SIGFOX - WHAT WILL YOU CONNECT?
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來源：2cm 作者：杨纯福
依據ABI研究，全球的物聯網聯機到2023年將超過10億，這也是海量物聯網(Massive IoT)概念的實現。Sigfox認為萬物聯網的應用，應僅需要傳送少量的數據，其網路小型訊息與低功耗的特性，適合應用在無需回傳大訊息量的情境。
物聯網的發展，讓低功耗廣域網(Low Power Wide Area Network，LPWAN)應用需求大增，其中一個明星技術Sigfox認為，萬物互連的物聯網應用應，僅需要傳送少量的數據，其網路「小型訊息」與「低功耗」的特性，適合應用在無需回傳大訊息量的情境。
因此，Sigfox網路適用於數據傳輸量較小、且有耗電考慮的情境。在整個物聯網應用的範躊裡面，金字塔的底層才是Sigfox的目標(如圖1)。
因此，Sigfox網路適用於數據傳輸量較小、且有耗電考慮的情境。在整個物聯網應用的範躊裡面，金字塔的底層才是Sigfox的目標(如圖1)。
圖1 物聯網應用類型與不同LPWAN技術目標市場
Sigfox技術原理
Sigfox將物聯網數據傳輸，以低價格、低消耗功率、簡單的設計達成全球範圍的服務。依據ABI研究，全球的物聯網聯機到2023年將超過10億，這也是海量物聯網(Massive IoT)概念的實現。
Sigfox採用Sub-1GHz非授權頻段進行通訊，這種無線電波為運作頻率在1GHz以下的工業、科學和醫療專用頻段。這些頻段大多無需許可證或費用，只需要遵守一定的發射功率(一般小於1W)，並且不要對其它頻段造成干擾即可。
雖然Sigfox採用不需額外申請、支付相關費用的非授權頻譜，但是它卻採用蜂巢式(Cellular Style)網路建置的架構，和NB-IoT一樣，需要透過廠商架設基地台，提供通訊服務，它的特性是低布建成本，與較高的訊號接收品質。
雖然Sigfox採用不需額外申請、支付相關費用的非授權頻譜，但是它卻採用蜂巢式(Cellular Style)網路建置的架構，和NB-IoT一樣，需要透過廠商架設基地台，提供通訊服務，它的特性是低布建成本，與較高的訊號接收品質。
超窄頻(Ultra-Narrow Band，UNB)技術
Sigfox的超窄頻技術，採用200kHz(實際使用為192kHz) 頻寬來傳遞訊息，每個訊息長度為100Hz，根據不同無線配置區的規範，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，可以在極低電力消耗下，達到大範圍的訊號涵蓋。Sigfox特性就是長距離及低數據量傳輸，非常的符合物聯網的應用需求，且硬體裝置設計上，比傳統的行動通訊網路(2G/3G/4G)又更簡單、更省電、更便宜。
也因其超窄頻的技術，可以在極低電力消耗下，達到大範圍的訊號涵蓋。Sigfox特性就是長距離及低數據量傳輸，非常的符合物聯網的應用需求，且硬體裝置設計上，比傳統的行動通訊網路(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的超窄頻技術在頻譜上，相較於其他通訊技術所佔的頻寬明顯小上許多，亦即訊號之間不容易互相碰撞、干擾，且在相同頻寬上，能同時傳送的訊息量也較多(圖3)。
圖3 Sigfox超窄頻技術接收數據相較一般無線技術多
隨機存取(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)內於不同頻率，發送三封訊息到終端設備附近的基地台，並依照不同的無線配置區，而有不同的數據傳輸率(Data Rate)(RCZ1/3：100bps、RCZ2/4：600bps)(圖4)，以RCZ2/RCZ4為例，從發送訊息到Sigfox雲端(Cloud)需要0.36秒。
圖4 Sigfox隨機存取架構示意
多重接收(Cooperative Reception)
而在接收基地台的部分，Sigfox採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，不同的基地台收到(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多重接收架構示意
小型訊息(Small Messages)
為達到低成本、低耗能的目標，Sigfox設計出了專為物聯網小型訊息應用的通訊協議，此小型訊息可傳載0到12bytes的資料。而12bytes的數據，可以包含哪些內容？
若以GPS經緯度坐標來說只需要6bytes，而溫度以及加速度等訊息也僅需要2bytes，而若應用只需要做on/off的切換的話，也只需要1/8bytes，若更簡單的應用如只需要確認設備，是否還在運作與否的話，也只需要傳回heartbeat訊息，且不佔用任何數據量(圖6)。
若以GPS經緯度坐標來說只需要6bytes，而溫度以及加速度等訊息也僅需要2bytes，而若應用只需要做on/off的切換的話，也只需要1/8bytes，若更簡單的應用如只需要確認設備，是否還在運作與否的話，也只需要傳回heartbeat訊息，且不佔用任何數據量(圖6)。
圖6 小型訊息所需要的數據量
雙向傳送(Bi-directional)
由於Sigfox技術是以物為主的技術，故下行(Downlink)訊息的啓動，必須由裝置/傳感器觸發，且由裝置傳送後會產生20秒鐘的延遲，而接收端最多會等待25秒，以接收相關訊息。
Sigfox網路特性解析
扁平化網路架構
Sigfox扁平化的網路架構，是將網路的資本及維運支出極小化的關鍵，降低總營運成本，Sigfox的網路架構於圖7可見，由設備端到基地站、基地站到Sigfox雲端(Cloud)至應用端的IT平台。
圖7 Sigfox扁平化網絡架構
其中，設備端可分為上行(Uplink)與下行(Downlink)兩種模式，以設備端作為觸發，提供雙向數據傳輸模式，依歐盟歐洲電信標準協會(ETSI)規範，上行傳送單日不可超過140次，單一訊息數據傳輸量最大為12bytes、下行傳送單日不可超過四次，單次數據傳輸量最大為8bytes。
而回傳的數據，都會透過基地台回傳到Sigfox雲端後台(Backend)中儲存。User可再透過Sigfox雲端後台設定，將數據傳回至應用平台，進一步作為開發應用。
而回傳的數據，都會透過基地台回傳到Sigfox雲端後台(Backend)中儲存。User可再透過Sigfox雲端後台設定，將數據傳回至應用平台，進一步作為開發應用。
從傳輸層面，設備端到基地台，會透過一組經由Sigfox認證過的Private Key進行傳輸，而從基地台到Sigfox雲端方面則會透過VPN聯機。最後，Sigfox雲端到外部的應用平台，則是透過HTTPS的通訊協議，以確保數據傳送的安全性。
從網路架構圖可知，Sigfox所提供的服務，並非僅有網路聯機，客戶可以直接連結雲端服務，Sigfox的雲端系統整合服務，能夠降低用戶開發程序、存取數據的複雜度，用戶只需在電腦上利用Sigfox雲端服務平台，就能聯機至物聯網裝置。這麼一來，企業便無須擔心，網路與數據儲存空間等基礎設施的建構，可以更專注於IoT服務的開發。
輕量化通訊協議
Sigfox與一般通訊規範的不同，在於其為物聯網裝置優化，而設計的通訊協議，由於一般通訊協議是為了傳輸大量數據而設計，在傳輸過程中，需要較多協議附加數據(Header)，因此協議中的附加數據會較大，這種情況對於物聯網裝置來說相當吃虧，由於每次只傳輸數據的數據量都很小，如果無法縮小協議附加數據的容量，就代表通訊流量中，有很大比例浪費在傳送協議的附加數據，而非真正的用戶數據。
Sigfox通訊協議傳送較少的協議附加數據，能省下更多流量。由於Sigfox的小型訊息(Small Message)特性，使得終端設備得以消耗較低的電能，即可傳送訊息，因此終端設備的電池使用壽命，亦能得到延長，進而達到省電的目標(圖8)。
圖8 Sigfox輕量化通訊協議
無線配置區(Radio Configuration Zone, RCZ)
Sigfox目前在全球共劃分為四個無線配置區(Radio Zone)，不同無線配置區域之頻率也不相同，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、台灣、香港、哥倫比亞、阿根廷、哥斯達黎加、泰國、馬來西亞、厄瓜多爾、巴拿馬、薩爾瓦多等地。
Sigfox應用
Sigfox技術應用的四大特性就是：低功耗的聯機裝置、全球的聯網服務、簡易的使用模式及低總營運成本。
由於Sigfox的小型訊息特性，使得終端設備得以消耗較低的電能即可傳送訊息，因此終端設備的電池使用壽命，亦能得到延長進而達到省電用途，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)與一個智慧按鈕，其使用期限可高達一年。
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，而由在台灣的實測也發現，Sigfox的停車傳感器電池壽命，遠比其他通訊技術來得久。
此外，借助全球物聯網通訊服務的特性，終端設備只要綁定一個服務合約，即可在涵蓋Sigfox物聯網網絡的國家中可使用，無須支付漫遊費用，而現行Sigfox物聯網網路，已經部署在全球46個國家。其中較著名的應用有2018年4月發表的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，當你把它放在箱內專屬的綁帶下面後，裝置本身不佔據太多的空間。
而在續航力方面，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能借助內建的光線傳感器，在箱內偵測行李是否被人打開。
除此之外它還支持Sigfox的Monarch行動定位服務(Echo有三年的免費使用期)，讓用戶可以在全球各主要機場，透過LV Pass軟體，快速瞭解自己行李的狀態。
而在續航力方面，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能借助內建的光線傳感器，在箱內偵測行李是否被人打開。
除此之外它還支持Sigfox的Monarch行動定位服務(Echo有三年的免費使用期)，讓用戶可以在全球各主要機場，透過LV Pass軟體，快速瞭解自己行李的狀態。
Monarch行動定位服務，於2017年9月在世界物聯網博覽會上亮相，是Sigfox推出的一項全新服務，透過自動變識和對應當地射頻標準，使追蹤設備能夠在世界各地無縫運行。全球電信營運標準依照地理區域劃分為三區，Monarch的使用將突破限制，為物流和供應鏈、消費市場以及航運、飛機和鐵路產業的自動化維護開啓了新興的應用模式。
資產追蹤(物流產業)，是巨量物聯網中最重要的垂直產業，然而Monarch的誕生，代表著重大的突破。在未來幾年數百萬的商機中，這個項目代表第一個實際商轉的重要里程碑。
Sigfox的價值定位，是目前唯一讓這樣的商業模式可行的技術：全球同一網路、低成本、低耗能又簡單使用的結合。
Sigfox的價值定位，是目前唯一讓這樣的商業模式可行的技術：全球同一網路、低成本、低耗能又簡單使用的結合。
而米其林借助Sigfox France和Argon Consulting，所共同開發的物聯網的解決方案，也是運用Sigfox技術，來追蹤跨洲際海運貨物的流量。
另外，Sigfox使用的頻段，無需許可證或授權等費用，因此在終端設備的製造上，也無需額外支付任何權利金，可大幅降低終端設備的製造成本，而這些終端設備的Sigfox物聯網連接費用，也相對低廉，可讓萬物聯網的目標加速達成。
另外，Sigfox使用的頻段，無需許可證或授權等費用，因此在終端設備的製造上，也無需額外支付任何權利金，可大幅降低終端設備的製造成本，而這些終端設備的Sigfox物聯網連接費用，也相對低廉，可讓萬物聯網的目標加速達成。
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