滿足高頻寬聯網需求　LTE模組打造新型態M2M應用

在蜂巢式網路技術發展兩個世代之後，數據已成為行動網路技術的主要推動力量。同時，內容豐富的多媒體應用與服務現已取代傳統語音服務，成為電信業者主要的營收來源，這也是電信業者正快速地部署4G長程演進計畫(LTE)的原因，使LTE成為有史以來發展得最快速的電信標準。

吃到飽資費策略推波　行動寬頻用戶成長迅猛

LTE展現出絕佳的潛能，可為需要平價、高頻寬、高品質與低延遲無線連接性的各種行動裝置、人機以及機器對機器(M2M)應用，將其頻寬與服務品質推升至全新的層次。

在1990和2000年代，電信業者努力從計時的語音服務創造營收，並且試圖為數據流量提供的全新計次付費(Pay-per-use)模式吸引用戶。然而，消費者希望語音能成為免費或幾近免費的服務，使電信業者不得不延長通話時間及增加更多的語音用戶數量，以支付日益升高的網路基礎建設成本。弔詭的是，行動電話的成功反而使每戶平均收入貢獻值(ARPU)變得越來越低。

雖然數據服務是可用來逆轉不斷下滑的語音營收的一種方式，但電信業者仍試圖以計次為計費基礎。為創造新的營收，電信業者還提供自行製作的內容與服務(即Walled Garden策略)，但仍然脫離不了語音導向的思維模式，使得這些早期的數據服務非常昂貴，而且不具吸引力，因此延遲數據服務在行動裝置上的廣泛採用。

與此同時，在固定式網際網路方面，由於消費者對網路互動功能與服務的需求不斷攀升，帶動2000年初期數位用戶迴路(DSL)和有線電視網路的大幅部署，進而推升網際網路流量與應用的爆炸性成長。很快地，這種擁有豐富多媒體功能的寬頻網路體驗已成為開發國家多數人日常生活中不可或缺的一部分。

之後，這股寬頻網路革命熱潮自2007年蘋果(Apple)iPhone上市以來，也開始擴散到行動裝置。雖然iPhone原本只支援EDGE(傳輸速率236kbit/s)，但該產品是第一支專為上網設計的手機，並避開當時行動電信業者採取的Walled Garden策略。

結合專為上網設計的裝置概念，以及打破電信業者不甚成功的計次收費模式，使得「吃到飽」數據方案開始風行，讓整個產業開始脫胎換骨，並因而啟動智慧型手機革命的風潮。

消費者行動頻寬需求高漲

在iPhone歷經五個世代的發展之後，行動上網使用者也開始期望，當他們日常外出時，行動裝置也能擁有與高速固接網路相同的使用體驗。

什麼是消費者最常使用的應用？以及就流量產生的角度來看，哪些應用的成長速度最快？就現今而言，網路流量的最主要部分是視訊內容，如YouTube、網路電視(IPTV)、Netflix和Hulu等，以及檔案共享，如MediaFire、Dropbox、FilesTube和RapidShare。其他的流量，包括網路瀏覽、網際網路語音通訊協定(VoIP)和遊戲，一共只占總頻寬的20%(圖1)。

資料來源：思科 圖1　2009～2014年網際網路流量成長

視訊服務愈來愈豐富多元，使得網際網路流量從2000年的每月75Petabytes(1015)，成長到2012年每個月30,000Petabytes。顯然，2G網路不足以應付如此巨大的流量需求，而3G「盡力服務(Best Effort)」網路受限於固有的協定限制，要因應龐大流量需求也顯得捉襟見肘。顯而易見，視訊增強型應用已成為推動網際網路流量成長的重要力量，為克服當前以及未來的挑戰，電信業者正快速朝LTE技術移轉。

在網際網路成長初期，3G只能提供足夠的頻寬，但無法滿足大量同時上網時行動網路使用者的需求，因此標準制定單位須重新擬定新的標準，才能因應行動寬頻上網的需求。為了滿足預期的網路需求，相較於2G和3G技術，LTE有以下四個優點：

‧	頻寬顯著增加
	在現今的網路中，可支援150Mbit/s下傳和50Mbit/s上傳速度，這足以同時串流八個高畫質電視(HDTV)通道。

‧	頻寬有效分享
	LTE能將總頻寬有效分配給多位使用者分享，因此能根據不同的終端裝置需求，以具成本效益的方式配置數據流量，並同時處理高頻寬的人對人(Human-to-human)應用和低頻寬的M2M應用的流量。

‧	減少營運支出
	LTE透過簡化的網路架構和更好的頻譜效率(是HSPA的兩倍；UMTS的三十倍)，有助於降低營運支出。

‧	最大延遲保證
	通常是1毫秒(ms)，低於人類感知的臨界值。

這些特性的結合使得LTE能為使用者帶來平價的高品質行動數據服務，而且擁有令人滿意的反應速度，可支援內容豐富的互動應用，如隨選視訊、社交網路、語音、網頁瀏覽、遊戲及雲端應用等。

LTE成無線最後一哩

LTE的首要任務是為行動裝置提供與纜線數據機/DSL相同的寬頻體驗。也就是說，使用者在家中擁有的固網體驗，在行動裝置上也能夠享有，兩者間不會有明顯的差別。當此服務就緒時，唯一的問題只剩LTE最後一哩連接何時能取代纜線數據機和DSL，達到與固網服務相同的價格，使網際網路的最後一哩都成為無線連接。

LTE的主要應用是行動路由器，可做為市中心公共運輸、重大活動，以及公寓建築和遠端的無線區域網路(Wi-Fi)熱點。

未來，LTE不僅會在手持式裝置複製固定寬頻網路的成功模式，甚至還能為行動服務開創新的應用領域。使用者在家與外出時希望存取到的內容，通常是不一樣的，也因此，定位資料將能為行動LTE用戶提供增強的服務內容。若與準確的全球衛星定位系統(GPS)/全球導航衛星系統(GNSS)，或其他定位系統搭配，LTE將能為行動使用者帶來非常多元化的定址服務(LBS)。

LTE結合雲端開創新應用

現在，運算技術的一個重要趨勢是推動專業和消費應用朝雲端邁進，包括SalesForce、SAP、Oracle Fusion和GoToMeeting等被廣泛採用的企業CRM、ERP、財務以及線上會議應用程式都朝此方向發展。

在消費市場，Facebook、Google Cloud、Vimeo、Spotify和Dropbox這些應用能讓使用者彼此互動，並將大量資料的儲存和處理卸載到雲端中。這些資料都是在數千公里以外的伺服器中進行儲存、處理和傳送等作業，所以，上傳和下載過程中的快速存取和最小延遲非常重要。因此，雲端運算推動了行動裝置的兩個發展趨勢。

第一個趨勢為將大量資料的儲存與處理卸載至雲端，可讓行動裝置更精巧，且可採用更簡易的電子與軟體設計，讓行動裝置更省電。第二個趨勢則是雲端運算對高速無線傳輸的需求日益提升，以支援上傳與下載數據，可提供即時反應速度。LTE技術可充分支援這兩個趨勢，可謂雲端運算和LTE彼此互補，可彼此相互推動另外一項技術的廣泛採用(圖2)。

圖2　雲端運算和LTE技術可彼此互補，相互推動另一項技術的廣泛採用。

LTE帶動M2M市場成長

除了人對人應用之外，LTE還可提升人對機器(Human-to-machine)與M2M互動及通訊的效能，比如行動路由器、遠端監控系統、臉部辨識系統、數位看板、自動販賣機、銷售點終端機和遠距醫療設備等高頻寬應用，都將能因LTE技術而獲益。

LTE的保證低延遲對工業控制、汽車安全、交通控制和金融交易系統等十分重視反應時間的應用來說，特別具有吸引力，如工業機器人和自動金融交易系統，即使是極短的反應時間都非常關鍵。

LTE聯網裝置的另一個重點是，安裝非常簡單，不須要接線，就能夠立即設定好高頻寬企業級網路，並從遠端進行管理，幾乎沒有硬體配置，因此能大幅降低IT成本。最後，根據GSMA統計，LTE連網裝置的數量將超過人類使用者，亦即無線連網M2M裝置的數量預計到2020年就將超過所有各類型的聯網裝置(圖3)。

資料來源：GSMA 圖3　2010∼2020年M2M應用的成長趨勢

LTE為未來主流行動技術

LTE是為支援蜂巢網路的長期發展而設計，舊有的2G和3G網路終究會被淘汰，因此，許多M2M業者已考慮採用LTE做為長期應用服務的技術。

對安裝在遠端的裝置來說，要重新改裝數十萬台遠端裝置的成本非常昂貴，因此，設計時就採用未來可用的技術是比較聰明的做法。也就是說，設計工程師要不就現在採用LTE數據機技術，不然就至少要讓硬體設計可適用於未來技術，以便能透過數據機升級的方式，以最具成本效益的方案支援未來技術。

圖4　套疊式設計概念

M2M模組業者對4G LTE聯網裝置的未來感到非常樂觀，並正與先驅業者合作開發新產品。目前市面上已可看到鎖定嵌入式無線M2M裝置的精巧、成本最佳化的LTE數據機。M2M模組業者推出的LTE M2M模組可與2G和3G模組相容，為設計人員提供硬體設計的未來升級靈活性。此即為套疊式(Nested)設計概念的重點(圖4)，換句話說，維持外型尺寸與軟體的連續性，讓客戶能利用M2M業者最新一代的模組輕鬆為產品進行升級。

這種作法的效益是顯而易見的。每當M2M業者推出新版模組產品時，客戶毋須更新其印刷電路板(PCB)設計，只要簡單地將新一代模組放到既有的PCB上，就能開始測試。

(本文作者依序為u-blox無線晶片組產品經理、通訊經理)