既然＂低量传输＂是物联网 (IoT) 一个重要支脉，那么，当全球频谱资源日见紧俏之际，是否能在现有频段另觅出路？仿效 SIGFOX 走独规路线，另一项同样打着低功耗广域网 (LPWAN) 旗帜的 RPMA (随机相位多址接入) 通信技术，更将心思动到了 2.4 GHz 的 ISM 通用频段上。仁宝电脑技术管理室设计经理胡健威表示，随着世界各国 2G 服务相继终止，运营商及系统整合业者急需一个解决机器对机器 (M2M) 通信的替代方案，以弥补现有 WiFi、ZigBee 等传输距离与支持节点数不足的问题；且希望它比 GSM 更省电，电池运作可长达十年以上。
照片人物：仁宝电脑技术管理室设计经理胡健威
用户更关注的是，售价必须合理到能大规模部署，以覆盖上百亿个终端传感器。胡健威将这些需求形容为＂限制物联网发展的四朵乌云”，分别是：覆盖率 (coverage)、设备容量 (capacity)、成本 (cost) 及电池使用寿命 (battery life)。他指出，智能型手机的普及，导致人们对数据的需求量急速飙升；另一方面，当手机的屏幕尺寸愈来愈大，使手机欣赏电影、动画成为常态，网络运营商亦顺势推出吃到饱的行动上网资费方案，让带宽的使用更为吃紧、带来更大压力。因此，工程人员皆将注意力集中于：如何在自家网络建立足够容量，来满足用户所需。
3GPP 窄频通信起步慢，NB- IoT 商转时程久
＂相较之下，M2M 和 IoT 所占带宽根本微不足道，故业界迟迟未提供新标准，而是将焦点放在如何更有效利用现有付费频段；最简便的方式就是关闭 2G 网络并将其释放出来＂，胡健威阐述。他介绍，RPMA 是专用于物联网上的 M2M 通信，在 2.4 GHz 免费频段操作，采用具有多址的直接序列展频 (DSSS) 技术，具有严格的发射功率控制和高接收灵敏度 (-142dBm)，信号边界值达 172 dB。此外，它可自我调变以便在网络层和设备层上找到清晰的信号，并针对最大覆盖率和电池效率进行优化。
图1：覆盖率、设备容量、成本及电池使用寿命，是限制物联网发展的四朵乌云
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胡健威深入解说，与设计用于高吞吐量但需要大量功率的蜂巢式技术相比，为节省电池寿命，RPMA 有一个特殊的连接协议：由基地台主动 ping 终端设备 (Endpoint)，检查设备状态并接收数据，然后主动关闭连接。RPMA 原厂 Ingenu 公司目前正在美国建设一个被命名为＂机器网络＂(Machine Network) 的公共 LPWAN，预估今年底可覆盖全美百大城市，其中 30 个公共网络已在 2016 年完成。放眼过去这段时间，蜂巢通信技术并无支持 M2M / IoT 的合适方案问市；行动通信业者才惊觉在 M2M / IoT 领域，已无法与新兴 LPWAN 技术竞争。
直到此时第三代伙伴协议 (3GPP) 也才意识到，须加快脚步推出符合物联网应用需求的 NB- IoT 标准。然而，开发一个新的技术标准并待其完善，需要漫长的时间与成本。胡健威提到，2010 年曾有专家估算，以 Bluetooth、Wi-Fi 和 ZigBee 此类个人局域网络 (PAN) 为例，约需要十年时间及 300 亿新台币左右的资金投入，才能让新标准成熟并为市场接受。时至 4G、5G 网络更复杂，在其上发展出来的 NB- IoT 技术成本更高，需要验证等待技术成熟的时间更长；而姗姗来迟的 NB- IoT，乐观估计也要到 2020 年才能进入商业运转，显得有些缓不济急。
图2：RPMA 会在接收数据后主动关闭联机，以达省电目的
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RPMA 单一通道带宽仅 1 MHz，便于见缝插针
胡健威认为，＂在这段空窗期，业者无法坐以待毙；因为看见物联网通信服务的需求，于是给了 LPWAN 群雄并起的契机＂。反观 RPMA 打从设计之初就为了 M2M / IoT 所特别量身订制，且经过实地验证，成功克服以往 M2M / IoT 各种通信技术所面临的挑战。藉由提高终端设备的灵敏度及通信技术的改进，大幅度提升单位基地台的覆盖范围，技术上每个基地台可覆盖 130～777 平方公里；所使用的 2.4GHz 频段为全球通用，没有 Sub-GHz Band 跨境、跨运营商漫游不兼容的问题，且符合 NNISTIR-7628、FIPS 140-2 Level 2、NERC CIP 002-009 及 NIST SP 800-53 资通安全规范。
更吸睛之处在于：虽然使用的是 2.4GHz 免费频段，有许多设备在此区间活动，但 RPMA 却能在信号嘈杂的环境中＂独善其身＂。胡健威以图 3 对照图说明，WiFi 每一频道占频谱约 20M Hz 带宽，在频道的交界处会有空白信号区；在与 WiFi 共存的环境中，RPMA 因每频道仅使用 1 MHz 的带宽，可在 WiFi 频道间的空隙＂见缝插针＂。他强调，＂即便在复杂的应用场合，大部分带宽均已占满，仍有最外侧及最内侧共 5 MHz、共 5 个频道可供 RPMA 使用。即使在看似充满 2.4 GHz 信号干扰源的地方运作，实际上 RPMA 使用的是近乎干净的频道＂。
图3：即使在看似充满 2.4 GHz 信号干扰源的地方运作，亦无损 RPMA 的通信能力
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另为强化信号质量、功耗及抗干扰能力，RPMA 亦在实体层、媒体层及网络层上，分别进行优化设计。
●实体层 (PHY)：为处理相同信道或相邻信道溢出的恒定干扰，RPMA 使用 DSSS；对于瞬间脉冲信号干扰及其他高强度短时噪声串，RPMA 将传输封包设计得很长，加上前向纠错 (FEC) 编码，可大幅提高信号在恶劣环境中的可靠度。
●媒体层 (MAC)：RPMA 的基地台会根据 Endpoint 所在地点的环境条件，主动更新并优化 Endpoint 的传输功率，使 Endpoint 以所需的最小功率进行传输。基地台和端点相互提供智能型的沟通机制，若有任何封包丢失，只有那一小段的封包会重送，不必浪费能量重送整个完整封包。
●网络层 (Network)：RPMA 会判断相对清楚的弱信号频道，是否比壅塞的通道更好？并选择最佳的传输通道。RPMA 采用＂星型拓扑＂，反而有助于实现先进的壅塞管理功能，可应对众多 Endpoint 同时发送信息的＂网络风暴＂。
＂RPMA 每日数据传输量可高达 4.5M，终端设备电池使用寿命可长达 15 年以上；基地台建设成本低廉、终端设备通信模块量产后最终成本也很低，能让大量包括传感器、受控体在内的物联网终端设备，与主控端进行双向通信＂，胡健威总结 RPMA 的关键优势。
图4：RPMA 每天最多可传送 460 万则信息，开放式整合模型可支持多种应用
数据提供：仁宝电脑
