物联网LPWAN劲敌环伺　LoRa强化优势求突围

随着物联网(IoT)技术这几年被高度关注，耳熟能详如窄频物联网(NB-IoT)、LTE-M(Long Term Evolution， Category M1)、Wi-SUN及Sigfox等众多的技术与相关推广联盟在市场上争相竞逐，而LoRa技术在全球也有许多的布建与关注，以下针对LoRa技术的发展状况与推广导入做详细的介绍。

网络科技的发展一日千里，伴随着对装置通讯的需求被大量重视，以较少带宽、低功耗、长距离及大量装置连接需求为主所发展的通讯领域长距离低功耗广域网(Low Power Wide Area Network， LPWAN)有着显著的发展，这些基于免费频段Sub-1GHz运作的技术更是快速兴起。

认识LoRa芯片/LoRaWAN通讯协议

升特(Semtech)于2013年8月宣布推出一系列基于啁啾展频(Chirp Spread Spectrum， CSS)调变的LPWAN芯片取名为LoRa，名称来自英文Long Range的含意缩写，其优异的传输距离令人印象非常深刻。

图1 频谱分析仪下面各带宽设定的LoRa波形

CSS采用线性调频扩频调制技术，保有原本频率位移键控(Frequency Shift Keying， FSK)技术的低功耗特性但明显地增加了传输距离。主要的特性数据为：极佳的-148dBm接收感度(RF Sensitivity)与168dB的链路预算(Link Budget)；射频(RF)输出功率为+14~+20dBm，内建放大器；接收操作电流9.9毫安(mA)；支持FSK、开关键控(On-off Keying， OOK)等调变运作；自动射频载波(RF Carrier)侦测；数据传输速率：0.29~37kbps，使用带宽为125k、250k与500kHz(图1)。

同时升特基于推广LoRa应用成立了产业合作与生态系串联的结盟组织LoRa Alliance。目前联盟成员涵盖超过五百家以上的公司。其中包含IBM、思科(Cisco)、Giesecke & Devrient(G&D)、升特、意法半导体(ST)等大型企业，还有Orange、SK、荷兰皇家电信(KPN)、DoCoMo、软件银行(Softbank)、亚太电信等电信业者。联盟主要的工作为制定共通的开放原始码通讯协议LoRaWAN，让各个相关厂商的装置可以互相通讯进而扩大应用的范畴与排除地理位置限制。

两面向拆解LoRaWAN

可以将LoRaWAN技术简单归纳成两个面向：

第一个面向是，从实体网络基础建设布建与装置关系来看。LoRa技术基于星状(Star)的网络拓扑架构(图2)，表1则归纳了目前LoRa网络所需的设备与其功能。

图2 LoRaWAN网络架构

第二个面向为LoRaWAN通讯协议。如表2所示，目前终端装置与网关间的通讯就媒体访问控制(MAC)层的行为模式分为三大类别(Class)。在通讯协议中星状拓扑数据传输方向分为上行(Uplink)与下行(Downlink)。上行代表装置对网关发送数据，反之，下行为网关对装置发送数据。图3简述此三种类别的收发行为。

LoRaWAN装置启动入网方式简介

前面已经说明了装置在做传输时运作的类别，接下来说明LoRaWAN如何接受并启动传输资料的入网机制，此部分可以思考成装置合法与否的确认机制。

图3 LoRaWAN终端装置类别运作图例说明

目前有两种启动方式，分别为ABP(Activation By Personalization)与OTAA(On The Air Activiation)两种，个别的详细内容如图4所述。

图4 LoRaWAN装置提供ABP与OTAA两种启动入网方式

LoRaWAN认证现况说明

LoRa联盟为了实现将来为数众多的物联网装置的兼容性，透过制定各区域或国家地区的统一通讯规范，让各区域不同国家制造商所生产的LoRaWAN装置实现互通，这些区域规范都是参考各国家区域的LPWAN无线频段安规所制定。此一标准规范汇整于LoRaWAN文件Regional Parameters中，目前最新版本为v1.1。表3为目前LoRa联盟所订定的国家或区域的频道规范简单整理说明。

接下来针对EU868、US915、AS923与CN470等主要的区域规范做进一步的说明。目前大多数国家针对免费频段多规范使用于工业、科学与医疗(Industrial， Scientific and Medical， ISM)频段或者无线射频辨识(RFID)频段中，各区域的介绍将以各区域中的使用频段、频道信息、传输速度及安规等重点项目做整理说明。

EU 863-870MHz ISM频段

频段部分为基于欧洲电信标准协会(ETSI) [EN300.220] ISM规范，欧盟(EU)采868~870MHz频段。而频道如表4所示，欧洲区LoRa规范强制频道三个，而ESTI规范下至少使用十六个频道。至于安规部分，采用工作周期(Duty Cycle)方式限制占用频道的时间。

US 902-928 ISM频段

在频段方面，基于FCC Part.15规范，LoRa使用902~928MHz。频道部分如图5所示，上行共有六十四个125kHz频道与八个500kHz频道，下行有八个500kHz频道。其传输速率达0.98~5kbps，而安规部分，频道占用400msec限制(FHSS跳频系统)。

图5 US915频道规范

AS923 ISM频段

其频段如表5所示，AS923区域内各国均采用相同的强制频道。LoRa大部分使用920~928MHz频段。以国家别整理如下：文莱(Brunei)923~925MHz、柬埔寨(Cambodia)923~925MHz、印度尼西亚(Indonesia)923~925MHz、日本920~928MHz、老挝(Laos)923~925MHz、纽西兰915~928MHz、新加坡920~925MHz、泰国920~925MHz以及越南(Vietnam)920~925MHz。

在频道方面，所使用频道数目与频率依各国安规规范有所不同；安规部分，频道使用机制台湾地区NCC走类似美国联邦电信委员会(FCC)精神，也有国家采用Duty Cycle规范。

CN 470-510MHz频段

在频段方面，基于中国国家无线电管理委员会(SRRC)规范，LoRa使用470~510MHz，而其频道如图6所示，上行共有九十六个125kHz频道，下行有四十八个125kHz频道。其传输速率介于0.25~5kbps，而安规部分，频道占用时间不可以大于5，000msec。

图6 CN470规范频道

LoRaWAN系统整合　 实例分析说明

前面已经介绍了LoRaWAN的架构及各项协议规范，接着透过一个简单的LoRaWAN网络建构作为LPWAN实际应用概念性验证(Proof Of Concept， POC)范例。如前面图2所示，一个LoRa网络可以是电信业者如亚太电信等营运商等级的LoRa基础建设，也可以依单一区域、工厂、小区或者家庭为基础来进行布建，这部分的特性是目前NB-IoT等第三代合作伙伴计划(3GPP)制定的协议较不易实现的架构。表6列出了此一基础建置所需的设备列表。

网关部分，目前海内外有非常多厂商可供选择，同时很多厂商都有提供内建服务器的网关产品。基本的硬件配备大多为：上行支持频道数八或十六频道、下行频道一至二频道、具备以太网络(Ethernet)或无线局域网络(Wi-Fi)接口，或者支持全球卫星定位系统(GPS)以及3G/4G网卡扩充功能。软件部分大多支持UDP Packet Forwarder、MQTT、RESTful等通讯协议，提供外部服务器或者应用程序进行数据存取。而户外型的网关，则大多配备高增益天线与防水功能。

LoRaWAN装置以模块而言，目前市面上有两大类，分别为COB(Chip On Board)的模块，与透过晶粒(Die)堆栈与封装的SiP(System in Package)设计。SiP是将LoRa芯片与微处理器(MCU)甚至GPS芯片等晶粒透过三维(3D)堆栈封装成一颗芯片的设计，此类设计最大的优点在于整个产品的尺寸减少非常多，更让应用面产品设计较为精简与单纯。图7针对市面上模块与SiP模块尺寸外观做简单比较，可以看出两者之间物理尺寸的差异。

图7 左为微芯(Microchip) RN2903 LoRa模块尺寸17.8毫米(mm)×26.7毫米×3.34毫米，右为群登LoRa SiP模块尺寸11毫米×13毫米×1.1毫米。

建构一个POC阶段的LoRaWAN网络架构并没有想象中的复杂与困难。透过海内外厂商多款内建服务器的网关搭配AcSiP基于Arduino平台为基础的LoRa智慧积木，或者任何兼容于LoRaWAN协议的终端装置，可以快速地建构一个区域性LoRaWAN网络，透过Arduino平台丰富的传感器(Sensor)支持装置与庞大社群的软件资源，可以快速地建构应用的架构雏型来验证各式各样的物联网应用。

如图8所示，透过简单的网关装设与一台个人计算机(PC)或服务器建置出一个落地的LoRa网络，终端装置透过LoRa无线射频将传感器数据发送给室内型或户外型网关；应用层面则可以透过PC或服务器的软件架设对网关进行数据存取与储存，亦可以透过网关发送控制封包给装置端进而建构完整的双向传输网络。

目前内建服务器的网关非常普遍，同时支持多种物联网数据存取协议，例如基于TCP/IP协议已变成国际标准化组织(ISO)标准的MQTT、RESTful API等。可以透过这些协议搭配Python或者Node-RED等直觉性的开发工具，快速地建构出各种应用情境与架构。

以群登的LoRa智慧积木销售套件为例，图8中网关部分，可以自由选择搭配两家室内型LoRa网关生产厂商的产品，终端部分套件里有基于Arduino处理器平台且内建了温度、湿度及三轴加速器等感应装置。同时预留了许多周边接口与通用输入/输出(GPIO)让使用者可以方便地整合各种所需的传感器。亦附有电池以便于不方便接电的环境下仍能进行数据收集。

图8 POC阶段LoRaWAN网络架构

而图9介绍透过Node-RED直觉式的程序撰写搭配MQTT等组件实作的IoT Dashboard范例，所有相关程序代码均为开源方式提供。

图9 基于Node-RED环境所开发LoRa装置仪表板应用范例

无线射频讯号的传输距离，在环境中会有许多变因造成传输效能降低，不考虑太复杂的影响变因下，目前LoRa技术经实测确实有极佳的抗干扰性，在接收灵敏度也有相当不错的表现。

图10显示从石门水库大坝沿着大汉溪空旷河谷采用0 dBi天线下测得传输距离最远可达16公里(km)，在空旷处有非常好的传送效能。另外，在都会区的测试部分，将网关架设于桃园新光大楼十楼位置，约可以涵盖半径大约2公里上下的范围传输。不过，在真实场域可能会因为建物的阻隔等环境影响而有增减。整体而言，实测数据显示LoRa技术在传输距离上确实有不错的表现。

图10 SF12带宽125kHz + 20dBm输出功率下实测结果

面对其他技术挑战　LoRa发展依然看好

面对NB-IoT等新技术威胁，LoRa仍然小心翼翼地面对，硬件方面新一代更为便宜、尺寸更小且效能更佳的芯片也将于今年三月上市，希望透过较低的成本价格、效能与功耗的改良、辅以降低应用设计复杂度等面向调整，期待能以更有竞争力与良好性价比的产品线保持竞争力。2018年1月升特于美国国际消费性电子展(CES)所揭露的新一代LoRa芯片就是基于这些基础所推出的新产品。图11为SX126X的功能结构图，与2013年所发表的前一代芯片相比有许多新的设计与效能部分的提升。

图11 新一代LoRa芯片的功能结构方块图

主要聚焦的功能与改善包括：芯片尺寸减少了45%，新芯片尺寸只有4毫米×4毫米；接收模式的功耗降低了50%，原为9毫安已降至4.6毫安；传输距离增加20%，而同一颗芯片支持全球Sub-1G频段的使用，频率范围为150~960MHz。为减低应用的开发的复杂度，导入协议引擎(Protocol Engine)，透过硬件实作的协议引擎搭配256Bytes的数据缓冲区(Data Buffer)提供使用者应用程序编程接口(Application Programming Interface)的扩展命令，应用开发者可以用更精简的程序达到LoRa程序的开发。原厂数据显示处理器只需要用十行程序代码就能编写出LoRa传输与接收的功能。

其他改善部分，还有针对中、短无线涵盖范围应用且需要较多装置收发数据的应用需求，增加了展频因子SF5(Separating Factor 5)的速率，借助提高实际的LoRa传输速率，进而增进频道的利用率，让网关可以支持更多装置的数据传输。前述的这些改进设计揭露了LoRa面对新技术的竞争与挑战，持续的改善成本与效能，希望开辟出一块属于自己在物联网市场的一片天地。

另一方面，就组建整个LoRaWAN网络的软件协议的部分，LoRa联盟于去年提出v1.1的新版本，对于稳定性以及未来更大量装置的网络建构所面临的问题，新协议在网络的安全机制、新的区域规范提出、核心服务器后端接口(Back-end Interfaces)与服务器间数据交换规范等均做了改进。

主要改进设计含括了LoRaWAN装置在不同LoRa营运商(Operator)间的漫游(Roaming)机制部分，除原有的被动式漫游基础下增加了跨营运商的切换漫游(Handover Roaming)机制；拥有终端装置Class B完整传输方案，以及Class A与Class C的动态切换；为了应对未来移动装置漫游的需求，增加了入网服务器(Join Server)的设置，提供漫游时装置切换LoRa营运商时可以进行装置的资格与特性等参数的确认。

而在安全部分，AES加密的密钥由原来的三把扩充为五把，让数据的完整性与安全性更为严谨。具备空中在线升级(Firmware Upgrade Over-the-Air)，能透过无线的方式进行必要的软件更新。

根据LoRa联盟2017年度报告的数据显示，在整个2017年取得LoRaWAN认证的产品或模块数目较2016年增加五十一个，成长率为176%。另全球新增的LoRaWAN网络增加了三十一个，成长率为100%。目前超过一百个以上国家有提供LoRa网络服务，营运商等级的会员有五十四家。联盟成员也稳定增加，以数据来看是呈现持续成长的态势。

与NB-IoT相较，因为LoRa较早进行推广与应用导入，现阶段在成本与成熟度仍有一些优势。可以简单地建构私有化的网络，依旧吸引许多系统商与应用商的投入。不可讳言地，使用免费频段有较严重的干扰问题存在，但是在物联网技术的竞逐舞台上，LoRa后续的发展，还是值得持续关注。