換規範等均做了改進。

主要改進設計含括了LoRaWAN裝置在不同LoRa營運商(Operator)間的漫遊(Roaming)機制部分，除原有的被動式漫遊基礎下增加了跨營運商的切換漫遊(Handover Roaming)機制；擁有終端裝置Class B完整傳輸方案，以及Class A與Class C的動態切換；為了應對未來移動裝置漫遊的需求，增加了入網伺服器(Join Server)的設置，提供漫遊時裝置切換LoRa營運商時可以進行裝置的資格與特性等參數的確認。

而在安全部分，AES加密的密鑰由原來的三把擴充為五把，讓數據的完整性與安全性更為嚴謹。具備空中在線升級(Firmware Upgrade Over-the-Air)，能透過無線的方式進行必要的軟體更新。

根據LoRa聯盟2017年度報告的數據顯示，在整個2017年取得LoRaWAN認證的產品或模塊數目較2016年增加五十一個，成長率為176%。另全球新增的LoRaWAN網路增加了三十一個，成長率為100%。目前超過一百個以上國家有提供LoRa網路服務，營運商等級的會員有五十四家。聯盟成員也穩定增加，以數據來看是呈現持續成長的態勢。

與NB-IoT相較，因為LoRa較早進行推廣與應用導入，現階段在成本與成熟度仍有一些優勢。可以簡單地建構私有化的網路，依舊吸引許多系統商與應用商的投入。不可諱言地，使用免費頻段有較嚴重的干擾問題存在，但是在物聯網技術的競逐舞台上，LoRa後續的發展，還是值得持續關注。

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