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廣域物聯網技術應用論壇
活動報導
低功耗廣域網路技術於2017年紛紛在各個應用領域擴張自己的實力,市場上的LPWAN大戰一觸即發,產業競逐精采可期。本次活動結合近年炒熱智慧應用議題的智慧城市展,深入探討廣域物聯網的技術、應用與市場趨勢。

物聯網市場風起雲湧,其中具備低功耗、低成本、長距離、大量連結的低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network, LPWAN),包括NB-IoT、LoRa、Sigfox、Weightless、HaLow、RPMA等技術在2017年都進入網路布建的階段,在各個應用領域擴張自己的實力,市場上的LPWAN大戰一觸即發,鹿死誰手猶未可知。此外,即將在2020年商業化運轉的5G技術,將朝高速、大量連結與低延遲目標發展。 

物聯網系統可以小到是一個家庭裡面的所有裝置,可以是一個智慧化的工廠,也可以大到以整個城市為範疇的智慧城市方案。透過無所不在的終端蒐集訊息、並在整合區域訊息的過程中進行簡單的處理,再集合成大數據加以分析、處理、有效的控管,達到網路智慧化的效果。本次活動結合近年炒熱智慧應用議題的智慧城市展,深入探討廣域物聯網的技術、應用與市場趨勢。 

LPWAN熱潮強強滾 

LPWAN在2016年引發一陣熱潮,2015年各種不同的LPWAN技術總計僅有31個網路建置案例,隔年就快速成長到99個網路,如圖1所示,以LoRaWAN 29個最多。對於電信商或網路服務供應商來說,目前有太多LPWAN服務可以選擇,資策會智通所總監陳仕易(圖2)表示,考量的重點在於:授權或非授權、特殊或標準化技術、產業鏈與導入成本等。與技術有關的項目還包括:頻寬、涵蓋範圍、節點容量、耗電量、安全性、移動支援性、定位功能等。 

圖1 LPWAN網路建置概況

資料來源:Analysys Mason

相較之下,由3GPP主導並提供電信等級服務的NB-IoT擁有更大彈性與更高的頻寬,也能提供更好的信賴度(Reliability)與安全性(Security),同時也是國際性的技術標準,電信營運商都可以直接導入相關服務,不用布建新網路,只要透過現有的3G/4G網路,進行簡單的軟體升級就可以。 

NB-IoT技術持續演進 

圖2 資策會智通所總監陳仕易表示,2015年各種不同的LPWAN技術總計僅有31個網路建置案例,隔年就快速成長到99個。
NB-IoT又稱做LTE Cat. NB1,是窄頻物聯網通訊技術,2016年6月發表,也正式引發LPWAN產業熱潮,3GPP的R13版本初步定義了NB-IoT的技術規格,是實現5G願景大規模機器聯網(Massive Machine Type Communication, mMTC)的第一步,預計於2017年第二季制定完成的R14版本,會再針對定位(Positioning)、群播(Multicast)、降低不需要負載的Non-Anchor PRB Enhancement、行動化與不斷線(Mobility and Service Continuity)與新供電規範(New Power Class)進行功能的強化。 

在NB-IoT的設計目標部份,陳仕易說明,該標準希望一個基地台可以支援5萬個終端,電池壽命至少10年,最大耦合損失(Maximum Coupling Loss)達164dB,讓傳輸距離更擴大,並降低技術複雜度與成本,也允許訊息延遲與更彈性的系統布建。另外,有部分無線通訊標準常見的技術並不支援,包括換手(Handover)、MDT、CSG、GBR等,主要是為了節省系統的耗電量。 

到2018年6月將底定的R15版本,被稱做是Further Enhancement NB-IoT(feNB-IoT),目前可知的廠商技術提案包括降低功耗、TDD調變、非授權頻段應用、系統存取與待機模式改善等。據了解,2017已經有營運商正式推出NB-IoT服務,相信這類服務在未來兩年隨著技術更成熟,服務與商業模式更上軌道,將逐漸被市場廣泛接受並邁入產業成長期。 

NB-IoT應用多元廣泛 

未來城市中有許多應用會透過無線技術加以智慧化,包括智慧讀表、停車收費、環境監測、智慧路燈、智慧運輸、廢棄物管理等,尤其是這些應用都會搭載感測器蒐集環境資訊,再與通訊模組搭配以後就變成最典型的物聯網終端,數量非常龐大。u-blox商業開發經理黃俊豪(圖3)表示,預計在2022年,節點數量將成長至30億個。 

圖3 u-blox商業開發經理黃俊豪表示,預計在2022年,物聯網終端節點數量將成長至30億個。
從產品的面向來觀察,以使用頻譜與頻寬的角度(圖4),u-blox提供包括RPMA、LTE Cat. NB1、LTE Cat. M1、LTE Cat. 1、LTE Cat. 4、LTE Cat. 6等所有技術範疇的產品,傳輸頻寬從15.6kbit/s∼450Mbit/s 都支援。其中,NB-IoT與其他同屬LPWAN的技術相較(圖5),由於使用授權頻段,所以不會有斷線或是干擾的問題,特別適合一些牽涉個資或金錢等對於資訊安全較為敏感的應用。 

在實際的應用部分,黃俊豪說明,u-blox投入NB-IoT的發展已有一段時間,早在2015年,就已經與華為、Neul、Vodafone合作在MWC展示智慧水表系統,也與中國聯通(China Unicom)在上海建置了一套試驗性的智慧停車管理系統。2016年則在新加坡與華為、Ascent合作一套NB-IoT的智慧鎖系統,用於高價物品的運輸、保全。透過這些多樣性的合作方案,有助於該公司累積經驗,以提供更符合客戶的產品與服務。 

圖4 LPWAN與LTE技術頻寬與使用頻譜
圖5 LPWAN與LTE技術規格比較
LoRa產業鏈頭好壯壯 

在所有使用非授權頻段的LPWAN技術中,目前LoRa受到最多廠商支持,在技術發展與市場推動上也最為領先,使用非授權頻段的LPWAN技術與使用授權頻段的技術相較,最大的優勢就是開放的免費頻段,網路使用的成本較低,一般而言廣域的LoRaWAN可以讓垂直領域廠商自己建構私有網路(Private Network),也可以透過公開網路(Public Network)使用LoRa服務。 

LoRa使用非授權頻段技術的優勢特別適合私有網路應用,Microchip資深應用工程師張益州(圖6)說,LoRa私有網路的建構簡單,只要透過LoRa終端連結LoRa閘道器(Gateway)再加上後端網路伺服器(Network Server)就完成了,由於LoRa的涵蓋範圍廣泛,所以不需要太多閘道器。業界人士認為LPWAN要發展的前提之一是終端晶片的價格降到1美元以下,不過還在發展推動期的LoRa目前尚未達到此一目標。 

圖6 Microchip資深應用工程師張益州說,LoRa使用非授權頻段技術的優勢特別適合私有網路應用。
LoRa強調是開放的標準,雖然導入時需要重新布網,張益州強調,目前全世界各地已經有34個開放的網路營運商,超過150個運行中的實驗網與都市網路建置,聯盟會員更已超過400家,Microchip是17個聯盟發起會員之一。LoRa採用sub-GHz的頻段,台灣使用920∼925MHz頻段的923MHz。最新的LoRaWAN 1.1版本支援了被動漫遊(Passive Roaming)和移交漫遊(Hand-over Roaming)功能,另外,有鑒於開放式的物聯網架構可能在網路安全上不設防,所以該版本也特別加強網路安全功能。 

整合設計支援物聯網發展 

物聯網時代各式元件透過不同的組合以完成不同的需求,包括感測器、處理器、無線通訊、軟體與開發工具。Silicon Labs台灣區業務經理江志良(圖7)解釋,物聯網應用的感測元件如溫度(Temperature)、光線(Light)、紫外線(Ultra-Violet)、濕度(Humidity)、距離(Proximity)、磁力(Magnetic)、心率(Heart Rate)等,應用範圍與領域將愈來越廣泛。 

圖7 Silicon Labs台灣區業務經理江志良解釋,物聯網時代各式元件透過不同的組合以完成不同的需求。
這些感應器都可以延伸許多應用,江志良舉例,為了讓這些感測器的開發應用更為簡便,Silicon Labs推出了一個整合性的開發板,是一個小巧、性價比高、功能豐富的開發平台;包括藍牙與手機應用雲端的展示,可收集行動與環境感測器的資訊,基本即時雲端分析展示,內建調試器可實現客製化與開發,所有軟硬體都可以重複使用。 

另外,物聯網終端省電與低成本的要求,需在建置時搭載微處理器(MCU),Silicon Labs的8位元產品,可提供小尺寸、低成本的單晶片解決方案,支援多樣性的周邊設備;32位元產品在深度休眠模式下,具有低功耗自主型周邊設備功能,引腳/軟體相容並可以擴展。 

江志良說明,其建築自動化解決方案,除整合8/32位元MCU、低功耗無線SoC與開發工具軟體,可解決頻繁更換電池、造成可擴展性降低、操作與設置的複雜度提升等問題。相關設備有調光開關、接觸感測器、占用感測器、智慧插座等子系統。 

有鑒於節能減碳的需求日益高漲,照明需求帶來許多挑戰,包括高能源成本、新能源標準、新技術與物聯網、大型專案競爭激烈與負擔能力要求等挑戰,Silicon Labs提供整合的SoC,可以應用在商業、工業與住宅的照明,透過部署和驗證的無線解決方案,多協議能力與無線(OTA)更新,搭配開箱即用的參考設計,可以協助提供完整的智慧照明解決方案。

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