依據(jù)ABI研究，全球的物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)機(jī)到2023年將超過10億，這也是海量物聯(lián)網(wǎng)(Massive IoT)概念的實現(xiàn)。Sigfox認(rèn)為萬物聯(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，其中一個明星技術(shù)Sigfox認(rèn)為萬物互連的物聯(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

Sigfox技術(shù)原理

Sigfox將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，以低價格、低消耗功率、簡單的設(shè)計達(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10億，這也是海量物聯(lián)網(wǎng)(Massive IoT)概念的實現(xiàn)。Sigfox采用Sub-1GHz非授權(quán)頻段頻段進(jìn)行通訊，這種無線電波為運作頻率在1GHz以下的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療專用頻段。

這些頻段大多無需許可證或費用，只需要遵守一定的發(fā)射功率(一般小于1W)，并且不要對其它頻段造成干擾即可。雖然Sigfox采用不需額外申請、支付相關(guān)費用的非授權(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一樣需要透過廠商架設(shè)基地臺提供通訊服務(wù)，它的特性是低布建成本與較高的訊號接收質(zhì)量。

超窄頻(Ultra-Narrow Band, UNB)技術(shù)

Sigfox的超窄頻技術(shù)，采用200kHz(實際使用為192kHz)帶寬來傳遞訊息，每個訊息長度為100Hz，根據(jù)不同無線配置區(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)到大范圍的訊號涵蓋。Sigfox特性就是長距離及低數(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)計上比傳統(tǒng)的移動通訊網(wǎng)絡(luò)(2G/3G/4G)又更簡單、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，亦即訊號之間不容易互相碰撞、干擾，且在相同帶寬上能同時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，會在三個不同時間(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，并依照不同的無線配置區(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以上不同的基地站臺收到(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)來說只需要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，若更簡單的應(yīng)用如只需要確認(rèn)設(shè)備是否還在運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)訊息的啟動必須由裝置/傳感器觸發(fā)，且由裝置傳送后會產(chǎn)生20秒鐘的延遲，而接收端最多會等待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)的資本及維運支出極小化的關(guān)鍵，降低總營運成本，Sigfox的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)于圖7可見，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。

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(ETSI)規(guī)范上行傳送單日不可超過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)都會透過站臺回傳到Sigfox云端后臺(Backend)中儲存。User可再透過Sigfox云端后臺設(shè)定將數(shù)據(jù)傳回至應(yīng)用平臺進(jìn)一步作為開發(fā)應(yīng)用。

從傳輸層面，設(shè)備端到站臺會透過一組經(jīng)由Sigfox認(rèn)證過的Private Key進(jìn)行傳輸，而從站臺到Sigfox云端方面則會透過VPN聯(lián)機(jī)。最后，Sigfox云端到外部的應(yīng)用平臺則是透過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)，能夠降低用戶開發(fā)程序、存取數(shù)據(jù)的復(fù)雜度，用戶只需在計算機(jī)上利用Sigfox云端服務(wù)平臺，就能聯(lián)機(jī)至物聯(lián)網(wǎng)裝置。這么一來，企業(yè)便無須擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)儲存空間等基礎(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，在傳輸過程中需要較多協(xié)議附加數(shù)據(jù)(Header)，因此協(xié)議中的附加數(shù)據(jù)會較大，這種情況對于物聯(lián)網(wǎng)裝置來說相當(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

無線配置區(qū)(Radio Configuration Zone, RCZ)

Sigfox目前在全球共劃分為四個無線配置區(qū)(Radio Zone)，不同無線配置區(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。RCZ2：美洲(美國、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、馬來西亞、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)、簡易的使用模式及低總運營成本。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、磁力儀、磁簧開關(guān))與一個智能按鈕，其使用期限可高達(dá)一年。Sigfox也分別在西班牙與美國等多個不同場域部署了智慧停車解決方案，而由在***的實測也發(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)備只要綁定一個服務(wù)合約即可在涵蓋Sigfox物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的國家中可使用，無須支付漫游費用，而現(xiàn)行Sigfox物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)部署在全球46個國家。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，便可維持六個月的使用時間。做為LV Horizon旅行箱的配件，Echo能借助內(nèi)建的光線傳感器，在箱內(nèi)偵測行李是否被人打開。除此之外它還支持Sigfox的Monarch移動定位服務(wù)(Echo有三年的免費使用期)，讓用戶可以在全球各主要機(jī)場透過LV Pass軟件快速了解自己行李的狀態(tài)。

Monarch移動定位服務(wù)于2017年9月在世界物聯(lián)網(wǎng)博覽會上亮相，是Sigfox推出的一項全新服務(wù)，通過自動識別和對應(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縫運行。全球電信營運標(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、消費市場以及航運、飛機(jī)和鐵路產(chǎn)業(yè)的自動化維護(hù)開啟了新興的應(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。在未來幾年數(shù)百萬的商機(jī)中，這個項目代表第一個實際商轉(zhuǎn)的重要里程碑。Sigfox的價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、低耗能又簡單使用的結(jié)合。

而米其林借助Sigfox France和Argon Consulting所共同開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)的解決方案，也是運用Sigfox技術(shù)來追蹤跨洲際海運貨物的流量，另外，Sigfox使用的頻段無需許可證或授權(quán)等費用，因此在終端設(shè)備的制造上也無需額外支付任何權(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)連接費用也相對低廉，可讓萬物聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)加速達(dá)成。