M2M NB-IoT LTE-M 5G 5G NR LPWAN

通訊技術各顯神通 物聯網M2M進入快速發展期

2018-10-09
物聯網機器對機器(M2M)熱度狂飆,背後所應用的通訊聯網技術種類繁多,其中包含授權與非授權頻段聯網技術;本文逐一探討物聯網M2M市場、聯網標準與產品設計,期能協助開發商做出更好、更有價值的商業決策。

5G和低功耗廣域網路(LPWAN)聯網技術的發展,有助於物聯網M2M通訊連接,並加速物聯網平台及服務的推陳出新,其中LPWAN技術具備的低功耗、大範圍連接的特色,促使各種物聯網應用領域急速起飛,帶動包含智慧城市、智慧建築與智慧工廠等應用發展。

授權v.s非授權頻段

授權頻段聯網技術指的就是蜂巢式網路,其標準由3GPP制定,相關技術包含3G、4G、5G,以及針對LPWAN所制定的NB-IoT和eMTC聯網技術;另一方面,非授權頻段也就是採取不須額外收費的頻段進行傳輸的標準,例如LoRa、SigFox等聯網技術(表1)。以市場分布來看,中國大陸地區非常積極推動NB-IoT的發展,同時也有部分地區採用LoRa標準;相對而言,SigFox則較多應用於歐洲、澳洲與南美地區。

芯訊通(SIMCom)技術總監孔凡兵(圖1)分析,通常傳統電信商或手機商大多數採用NB-IoT或eMTC技術作為物聯網應用的基礎。究其原因,從網路層面來看,因應手機通訊的需求,蜂巢式網路相關的基礎設施已全面布建,而NB-IoT與eMTC即可基於現有的網路架構進行變更,進而降低成本。此外,從產品角度出發,作為一個跨全球通訊的網路產品,若無完善的規範及標準支撐,將難以通用於全球市場。反之,LoRa與SigFox採用非授權頻段,雖然無須支付頻譜費用,但在聯網通訊品質的保障也較缺乏。

圖1 芯訊通技術總監孔凡兵表示,在網路覆蓋率與基礎建設成本的考量下,傳統電信商大多選用NB-IoT技術。

事實上,NB-IoT標準真正確立的時間在2017年7月,實際上標準制定完成與運行的時間不長,開發商與NB-IoT發展可說是同步成長。然而,一項技術在產品化過程中,肯定會在實際運作的過程中遇到一些挑戰與問題。舉例來說,NB-IoT一直以來受到質疑之處,在於NB-IoT無法提供漫遊功能。不過隨著R14標準相關晶片的支援,漫遊問題將獲得改善,預期也將帶動更多商用化表現。

整體而言,物聯網M2M的設計上,開發商通常會從網路分布、產品續航力與後續維護等問題思考選用的聯網標準。物聯網產業來看,NB-IoT不僅滿足低速率傳輸,同時還滿足電信商與開發商在意的設備成本問題;再者,因應下一代聯網需求,台灣資通產業標準協會(TAICS)國際事務處處長顏嘉邦(圖2)表示,3GPP將持續針對NB-IoT與5G研擬標準,迎合更多元的應用服務場景。值得一提的是,未來在R16的NR制定中,將不會出現LPWA相關的解決方案,LPWA技術將持續聚焦於升級eMTC(LTE-M)與NB-IoT,這也意味著NB-IoT技術相對穩定,開發商可更加聚焦於產品化與商用化發展。

圖2 台灣資通產業標準協會國際事務處處長顏嘉邦指出,未來3GPP在R16版本,將不會出現新的LPWA技術。

根據Navigant Research研究報告指出,2017年全球智慧路燈市場價值將達到6.1億美元,並有望於2026年增長到69億美元。市場份額預計將從2017年的2%增長到2026年的20%左右。

孔凡兵以大陸M2M市場作為分析案例。他表示,智慧路燈是NB-IoT第一個大量落地的項目,主要原因是過去的蜂巢式網路技術已經沒辦法滿足M2M裝置數量的需求,若採用4G模組,單價比起2G模組將高出很多,因此在衡量營運成本與網路容量兩項指標後,開發商進而選用NB-IoT作為主要通訊基礎。

揮軍物聯網M2M市場 掌握六大關鍵要素

在整體物聯網市場來看,根據思科(Cisco)預測,2021年將有33億台M2M裝置部署於全球,相比於2018年裝置數量增加15億。u-blox商業開發主任廖容嫺(圖3)認為,要掌握物聯網M2M的商機,就須從六個面向思考,包含關鍵元件的選用、高整合度的產品、低風險與高可靠性、高性價比、通路與供應商的合作關係,以及提供好的售後服務品質。

圖3 u-blox商業開發主任廖容嫺認為,物聯網市場須要集結整個物聯網生態系的力量,才能贏得物聯網這片藍海市場。

廖容嫺談到,一個物聯網裝置內,裡面就可能包含了通訊、感測器、GPS、微處理器(MCU)等元件,當開發商在選擇的十字路口上,如何選擇符合需求的關鍵元件,是產品製作前一項非常重要的影響因素。

此外,物聯網市場商機當前,開發商如何擺脫競爭者,率先插旗物聯網應用市場贏得第一桶金,產品快速導入市場是決定性因素,然而物聯網產品要通過認證,通常須要長達半年以上的時間,因此如何在半年內降低產品風險度,並提升可靠度,慎選合作夥伴將是重要指標,無論是系統廠商或製造商的配合,將成為關鍵。

最後,在成本考量上來看,聯網裝置除了產品本身的硬體費用之外,還包含了電信費與事後的產品維修費用,故需在人工、時間與硬體成本上取得平衡,才能達到最高的性價比。廖容嫺強調,物聯網商機是一個完整的物聯網生態系攜手合作出來的成果,無論在元件、產品生產到通路與平台等層面,皆是環環相扣缺一不可。

NB-IoT省電測試小撇步

另一方面,為了協助開發商快速打造M2M模組,本文將以目前市場普及率較高的LPWAN通訊技術NB-IoT做為量測分析的例子。

是德科技(Keysight)資深應用工程師梁晉源(圖4)提到,傳統的行動通訊技術,主要是為了人類通訊設計而成;但隨物聯網興起起,通訊不僅為了提供人聯網技術,同時也須滿足物與物之間的溝通,因此聯網技術在設計的思維必需有所調整。

圖4 是德科技資深應用工程師 梁晉源表示,NB-IoT主要是透過PSM與eDRX機制達到極為省電的效果。

以蜂巢式網路技術來說,從LTE聯網轉型到NB-IoT首重的關鍵要素,在於聯網技術需要容納更多裝置,並提供更大的覆蓋範圍,而裝置本身則需要較長的電池生命周期,單一裝置至少要提供超過10年的電池續航力,同時還需具備上下相容的聯網機制。

以省電的角度來看,梁晉源表示,NB-IoT主要是透過節電模式(PSM)與eDRX達到省電。通常要做到省電的極致就是接進入飛航模式關閉RF,但是基本上使用者不太會開啟飛航模式,因此在NB-IoT標準內,就增添了一個PSM機制。

梁晉源談到,PSM是過去LTE標準沒有支援的一項新技術,該模式的運作模式是當裝置連線時,一開始會先進入Connected Mode,當裝置使用一段時間後,RF開始時間不需要太長時,就會進入到Idle Mode,最後再進入到PSM Mode直接關閉RF達到最省電的效果。此外,在模式轉換的過程中,會有兩個計時器(T3324、T3412)計算時間切換模式。

實際測量裝置耗電量,就會出現在Connected Mode時,硬體耗電最高,而後轉換成Idle Mode就會有一個周期起伏模式,偵測是否有工作需求,待真正進入PSM Mode時,就是最省電的時候。

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