依據(jù)ABI研究，全球的物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)機(jī)到2023年將超過(guò)10億，這也是海量物聯(lián)網(wǎng)(Massive IoT)概念的實(shí)現(xiàn)。Sigfox認(rèn)為萬(wàn)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用應(yīng)僅需要傳送少量的數(shù)據(jù)，其網(wǎng)絡(luò)小型訊息與低功耗的特性，適合應(yīng)用在無(wú)需回傳大訊息量的情境。

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展讓低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network,LPWAN)應(yīng)用需求大增，其中一個(gè)明星技術(shù)Sigfox認(rèn)為萬(wàn)物互連的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用應(yīng)僅需要傳送少量的數(shù)據(jù)，其網(wǎng)絡(luò)“小型訊息”與“低功耗”的特性，適合應(yīng)用在無(wú)需回傳大訊息量的情境。因此，Sigfox網(wǎng)絡(luò)適用于數(shù)據(jù)傳輸量較小、且有耗電考慮的情境。在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的范躊里面，金字塔的底層才是Sigfox的目標(biāo)(如圖1)。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用類型與不同LPWAN技術(shù)目標(biāo)市場(chǎng)

Sigfox技術(shù)原理

Sigfox將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，以低價(jià)格、低消耗功率、簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)達(dá)成全球范圍的服務(wù)。依據(jù)ABI研究，全球的物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)機(jī)到2023年將超過(guò)10億，這也是海量物聯(lián)網(wǎng)(Massive IoT)概念的實(shí)現(xiàn)。Sigfox采用Sub-1GHz非授權(quán)頻段頻段進(jìn)行通訊，這種無(wú)線電波為運(yùn)作頻率在1GHz以下的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療專用頻段。

這些頻段大多無(wú)需許可證或費(fèi)用，只需要遵守一定的發(fā)射功率(一般小于1W)，并且不要對(duì)其它頻段造成干擾即可。雖然Sigfox采用不需額外申請(qǐng)、支付相關(guān)費(fèi)用的非授權(quán)頻譜，但是它卻采用蜂巢式(Cellular Style)網(wǎng)絡(luò)建置的架構(gòu)，和NB-IoT一樣需要透過(guò)廠商架設(shè)基地臺(tái)提供通訊服務(wù)，它的特性是低布建成本與較高的訊號(hào)接收質(zhì)量。

超窄頻(Ultra-Narrow Band, UNB)技術(shù)

Sigfox的超窄頻技術(shù)，采用200kHz(實(shí)際使用為192kHz)帶寬來(lái)傳遞訊息，每個(gè)訊息長(zhǎng)度為100Hz，根據(jù)不同無(wú)線配置區(qū)的規(guī)范傳輸速度分為100bps(RCZ1/RCZ3)與600bps(RCZ2/RCZ4)兩種(圖2)。也因其超窄頻的技術(shù)，可以在極低電力消耗下達(dá)到大范圍的訊號(hào)涵蓋。Sigfox特性就是長(zhǎng)距離及低數(shù)據(jù)量傳輸，非常的符合物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求，且硬件裝置設(shè)計(jì)上比傳統(tǒng)的移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)(2G/3G/4G)又更簡(jiǎn)單、更省電、更便宜。

圖2 Sigfox超窄頻UNB傳輸模式

此外，Sigfox的超窄頻技術(shù)在頻譜上相較于其他通訊技術(shù)所占的帶寬明顯小上許多，亦即訊號(hào)之間不容易互相碰撞、干擾，且在相同帶寬上能同時(shí)傳送的訊息量也較多(圖3)。

圖3 Sigfox超窄頻技術(shù)接收數(shù)據(jù)相較一般無(wú)線技術(shù)多

隨機(jī)存取(Random Access)

Sigfox在確保傳輸有效性的情況下，會(huì)在三個(gè)不同時(shí)間(毫秒)內(nèi)于不同頻率發(fā)送三封訊息到終端設(shè)備附近的站臺(tái)，并依照不同的無(wú)線配置區(qū)而有不同的數(shù)據(jù)傳輸率(Data Rate)(RCZ1/3：100bps、RCZ2/4：600bps)(圖4)，以RCZ2/RCZ4為例，從發(fā)送訊息到Sigfox云端(Cloud)需要0.36秒。

圖4 Sigfox隨機(jī)存取架構(gòu)示意

多重接收(Cooperative Reception)

而在接收基地站臺(tái)的部分，Sigfox采用多重傳送接收模式，確保傳出的訊息能夠被周遭三個(gè)以上不同的基地站臺(tái)收到(圖5)，借助此方式確保裝置所傳送訊息接收的成功率。

圖5 Sigfox多重接收架構(gòu)示意

小型訊息(Small Messages)

為達(dá)到低成本、低耗能的目標(biāo)，Sigfox設(shè)計(jì)出了專為物聯(lián)網(wǎng)小型訊息應(yīng)用的通訊協(xié)議，此小型訊息可傳載0到12bytes的資料。而12bytes的數(shù)據(jù)可以包含哪些內(nèi)容？若以GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)來(lái)說(shuō)只需要6bytes，而溫度以及加速度等信息也僅需要2bytes，而若應(yīng)用只需要做on/off的切換的話也只需要1/8bytes，若更簡(jiǎn)單的應(yīng)用如只需要確認(rèn)設(shè)備是否還在運(yùn)作與否的話也只需要傳回heartbeat信息且不占用任何數(shù)據(jù)量(圖6)。

圖6 小型訊息所需要的數(shù)據(jù)量

雙向傳送(Bi-directional)

由于Sigfox技術(shù)是以物為主的技術(shù)，故下行(Downlink)訊息的啟動(dòng)必須由裝置/傳感器觸發(fā)，且由裝置傳送后會(huì)產(chǎn)生20秒鐘的延遲，而接收端最多會(huì)等待25秒以接收相關(guān)訊息。

Sigfox網(wǎng)絡(luò)特性解析

扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Sigfox扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是將網(wǎng)絡(luò)的資本及維運(yùn)支出極小化的關(guān)鍵，降低總營(yíng)運(yùn)成本，Sigfox的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)于圖7可見(jiàn)，由設(shè)備端到基地站、基地站到Sigfox云端(Cloud)至應(yīng)用端的IT平臺(tái)。

圖7 Sigfox扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

其中，設(shè)備端可分為上行(Uplink)與下行(Downlink)兩種模式，以設(shè)備端作為觸發(fā)，提供雙向數(shù)據(jù)傳輸模式，依歐盟歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ETSI)規(guī)范上行傳送單日不可超過(guò)140次，單一訊息數(shù)據(jù)傳輸量最大為12bytes、下行傳送單日不可超過(guò)四次，單次數(shù)據(jù)傳輸量最大為8bytes。而回傳的數(shù)據(jù)都會(huì)透過(guò)站臺(tái)回傳到Sigfox云端后臺(tái)(Backend)中儲(chǔ)存。User可再透過(guò)Sigfox云端后臺(tái)設(shè)定將數(shù)據(jù)傳回至應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)一步作為開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

從傳輸層面，設(shè)備端到站臺(tái)會(huì)透過(guò)一組經(jīng)由Sigfox認(rèn)證過(guò)的Private Key進(jìn)行傳輸，而從站臺(tái)到Sigfox云端方面則會(huì)透過(guò)VPN聯(lián)機(jī)。最后，Sigfox云端到外部的應(yīng)用平臺(tái)則是透過(guò)HTTPS的通訊協(xié)議，以確保數(shù)據(jù)傳送的安全性。從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖可知，Sigfox所提供的服務(wù)并非僅有網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)，客戶可以直接連結(jié)云端服務(wù)，Sigfox的云端系統(tǒng)整合服務(wù)，能夠降低用戶開(kāi)發(fā)程序、存取數(shù)據(jù)的復(fù)雜度，用戶只需在計(jì)算機(jī)上利用Sigfox云端服務(wù)平臺(tái)，就能聯(lián)機(jī)至物聯(lián)網(wǎng)裝置。這么一來(lái)，企業(yè)便無(wú)須擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間等基礎(chǔ)設(shè)施的建構(gòu)，可以更專注于IoT服務(wù)的開(kāi)發(fā)。

輕量化通訊協(xié)議

Sigfox與一般通訊規(guī)范的不同在于其為物聯(lián)網(wǎng)裝置優(yōu)化而設(shè)計(jì)的通訊協(xié)議，由于一般通訊協(xié)議是為了傳輸大量數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)，在傳輸過(guò)程中需要較多協(xié)議附加數(shù)據(jù)(Header)，因此協(xié)議中的附加數(shù)據(jù)會(huì)較大，這種情況對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)裝置來(lái)說(shuō)相當(dāng)吃虧，由于每次只傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量都很小，如果無(wú)法縮小協(xié)議附加數(shù)據(jù)的容量，就代表通訊流量中有很大比例浪費(fèi)在傳送協(xié)議的附加數(shù)據(jù)，而非真正的用戶數(shù)據(jù)。Sigfox通訊協(xié)議傳送較少的協(xié)議附加數(shù)據(jù)，能省下更多流量。由于Sigfox的小型訊息(Small Message)特性，使得終端設(shè)備得以消耗較低的電能即可傳送訊息，因此終端設(shè)備的電池使用壽命亦能得到延長(zhǎng)進(jìn)而達(dá)到省電的目標(biāo)(圖8)。

圖8 Sigfox輕量化通訊協(xié)議

無(wú)線配置區(qū)(Radio Configuration Zone, RCZ)

Sigfox目前在全球共劃分為四個(gè)無(wú)線配置區(qū)(Radio Zone)，不同無(wú)線配置區(qū)域之頻率也不相同，如下所示：RCZ1：歐洲、中東(阿曼、伊朗)與南非、突尼西亞、阿拉伯聯(lián)合大公國(guó)。RCZ2：美洲(美國(guó)、墨西哥、巴西)。RCZ3：日本。RCZ4：紐西蘭、澳洲、新加坡、***地區(qū)、香港地區(qū)、哥倫比亞、阿根廷、哥斯達(dá)黎加、泰國(guó)、馬來(lái)西亞、厄瓜多爾、巴拿馬、薩爾瓦多等地。

Sigfox應(yīng)用

Sigfox技術(shù)應(yīng)用的四大特性就是：低功耗的聯(lián)機(jī)裝置、全球的聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、簡(jiǎn)易的使用模式及低總運(yùn)營(yíng)成本。由于Sigfox的小型訊息特性，使得終端設(shè)備得以消耗較低的電能即可傳送訊息，因此終端設(shè)備的電池使用壽命亦能得到延長(zhǎng)進(jìn)而達(dá)到省電用途，以Sigfox自行推出的多合一裝置Sensit為例，集合了六種傳感器(溫度、濕度、亮度、加速度計(jì)、磁力儀、磁簧開(kāi)關(guān))與一個(gè)智能按鈕，其使用期限可高達(dá)一年。Sigfox也分別在西班牙與美國(guó)等多個(gè)不同場(chǎng)域部署了智慧停車解決方案，而由在***的實(shí)測(cè)也發(fā)現(xiàn)Sigfox的停車傳感器電池壽命遠(yuǎn)比其他通訊技術(shù)來(lái)得久。

此外，借助全球物聯(lián)網(wǎng)通訊服務(wù)的特性，終端設(shè)備只要綁定一個(gè)服務(wù)合約即可在涵蓋Sigfox物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的國(guó)家中可使用，無(wú)須支付漫游費(fèi)用，而現(xiàn)行Sigfox物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)部署在全球46個(gè)國(guó)家。其中較著名的應(yīng)用有2018年4月發(fā)表的Louis Vuitton Echo以及米其林(Michelin)的跨洲際海運(yùn)貨物的流量追蹤解決方案。

Louis Vuitton Echo的大小約為110×15×20mm，當(dāng)你把它放在箱內(nèi)專屬的綁帶下面后，裝置本身不占據(jù)太多的空間。而在續(xù)航力方面，每次充電只要一小時(shí)，便可維持六個(gè)月的使用時(shí)間。做為L(zhǎng)V Horizon旅行箱的配件，Echo能借助內(nèi)建的光線傳感器，在箱內(nèi)偵測(cè)行李是否被人打開(kāi)。除此之外它還支持Sigfox的Monarch移動(dòng)定位服務(wù)(Echo有三年的免費(fèi)使用期)，讓用戶可以在全球各主要機(jī)場(chǎng)透過(guò)LV Pass軟件快速了解自己行李的狀態(tài)。

Monarch移動(dòng)定位服務(wù)于2017年9月在世界物聯(lián)網(wǎng)博覽會(huì)上亮相，是Sigfox推出的一項(xiàng)全新服務(wù)，通過(guò)自動(dòng)識(shí)別和對(duì)應(yīng)當(dāng)?shù)?a target="_blank">射頻標(biāo)準(zhǔn)，使追蹤設(shè)備能夠在世界各地?zé)o縫運(yùn)行。全球電信營(yíng)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)依照地理區(qū)域劃分為三區(qū)，Monarch的使用將突破限制，為物流和供應(yīng)鏈、消費(fèi)市場(chǎng)以及航運(yùn)、飛機(jī)和鐵路產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化維護(hù)開(kāi)啟了新興的應(yīng)用模式。資產(chǎn)追蹤(物流產(chǎn)業(yè))是巨量物聯(lián)網(wǎng)中最重要的垂直產(chǎn)業(yè)，然而Monarch的誕生代表著重大的突破。在未來(lái)幾年數(shù)百萬(wàn)的商機(jī)中，這個(gè)項(xiàng)目代表第一個(gè)實(shí)際商轉(zhuǎn)的重要里程碑。Sigfox的價(jià)值定位是目前唯一讓這樣的商業(yè)模式可行的技術(shù)：全球同一網(wǎng)絡(luò)、低成本、低耗能又簡(jiǎn)單使用的結(jié)合。

而米其林借助Sigfox France和Argon Consulting所共同開(kāi)發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)的解決方案，也是運(yùn)用Sigfox技術(shù)來(lái)追蹤跨洲際海運(yùn)貨物的流量，另外，Sigfox使用的頻段無(wú)需許可證或授權(quán)等費(fèi)用，因此在終端設(shè)備的制造上也無(wú)需額外支付任何權(quán)利金，可大幅降低終端設(shè)備的制造成本，而這些終端設(shè)備的Sigfox物聯(lián)網(wǎng)連接費(fèi)用也相對(duì)低廉，可讓萬(wàn)物聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)加速達(dá)成。