物聯網商機爆發　5G帶動LPWA全速衝刺

隨著Wi-SUN、LoRa、Sigfox等低功耗廣域(LPWA)聯網技術的出現，物聯網發展速度急速增溫，且應用版圖不斷擴大，而LTE-M和NB-IoT標準的確立，則更進一步助長了此一趨勢。如今5G網路邁入商轉，預期將驅動相關技術不斷突破。另一方面，藍牙、Wi-Fi、Zigbee等短距無線連結技術方案供應商，也全力優化功耗表現，推出低功耗版本的解決方案，同時強化在網狀網路(Mesh Network)的部署優勢，可望與LPWA技術相輔相成，實現更多領域的應用創新，加速大規模物聯網願景的到來。

此外，為協助各領域物聯網業者加快應用開發速度，並降低進入門檻，上述無線聯網晶片和模組廠除不斷推出新產品外，更致力提高解決方案的整合度、設計彈性和便利性，同時強化生態體系支援的完整度。本活動解析LPWA技術、產品方案與應用市場最新近況，同時探討Wi-SUN、藍牙、Zigbee等在低功耗物聯網市場發展趨勢。

低功耗射頻導入智慧城市/工業應用

根據產業研究機構IHS Markit的研究指出，智慧城市終端裝置數量在2020年約有4億個，產業規模約7577.4億美元，預計2025年數量將快速突破12億個。意法半導體產品行銷工程師莊維燾(圖1)表示，低功耗射頻應用領域廣泛，除了智慧城市之外，工業也是另一個廣泛應用此技術的領域，如智慧製造、工業機器人、工廠自動化、工業照明、智慧運動控制、電源管理等應用，都可以看到低功耗射頻技術的導入。

從產品線角度來觀察，ST有藍牙低功耗的系列產品BlueNRG，還有sub-GHz的SPIRIT系列，莊維燾提到，兩個產品系列都有完整的後勤支援生態系，包括軟體工具、開發環境、設備開發夥伴等。在部分應用上，也有將兩個不同頻率的晶片，整合在同一個模組，提供更多樣化的功能。

而在工業控制方面，莊維燾指出，搭載感測器，可在工廠自動化上面做預測性維護，導入AI功能進行資料判讀後，設定機器設備的早期主動維修或強化省電功能。另外，繼支援Sigfox的S2-LP產品之後，下一代的S3會在2020年底發表，提供更加省電的功能。

NB-IoT/LTE-M應用與部署連結未來商機

5G時代來臨，LPWA在未來將扮演甚麼角色與未來的商機？從技術標準的發展來看，優北羅(u-blox)商業開發經理陳曉誾(圖2)說明，從R15開始進入5G新無線電(New Radio, NR)第一階段，屬於LPWA的NB-IoT從2016年的R13版本正式推出，R14算是最大規模的技術補強改版，R15則除了針對NB-IoT與LTE-M進一步提高移動性以外，也實現低功耗與低延遲。2020年6月甫制定完成的R16版本強化了NB-IoT與LTE-M在NR上運行的效率，R17則會提出全新的Reduced Capability NR，也叫NR Light，上傳下載可達100Mbps，定位在中階物聯網應用。

而產業趨勢部分，根據IHS 2019年發表的研究報告，整個LPWA市場2017~2023年年複合成長率(CAGR)為93%，陳曉誾說，NB-IoT與LTE-M應用範疇第一為智慧城市有29%，如停車、智慧路燈、共享單車；第二為能源與基礎建設24%，如智慧三表；消費性應用約14%，如小孩、寵物追蹤；資產追蹤10%等(圖3)。在智慧製造中，MQTT協定也越見廣泛應用在NB-IoT或LTE-M網路應用中。

在解決方案部分，u-blox的NB-IoT模組是SARA-R4跟SARA-R5，陳曉誾提到，SARA-R5是u-blox自主開發的晶片，直接支援3GPP的R14技術版本，而且已經是5G Ready的架構，可以透過軟體更新支援5G網路，另外值得一提就是功耗，睡眠模式達到小於1μA的超低功耗。

混合多重無線環境Mesh化繁為簡

無線技術近年蓬勃發展，多種無線技術存在一個環境中的混合無線應用情境逐漸成為常態，室內無線網路將由過去的星狀網路(Star Network)，進化為Mesh Network。芯科科技(Silicon Labs)資深應用工程師林仕文(圖4)解釋，Mesh Network可以延伸聯網距離、增加系統容量、改善系統穩定性、提供最佳響應等。

以Zigbee為例，2017年該技術進化到3.0版本，功能規格為R22，預計2021年底會發展為最新的R23，林仕文進一步表示，相關進化包括：All Hubs Initiative(WWAH)可以提高裝置的互通性，並改進常被詬病的安全性問題，同時增強路由功能，並進一步降低功耗與網路延遲性，北美地區並開始支援sub-GHz頻段。

Thread則類似Zigbee只定義中間的網路傳輸層，一般人聯想到Mesh，想要有Low Power Mesh就會想到Thread。OpenThread透過開放架構旨在推動Thread通訊協議於物聯網領域的應用，此舉也有助於目前高度分散發展的智慧家庭裝置之互通性。

Wi-SUN Mesh大規模組網穩定性佳

目前許多物聯網通訊網路還是採用傳統的星狀網路架構，然而其無法兼顧距離與速度，濎通科技(Vertexcom)產品行銷處長歐行中(圖5)表示，物聯網通訊複雜度大幅提高，越來越多元件加入，如何維持網路穩定度？越來越複雜的應用場景，如何維持網路覆蓋率？如何用最少的建置、維運與終生成本完成使命？網路技術與網路拓撲選擇等，都是網路建置困擾。

所以也帶來訊號掉失與壅堵、距離短或遮蔽、資安駭客、遠端更新功能不足、電池壽命不足、被私有協議或單一公司綁架等瓶頸。廠商需要的物聯網功能如：無頻段授權/無通訊費、長距離/高穿透/廣覆蓋、自動組網/自動修復、千點以上大規模組網、主動亂數跳頻防干擾、超低功耗、IPv6/開放標準、協定認證/互聯互通、企業級資安、雙向通訊/遠端更新、邊緣運算等功能。歐行中指出，Wi-SUN是一個開放標準，在IEEE 802.15.4g/e之下的技術，並符合IPv6、可以互聯互通跟雙向通訊、資安認證達到企業等級。應用領域為智慧公用事業、智慧住宅、智慧建築、智慧工廠、智慧城市和智慧路燈等。

Wi-SUN網路針對工作節點數量與組網穩定性部分，歐行中說，大規模網路的架設需要長時間的調適與現場測試，以取得最佳的網路節點數量參數配置，以濎通科技的解決方案為例，目前一個Wi-SUN網路可以達到超過1,000個節點入網，並在30分鐘之內完成千點組網。

0G全球化/低成本/低功耗達標

針對LPWA的需求，在物聯網的應用上，需要的是低功耗、長距離、低成本、全球化的網路架構與服務，優納比(Unabiz)研發部門經理楊鈞元(圖6)提到，該公司將這樣的網路叫做0G(Zero G)。Sigfox就具備這樣的網路特性，以共享單車服務為例，可以在車上裝一個GPS Checker，搭配類似Sigfox的聯網技術，做好後台管理網路，而不是採用3G/4G網路去做GPS Checker，反而導致成本過高，為營運增加許多壓力。

目前Sigfox網路滲透率已經遍及全球七十個國家/地區，也就是將Sigfox GPS Checker丟到行李箱裡面，從台灣出發到日本、歐洲、美國，通通都有Sigfox網路，而且不需要自己手動設定，楊鈞元進一步說明，而且雖然不同地區的物聯網使用頻段不盡相同，Sigfox還是可以自動的在不同的區域間進行漫遊，因為Sigfox在全球是以同一個網路的概念布建，不存在跨區漫遊的問題。

Sigfox在傳輸時使用超窄頻(Ultra Narrow Band, UNB)技術，每一個傳輸通道使用頻段約200kHz，每個訊號更只占100Hz，頻譜效率高，同時網路成本低，楊鈞元說，也因為每個頻率、訊號都很窄，所以可以減低外部干擾，不會影響訊號接收；精簡的訊息傳輸模式，可以將機器產生的單一性資料訊號，如溫、濕度，很有效率的傳送，同時確保裝置的低耗電。

物聯網異質整合部署解決網路痛點

目前物聯網的應用問題，主要出現在整合上，亞旭電腦(Askey)產品企劃處資深處長林義超(圖7)認為，以服務所應運而生技術導向的端-網-雲架構，但末端通訊協定尚未統一與近端網路拓撲覆蓋不足，並與高速網路層的通訊機制尚未整備，形成一個技術各自發展，商業模式受限的現狀。

林義超表示，目前技術面臨的問題包括：標準協定不完備、抗干擾差、通訊距離短、組網能力差、無低功耗雙向機制、大規模廣泛部署、行動裝置無法直聯等。可行的對策為：異質協議整合、通訊距離網格延伸、通用特定波段以抗干擾、具可管理之低功耗雙向機制、快速組網機制等。所需能力包括：具有協議參與及推動方法、完備之技術整合經驗、近端拓撲組網能力、高覆蓋性端網雲之整合連結能力，並可由藍牙5、藍牙Mesh、異質/NB-IoT網路與PaaS技術與平台克服。

異質網路與NB-IoT可快速進行資料交換，以縮短端-網-雲介面傳輸延遲的重大缺陷。林義超強調，藍牙Mesh具超高速內網(Implicit Network)，雙向、多點、全覆蓋等特性，易於與異質網路連接，NB-IoT與藍牙Mesh結合可使室內/室外通訊應用無縫銜接。而物聯網產業的發展，必須由傳統的硬體為主的產業結構，朝向系統化垂直供應鏈發展；在硬體、系統組成、裝置端/中間端到後台管理的各式軟體、資料分析/管理與監控等層面全面提升能力，創造全新的產業鏈，打造完整的產業競爭力。