用途與特色

第一章 緒論

在本章中，首先在 1.1 節介紹物聯網與 LPWA，其中包含頻段、系統架 構等。其次在 1.2 節說明 LoRaWAN 通道存取，其中包含展頻因子、占空 比等，然後在 1.3 節陳述本論文之研究動機。1.4 節則是章節安排。

1.1 物聯網與低功耗廣域網路

1.1.1 用途與特色

物聯網(Internet of Things，IoT)是指物物相連，每個裝置都可以透過網 路來互相交換訊息，具有跨產業的概念。因為物聯網是由人類、動植物、

元件、機器等所組成的大型網路以提供應用服務[16]，像是追蹤機械 (Tracking machinery)、回報 錯誤(bug report)、以及發出服務警示(alerter service)等。近年來，越來越多日常物品也會透過網際網路連線到雲端，形 成所謂的「物聯網」。物聯網的環境如圖 1-1-1 包含：環境監測(Environmental Monitoring) 、 智 能 水 網 (Smart Water Network) 、 智 能 交 通 系 統 (Smart Transportation System)等。

低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Networks，LPWAN)是一種以低 數據速率進行長距離通訊的無線網路。LPWAN 之所以受到許多關注，主 要在於能夠提供分布在廣大地理區域內，低功耗設備實惠的網路連結[1]。

因此，物聯網可透過低功耗廣域網路來實現。

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圖 1-1-1 ：IoT 環境示意圖[9]。

LPWAN 大致分成五個主要技術，其中包含 SIGFOX、LoRa、INGENU、

TELENSA、與 QOWISIO，如圖 1-1-2。以下，我們按照頻段、傳輸的速度、

調變、傳送的距離、以及 MAC 等方面比較它們的區別，並整理如表 I。關 於它們詳細的技術內容，可參考[1]。

 頻段的方面：一般使用低於 1 GHz 的頻段，只有 INGENU 是唯一使用 2.4 GHz 頻段。

 數據速率方面：SIGFOX 使用超窄頻帶，可有效利用頻寬並實現極低 的雜訊，從而實現高接收器靈敏度，超低功耗和廉價的天線設計。所 有這些好處都是以最大吞吐量僅 100 bps 做為代價，也就是設計了輕 量化的通訊協定，因此限制了SIGFOX 應用範例的數量。相對地，LoRa 數據速率則會根據展頻因子的不同，而有不同的速率，也就是以距離 作為代價去挑選適合的展頻因子。

 調變的方面：每個技術都不盡相同，但須注意LoRa 透過特殊的啁啾

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圖1-1-2：新興的專有 LPWA 技術[1]。

展頻(Chirp Spread Spectrum，CSS)技術提供雙向通訊，該技術在較寬 的通道頻寬上擴展窄帶輸入訊號。產生的訊號具有類似噪聲的特性，

使其更難以檢測。TELENSA 則設計了一種專有的 UNB 調變技術，該 技術以低數據速率，操作於免執照的子頻段。

 在傳送距離方面：各技術也依據在城市與鄉村而有不同的範圍。

 在通道數量方面，以 SIGFOX 最多。LoRa 則根據國家規定而有不同數 量的通道。在TELENSA 技術中，則無明確交代有多少數量之通道。

 媒體存取控制層(Medium Access Control，MAC)方面：SIGFOX 與 LoRa 皆使用 Pure ALOHA， INGENU 則是分碼多重存取(Code Division Multiple Access，CDMA)，而 TELENSA 沒有清楚表明所使用之 MAC 協定。

LPWAN 以低成本、低功耗設備、可提供廣域覆蓋為設計目標，主要特 點如下[1]：

 長距離，覆蓋範圍廣，可達數十公里；

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表I：LPWA 技術之比較。

 低功耗操作，電池壽命可長達 10 年；

 低數據速率，占用頻寬小，傳輸數據量少，通訊頻率低；

閘道器或基地台覆蓋範圍廣，大多數技術操作在子頻帶(Sub-GHz Band)，

網路訊號穿透力強。

須注意由於 QOWISIO 在[1]中並無詳細清楚介紹該技術的相關內容，

因此將不在表中進行比較。另外，由於本論文以LoRaWAN 之 A 類型為基 礎，以下詳細介紹該技術之其他內容。

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長距離廣域網路(Long Range Wide Area Network，LoRaWAN)是一種新 興協議，可實現低複雜度的無線通訊。本協定操作於在工業的、科學的和 醫學的頻段(Industrial Scientific Medical Band，ISM)的低功率廣域網路技術。

LoRaWAN 採用簡單的 ALOHA 通道存取方式，其核心技術架構和特性已 擴展到多個新興產業的應用，例如農業(Agriculture)、家庭自動化與安全 (Home Automation & Safety) 、 智 能 電 表 (Smart Metering) 、 物 流 追 踪 (Logistics)、災害監測(Disaster monitoring)等[1] 。