對於消費類的物聯網(IoT)應用來說,諸如Wi-Fi、ZigBee和藍牙等無線網路技術已經是非常理想的了,但許多民用、工業和其他物聯網應用,需要運作於比這些技術能夠處理更大範圍的地理區域;蜂巢式和衛星機器對機器(M2M)通訊技術通常可以用來填補這個空隙,但成本、功耗和可擴展性等因素,使得這些選擇對未來缺乏足夠的吸引力。

因此許多低功耗廣域網路(LPWAN)技術應運而生,那些尋求滿足這些大範圍物聯網應用的開發人員可以對此多加考慮。廣域物聯網技術的用途非常廣泛,諸如停車場資源、交通流量控制、公用設施監視、配電控制,以及環境監視等民用基礎設施只是開始,而諸如農作物生長情況監視和牲畜遷移等農業應用也需要廣域網路覆蓋;從計程車到冷凍貨運等資產監視和追蹤,則需要地區性、全國性甚至全球性的網路覆蓋。鐵、公路等交通基礎設施也需要廣域監視;即使是醫療保健等消費性應用,也能從替代蜂巢式電話的廣域網路連結中受益。

低功耗廣域網路的必備條件

雖然低功耗廣域網路有各種不同的應用,但這些應用對網路技術的需求有許多共通點,包括:

‧低成本──大多數廣域物聯網應用預期每處安裝點都需要數百、甚至數千的終終端節點設備;在一些案例中,比如覆蓋都市的停車場所/計費監視,這個數量可能達到上百萬。鑒於如此大的數量,在判斷應用的投資報酬(ROI)時,單價是一個重要的考量因素。

‧低功耗──廣域物聯網應用很少有充裕的本地電源供應,大多數應用將依賴電池,有些應用甚至需要使用能量採集技術;對於使用電池的應用來說,替換能量耗盡的電池不但是一個艱鉅的物流挑戰,代價也很高。因此終終端節點設備中的電池壽命越長越好。

‧擴大的覆蓋範圍──連接到網際網路的所有無線網路,都需要透過某種接取點(AP)才能工作,例如閘道器、集線器等等;因此一個物聯網設計需要同時考量終終端節點的成本,和支援該應用所需的接取點基礎設施成本。網路的覆蓋範圍,或是說從終終端節點到接取點的允許通訊距離,對這種基礎設施的成本有很大的影響;這個範圍確定了需要覆蓋的應用工作區域接取點數量和位置,一般來說範圍越大基礎設施成本越低。

‧可擴展性──某段時間使用廣域無線物聯網的一個既定裝置可能工作得很好,這個網路也有足夠的容量處理任何預期中的一單用戶;但隨著時間的推移,很可能在相同的地理區域內出現許多不同裝置,如果這些不同的裝置使用共同的接取點,例如蜂巢式通訊的共用基地台,那麼接取點可以支援的設備數量將成為一個限制因素,得增加基礎設施才能克服。即使它們不共用接取點,只共用頻譜資源,裝置的增加也會帶來雜訊水準的提升進而影響應用的運作範圍;在最差情況下,可用的頻道容量可能被用光,從而完全限制新的裝置投入正常運作。

在比較成熟的無線網路技術中,只有蜂巢式和衛星通訊可以提供這些應用所要求的、擴大的覆蓋範圍;像ZigBee這樣的網狀網路有可能覆蓋大範圍的區域,但由於需要轉發流量,因此可擴展性非常有限。

遺憾的是,蜂巢式和衛星通訊技術在其他屬性方面有一些缺點;它們的無線電需求涉及更高的能耗和複雜的協議,因而會縮短電池壽命,並增加成本到許多應用無法忍受的地步。這部分源於它們的發展歷史:它們最初是設計用來處理語音流量的,對於處理簡訊適應不良。

雖然如此,部分物聯網應用和服務──通常被稱為M2M──確實充分利用了蜂巢式和衛星通訊網路,其中許多是以CDMA或「2G」蜂巢式技術為基礎;遺憾的是,為了將頻譜資源釋放給更先進的蜂巢式技術,服務提供者如今已經開始淘汰這些網路。不過蜂巢式產業也做了一些大的改進,希望能以此改善M2M的境況;針對LTE最新規範(版本12)定義的Category 0通訊類別,就是圍繞M2M需求設計的。然而,功耗與成本仍是其中的主要考量因素。

這種狀況為應用於物聯網的廣域無線網路替代技術開啟了一扇門,這些技術將專注於低功耗、低成本要求;目前至少定義有6種不同的解決方案,它們的網路佈署有的正在逐漸增加、有的剛剛開始,還有3種正在開發中。雖然所有這些技術都試圖提供相同的關鍵核心屬性,但它們在許多其他系統屬性方面均有所區別,這些屬性影響著它們對不同物聯網應用的適用性。

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編譯:Judith Cheng

(參考原文:TLow power wide-area networking alternatives for the IoT,by Richard Quinnell)