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低功耗物聯網創新技術與應用論壇特別報導

邁向5G/AIoT新時代 低功耗物聯網商機百花齊放

2019-04-30
低功耗聯網技術無論是LPWAN或短距技術,2019年皆將呈現新的發展局面,前者在5G大規模機器通訊應用前景的激勵下,部署規模正日益擴大;後者則積極展現藍牙、Thread、Wi-Fi、Zigbee、Z-Wave優勢並以網狀網路為目標,延伸應用觸角及版圖。

AIoT將成為物聯網應用最主要驅動力。2019年初國際消費性電子展(CES)上,5G、AI與IoT無疑是鎂光燈焦點,其中,結合人工智慧的AIoT創新應用更是琳琅滿目。為滿足智慧家庭、自動駕駛、智慧工業、智慧醫療、智慧城市等領域的AIoT發展趨勢,各種低功耗物聯網技術方案如NB-IoT、LoRa、Sigfox、藍牙互相較勁,感測器、MCU和電源晶片等也不斷求新求變,以搶占市場應用商機。

以低功耗聯網技術來說,無論是LPWAN或藍牙技術,2019年皆將呈現新的發展局面,前者在5G大規模機器通訊(mMTC)應用前景的激勵下,部署規模正日益擴大;後者則積極展現藍牙5標準優勢,擴大延伸應用觸角及版圖。至於感測、控制及電源等晶片亦因應AIoT設計需求,持續精進規格。

感測器/LPWAN/MCU共謀AIoT

AIoT結合聯網與智慧化技術,未來將成為物聯網發展的主軸,尤其在許多主要應用或具潛力的新興領域,意法半導體ST技術行銷工程師莊維燾(圖1)指出,包括智慧電網(Smart Grid)、智慧量表(Smart Meter)瓦斯表/電表/水表、智慧路燈(Smart Street Lighting)、智慧建築/智慧家庭、智慧運輸(Smart Transportation)與智慧城市服務等。希望可以達成電力消耗更有效率、功能/服務更智慧化、提升連結數目與安全性、感測更多訊息以發展更多智慧化功能等目標。

圖1 意法半導體ST技術行銷工程師莊維燾指出,AIoT結合聯網與智慧化技術,未來將成為物聯網發展的主軸。

從產業趨勢來觀察,智慧城市發展迅速,根據研究機構IHS Markit研究,2013年全球僅約有21座智慧城市,到了2025年將快速成長至88座。莊維燾表示,智慧城市裝置數量也跟著水漲船高,根據統計2015年應用在智慧城市的裝置數量約1億個(圖2),隨著智慧城市議題的發酵,2020年相關裝置將成長至接近4億個,市場規模約7577.4億美元,2025年更將大幅成長至超過12億個各式裝置。

圖2 2015~2025全球智慧城市裝置發展趨勢
資料來源:IHS Markit、ST(2016)

而在低功耗廣域網路方面,2020年以後,授權頻段的NB-IoT將取得絕對優勢,市占率高達60%,2023年更將成長至72%,智慧電網應用連結數將從2017年的1.42億個,成長至2023年的35.48億個;物流與工業應用將從7,490萬個大幅成長至98.22億個;消費性應用也將從5,751萬個連結,成長至40.8億個;其他如智慧農業(Smart Agriculture)、智慧城市、智慧建築成長性也備受矚目。

感測器結合LPWAN通訊與微控制器,組成AIoT系統的主要關鍵零組件,莊維燾進一步說明,在整個低功耗無線通訊的生態系中,還要加上評估與硬體開發工具、軟體開發工具、整合設計(Independent Design House, IDH)與模組製造商等,因應物聯網的多樣化應用,希望透過簡易的硬體開發流程,讓終端廠商可以自行下載應用軟體,依自己需要開啟需要的感測功能,搜集訊息且加以運算分析,最終轉變成智慧化服務。

NB-IoT/LTE-M帶動物聯網商機

5G的發展如火如荼,機器通訊(Machine Type Communication, MTC)也是下世代通訊重要的一環,講求低功耗、廣覆蓋、低速率、大量連結等,與講求高速的eMBB(Enhance Mobile Broadband)不同,現行的MTC技術包括LTE Cat. M1、NB-IoT、RPMA、LoRa、Sigfox等等,LTE Cat. M1與NB-IoT使用授權頻段,通訊品質與安全性較高,逐漸成為市場主流,u-blox商業開發主任廖容嫺(圖3)認為,LTE-M與NB-IoT除了傳輸速率的差異之外,LTE-M移動性較佳,而NB-IoT高達164dB的增益,使得訊號穿透率好,可以應用在停車場這類位於地下的場域。

圖3 u-blox商業開發主任廖容嫺認為,LTE-M與NB-IoT除傳輸速率差異之外,LTE-M移動性較佳,而NB-IoT訊號穿透率好。

從應用角度來看,智慧讀表、智慧建築、個人/貨物追蹤、農業/環境監測、生理資訊監測、車輛追蹤/車隊管理、智慧城市服務等,都是NB-IoT與LTE-M的應用領域。廖容嫺說,根據市場情報單位的研究,2020年智慧讀表系統數量接近10億個,而透過智慧運輸系統,每年可為城市節省8,000億美元,75%的能源消耗來自城市,2020年智慧路燈建置量將達5,000萬盞,2021年智慧垃圾桶的數量將超過100萬個,這些數字背後的含金量與帶動商機不容小覷。

而對於終端產品開發商而言,廖容嫺建議,關鍵零組件的挑選、整合簡易度有助於產品快速上市、低風險/高信賴度、高性價比、通路與供應商的夥伴關係有助產業鏈的建立與良好的售後服務,是產品開發或挑選合作廠商時的重點。u-blox目前主力的物聯網解決方案為支援LTE Cat. M1/NB1多模模組 SARAR4/N4,尺寸為16×26×2.5mm,較市面上相關解決方案平均尺寸小30%,並且可支援全球所有的部署頻帶。

另外,有鑒於物聯網終端的建置特性為數量多且建置範圍廣,終端節點的軟體更新是一大瓶頸,u-blox也透過韌體空中更新(Firmware Over The Air, uFOTA)主從式(Client/Server)解決方案,利用LPWAN的輕量、緊湊協定,簡化終端節點韌體更新的流程。能繼續利用現有的硬體來強化新的特性、功能或電信業者認證,降低更新硬體的頻率,使其適用於現場部署較為耗時的裝置所執行的應用程式。

Mobile IoT持續進化5G不缺席

剛結束的世界通訊大會(MWC 2019)就以物聯網的智慧連結所有事物(Intelligently Connecting Everything)為主軸,並以5G與AI為貫穿的重點。資策會智慧系統所研究規劃師李揚(圖4)提到,Mobile IoT高峰會結論包括:Mobile IoT將與LTE/5G共同以更有效率、更安全的技術,支持更多樣性的應用情境。華為2018年NB-IoT晶片組出貨量達1,500萬片,2019年預估上看1億片,而Sequance出貨量也達數百萬片,大陸的積極投入促使NB-IoT發展更加迅速,目前終端模組售價已經快速降到3美元左右,對市場普及化產生不小刺激。

圖4 資策會智慧系統所研究規劃師李揚提到,Mobile IoT的發展,電信營運商的角色越來越重要,尤其是終端與應用的開發設計。

另外,李揚進一步說明,電信營運商的角色越來越重要,尤其是終端與應用的開發設計上;Mobile IoT服務經過前兩年的熱身,已經正式從概念驗證(Proof of Concept, PoC)階段,正式走向商轉階段;Mobile IoT技術也越來越受到重視,包括結合大數據、AI、邊緣運算等,將促使這類技術發展更多面向的可能性更加提升,同時,Mobile IoT的跨領域合作已經成為成功的要件之一。

在2018年發表的5G首版標準新無線電(New Radio, NR),2019年將逐步推動商轉,不過以LTE為基礎的NB-IoT與NR並不相容,目前3GPP將討論在5G版本的MTC技術商轉前,如何讓NB-IoT可以與5G NR共存,預計將是R16版本的重點。另外,改善上傳與下載的效率與終端節點的耗電量、排程強化(Scheduling Enhancement)、網路管理工具強化、改善多載波運作、強化行動性等都會納入討論。

展望未來,李揚認為,NB-IoT技術日益成熟,生態系逐漸成型,整合其他技術作為創新服務的發展方向,除結合AI、邊緣運算之外,導入區塊鏈分散式帳本技術為新興研究方向。LPWAN除了訴求大量連結的mMTC之外,也將發展低時延的uMTC;Mobile IoT將大數據資料的蒐集、分析與應用提升到另一個境界,未來資料的競爭將是勝出的關鍵;網路切片(Network Slicing)的垂直領域專網、專業化服務也越來越普遍而重要,所以營運商的角色會逐漸進化成資料分析、顧問服務;跨網整合(Ubiquity)的整合式服務將打破過去區域經營模式。

Mesh Network為短距IoT發展解答

除了大範圍的LPWAN之外,低功耗短距技術如藍牙(Bluetooth)、Thread、Wi-Fi、Zigbee、Z-Wave等,也是近期市場關注的重點。在室內人們活動的空間中,電子產品的數量與密度不斷提升,每個產品都將具備聯網能力,如何有效讓裝置間互聯互通,開發更多功能並提升使用者體驗,是現階段發展的重點之一,過去裝置以星狀網路為主,由一個主控端設備聯結、控制其他的設備,如PC、手機、電視等。

近年來,網狀網路(Mesh Network)被認為更適合在智慧家庭、智慧建築、智慧工廠這類的聯網環境應用,芯科科技(Silicon Labs)資深應用工程師林仕文(圖5)指出,網狀網路的特點包括可以延長聯網距離、降低功率消耗、擴大系統規模、改善系統穩定度、提供最佳化的裝置響應。其中,藍牙5、Thread、Zigbee近幾年都積極投入網狀網路發展。

圖5 芯科科技資深應用工程師林仕文指出,網狀網路(Mesh Network)是目前短距無線技術發展的主要趨勢。

藍牙在短距離無線通訊是一般消費者非常熟悉的技術,2017年藍牙5正式導入網狀網路,較適合使用在智慧照明與智慧家庭應用;Thread實體層與資料連結層與Zigbee共用IEEE 802.15.4協議,應用層採用IP based具有較高的安全性,適合在商業與工業應用發揮;而Zigbee發展時間相對較長,技術穩定且產業鏈成熟,除了照明與家庭之外,也適用在讀表應用。林仕文說明,透過網路延遲、網路規模與傳輸速率的綜合效能比較,傳輸速率與網路規模成反比,連結數量越多傳輸速率越低。

Z-Wave同樣訴求應用在智慧家庭,技術設定最多連結數為232個節點,芯科科技資深應用工程師黃金評(圖6)表示,該技術2018年出貨量正式突破1億個,2017年產品銷售規模為12億美元,在美國家庭滲透率約17%,過去主力應用在安全監控產品。由於所有Z-Wave產品都需要經過強制認證,所以在Z-Wave的網狀網路上,互聯互通與安全性都是該規格強調的特點。未來家中電子產品與聯網很可能是多種產品與無線技術的混合聯網架構,可以讓裝置順暢的聯網,並在不同網路技術間切換,將是發展的一大目標。

圖6 芯科科技資深應用工程師黃金評表示,Z-Wave產品都需要經過強制認證,所以在互聯互通與安全性上的表現特別出色。

 

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