隨著第一波的行動網路業者推出全國性的LTE Cat M1和NB-IoT通訊網路，設備製造商也忙於開發可滿足新興市場需求的解決方案。成功的解決方案將受益於全球適用的智慧裝置，可配置為最適合的蜂巢式技術和網路，並利用功率最佳化的裝置管理和通訊協定，來簡化部署、營運和維護。
通訊連接技術發展概況
全球蜂巢式通訊技術正不斷地發展和快速成長，專為物聯網需求量身打造的低功耗廣域(LPWA)技術也不例外。在以資料傳輸量與延遲為代價的條件下，蜂巢式LPWA技術已針對功率、覆蓋範圍、成本與可靠性進行硬體的最佳化設計，並將其定位為挑戰各種專業和商業應用中廣泛採用的專屬技術的強大競爭對手。由於蜂巢式LPWA技術擁有保證的服務品質，因此它們有機會把通訊連接技術擴展至全新的市場，擴大IoT的範圍和影響。
蜂巢式LPWA技術(LTE-M和NB-IoT)與SigFox、LoraWAN、RPMA等專有技術相比具有多項優勢。它們在行動通訊頻譜的授權頻段上運作，可確保通訊不會太過擁擠。由於是3GPP制定的標準，因此簡化了主要市場的硬體認證，而且通常只須些微的軟體升級，即可在全球各地既有的行動網路基礎架構上運行。這項優點使得蜂巢式LPWA技術成為高度可靠、安全且易於部署和維護的一種方案。
雖然蜂巢式LPWA技術可為全球IoT應用提供最直接的通訊解決方案，但設備製造商很快發現自己面臨著高度分散的技術、商業和監管環境的挑戰。在主要業者的支持下，LTE-M已在全美各地、墨西哥以及其他國家推出。在亞洲，包括中國在內，已經顯示出對NB-IoT的興趣，歐洲也是如此。通訊連接技術的採用已經到達了轉折點，GSMA指出，隨著行動IoT網路規模的擴大，2018年可能會有更多的網路部署完成。
為物聯網新興應用選用最佳的技術
隨著LPWA網路在全球各地推出，覆蓋範圍將持續成為產品設計人員選擇通訊技術的關鍵因素。LTE-M和NB-IoT分別擁有幾個優異的特性，使其成為特定應用的首選技術(表1)。各種技術的關鍵差別在於：回應能力、傳輸距離、語音支援、數據率、行動性和電池壽命。
表1 LPWA與其他技術的比較
提供語音支援，從一個網路蜂巢到下一個網路蜂巢的完全交遞(Handover)，以及從一秒到毫秒範圍內的延遲，但缺乏空中韌體更新(Firmware Updates Over The Air, FOTA)功能和深度滲透，因此2G可滿足車隊管理、追蹤系統和智慧量表等產業需求。它的價格低，但代價是數據傳輸量較低，且即將被淘汰。
基於LTE技術，LTE-M可提供低延遲的行動連接，並能擴展覆蓋範圍到地下室、支援語音通訊以及較高的數據傳輸率。這使得LTE-M成為眾多應用的理想選擇，例如智慧建築和智慧城市的應用，以及消費性、聯網醫療、以及車輛和資產追蹤等。
專為M2M通訊所開發，NB-IoT以能夠深入地下室和提供10年以上的電池壽命等特性來彌補其低數據率和高延遲特性，使其成為固定式、對功率敏感應用的首選技術，如電表，以及大部分時間都保持休眠狀態，久久才會發送少量數據封包的智慧城市和其他超低功耗應用。
對於想為最適合的技術沒有覆蓋到的地區開發應用的設備製造商來說，這三種技術不同的可用性與適用性為其帶來了制定決策的難題。他們是否該等最佳通訊技術就緒後再推出解決方案？或是，應該先利用次佳的通訊技術推出產品的初始版本，以確保市場上的地位？這些都是難題。
設計人員若想為其產品增加一定程度的技術多用途性，例如，在最佳技術就緒時能立即切換，將比把客戶鎖在單一技術的業者擁有更佳的競爭優勢。對於須要在各種不同環境中進行運作和更新的全球性應用而言，這一點更為重要。
裝置使用壽命
為了在全球性應用中取得成功，部署的設備須具備安全性、隨時更新且多用途性。LWM2M是Light Weight Machine to Machine的縮寫，正成為遠端設備管理的業界標準。由開放行動聯盟(Open Mobile Alliance)發布，LWM2M是專為以遠端、無線方式管理感測器網路所設計，可支援從執行韌體更新、安全修補程式、到更新驅動程式以及無須中斷裝置即可大規模變更裝置配置等任務。它已為低數據率、功率受限裝置進行了最佳化設計，對目標部署年限為5到10年以上的LTE-M和NB-IoT裝置來說，是非常理想的選擇。
利用LWM2M，使用者可透過與裝置管理物件(Device Management Objects)互動來有效管理LPWA裝置。裝置管理物件是一種保存邏輯分組數值的資料結構，並把資料儲存在裝置上，以執行標準或自訂的功能，包括觀察、通知、控制、執行命令或觸發行動。例如，它可用來查詢安裝在共享單車上的追蹤裝置，找到遺失的腳踏車；警報系統可以配置為監控房屋的門窗，並在其中一個門窗打開時發出通知；家用空調系統等設備可以遠端開啟及關閉。
試想一個家庭保全控制面板的例子。在安裝時，特定的行動網路業者(Mobile Network Operator, MNO)可能會提供最佳和最實惠的費率計畫。擁有能夠在「關鍵時刻」選擇MNO的靈活性是很重要的。在未來，不必更換設備就能永久變更MNO，將成為市場的遊戲規則改變者。
一種裝置全球適用
產品要在全球適用，也相當程度增加了產品設計師設計產品時所面臨的複雜程度(圖1)。其必須應對不斷發展且分散的各種技術，還必須有效地解決各種行動網路業者以及各地區的不同要求。
圖1 LPWA技術的市場與應用
LTE頻譜在數十個頻段中是非常分散的，設備製造商必須能管理為全球各地市場開發的多種產品規格。雖然從區域性的角度來看，此作法能解決網路分割(Network Fragmentation)問題，但做為一種要求在任何地方都可傳輸數據、進行遠端管理以及安全更新的全球性解決方案，這是不切實際的。
要克服此一挑戰，必須以「一種模組全球適用」的目標來開發真正的全球性蜂巢式模組。這些模組能讓產品開發人員在最後時刻才決定配置、開啟或關閉LTE頻段、無須變更主機軟體便能增加新的MNO特性檔案、選擇無線接取技術，並使用FOTA/LWM2M持續更新設備。在最好的情況下，這些模組還能以單一的軟體版本預先取得多數MNO的認證。
有效的通訊
3G和4G LTE通訊是專為以更高數據率傳輸更多數據而開發的。對於傳輸像是視訊串流、語音通話或網站等內容來說，它的有效載荷與額外開銷的容量比較，就如同大象與花生的對比。但是，LPWA應用就不是如此了，它的有效載荷通常僅有幾千位元組(Kilobyte)，甚至比3G和4G訊息的額外開銷還小。由於數據傳輸是LPWA設備的主要功耗，因此高效率的通訊協定是延長電池壽命的關鍵。
MQTT/CoAP
在LPWA應用中，有兩種應用層協定正成為主流：訊息佇列遙測傳輸(Message Queuing Telemetry Transport, MQTT)和受限應用協定(Constrained Application Protocol, CoAP)。前者在TCP/IP協定上運作，後者則是在UDP/IP協定上運作。而應用層協定的選擇主要取決於傳輸層協定的選擇。
透過確保成功建立與接收器的連接，傳輸控制協定(Transmission Control Protocol, TCP)可提供一定程度的控制，讓數據以正確的順序可靠地傳輸和重新組合，同時找出並修正錯誤，然後妥善地關閉連接。這種更高的可靠性是許多應用的先決條件，但其代價是須在客戶端和伺服器之間交換大量的數據，因此功耗較高。
另一方面，使用者資料包協定(User Datagram Protocol, UDP)是無連接和無狀態的。這意味著數據封包僅簡單地發送到接收器，無須先建立連接，也不確保數據會被成功接收。因此，無法保證所有的數據封包都被傳送、無法恢復丟失的封包，也無法偵測重複封包。然而，透過此機制，UDP可將數據開銷降至最低，因此能降低數據傳輸和功率消耗。
非IP(Non-IP)數據傳輸
為了支持物聯網的發展，加上許多物聯網應用採用低數據量，因此，3GPP Release 13導入了CIoT EPS最佳化中的多種新方法，可從使用者裝置傳輸數據到應用程式伺服器並返回。其中一種是非IP數據傳輸(Non-IP Data Delivery, NIDD)，它允許少量數據可利用安全伺服器API直接透過控制面(Control Plane)傳輸，而不是利用IP網際網路協定。因為數據是直接在訊號無線電承載上發送，所以無須建立數據無線電承載，因而節省了開銷。因此，這種方法非常適用於偶爾傳輸小量數據封包的典型NB-IoT應用。
最後，通訊協定的選擇必須根據每個不同的個案需求而定，並與行動網路業者配合。主要選擇依據為可用的網路技術、傳輸數據的容量與頻率、傳輸數據所需的可靠度以及目標功耗。
要開發能夠長期成功的LPWA解決方案需要靈活性，並能夠以最佳的通訊協定和電源要求來滿足不斷改變的可靠性和安全需求。為此，u-blox也推出多模LTE Cat M1、NB-IoT(NB1)和四頻2G解決方案，能以單一硬體版本彈性設定所需的全球電信規格，目前市面上的新式IoT裝置能利用現有的2G網路運作，並且在LTE Cat M1和NB-IoT技術就緒後就能立即升級。
透過LWM2M協定進行遠端裝置管理，能在裝置與伺服器之間提供高效率的無線通訊，以實現廣泛的使用案例，以及執行重要的安全性和韌件更新。並利用最近的3GPP蜂巢式IoT最佳化技術，可以在保持電池壽命的同時達成所有這些目標。
(本文作者為u-blox蜂巢式產品策略資深產品經理)