長距離低功耗物聯網發展趨勢
2018-03-06

  一、長距離低功耗廣域網路技術定義長距離低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network,LPWAN)為支持物聯網或機器對機器(M2M)服務的新興通訊技術,特別是針對物聯網設備以電池提供多年的運行能力,最多可維持數年到十幾年;傳輸距離一般超過五公里,較WiFi的數百公尺來得遠,因此擁有良好的覆蓋率。這些特性使得其相對適合用來發展位置固定、終端密度中到高的應用場景(如水表、倉庫管理或其他數據設備),或是長距離、需要電池供電的應用(如車輛追蹤、資產追蹤或水文監測)等應用,其網路特性表示如下圖。

  低功耗廣域網路技術的出現,讓智慧城市中很多對數據傳輸速率要求不高的應用得以實現,包含路燈控制管理、水電表抄表、城市環保設施監控(如智慧垃圾桶)、以及地下管線監控等具備大量終端、僅靠低電量即可運行的聯網環境,均適用以低功耗廣域網路技術進行服務的提供。此外,在一些大範圍的應用場景,如智慧農業、智慧石油巡管線業務,以行動網路提供服務不具備成本效益,因此低功耗廣域網路也有可能在這些應用場域以專網型態存在。不過低功耗廣域網路仍有一些劣勢,如傳輸資料量過小,部分低功耗廣域網路技術協定一天僅能傳送一百多次的資料,應用型態發展相對受限,此為其相較於WiFi、Zigbee等技術的最大劣勢。

  二、長距離低功耗物聯網應用範疇由於LPWAN具備低功耗特性,感測器採用此技術後電池壽命可達10年,可節約電源消耗與維護成本,避免需要時常更新設備電池問題,適合長時間使用與大規模布建的城市網路。而且LPWAN網路資料吞吐量(Throughput)通常為幾百bit/s或更少,晶片架構主要支援小資料的傳輸為主,主要訴求轉而朝向更簡化、更低資料吞吐量、更小記憶體,因此具備低成本優勢,預期Radio晶片成本未來有機會降至2美元以下。上述的特性可打造眾多新興智慧城市應用,列舉如下: 1.精準式農業服務德國電信商提出精準式農業物聯網服務,將NB-IoT(Narrow Band IoT)模組嵌入土壤溫濕度感測設備,設備亦結合太陽能板進行照度探測,此物聯網設備就可以有效偵測可將農場的土壤、空氣的濕度溫度、土壤PH值、葉子濕度、農作物成熟狀況、太陽面板偵測照明強度等資料,並回傳至資料庫進行分析,可達到農作物生長歷程全程監控。若是進一步搭配昆蟲探測、天氣預測、視覺化的地圖顯示、農凍災害偵測等,亦可以預防蟲害、掌握農作物疾病的爆發過程,或是瞭解季節如何影響農作物生長等應用。

   2.城市停車管理法國物聯網服務平台業者Actility利用LoRa提供的城市停車管理,主要透過安置大量感測器於停車場進行停車位的狀態偵測,再透過LoRa技術傳送至雲端,如此可掌握城市內所有停車場的空位資訊,協助民眾享受便利的車位查詢服務,縮短不必要的時間浪費,同時政府單位亦可增加停車場管理效率,並增加停車位的利用率。Actility此項服務預計可減少民眾35%車位尋找時間,並間接減少40%的二氧化碳排放。

  三、全球長距離低功耗物聯網技術發展現況近年來各國智慧城市開始發起城市物聯網實驗計畫,其中低功耗物聯網技術,由於可提供低功耗、長距離、易布建、低成本與高可靠的最佳化的解決方案,被視為城市物聯網不可或缺的通訊技術。2014年英國的米爾頓凱恩斯發起全球第一次基於LPWAN大規模的物聯網專屬網路,吸引英國電信(BT)、華為、Samsung等大廠加入實驗計畫。2015年4月瑞士的Swisscom於蘇黎世、日內瓦也成功建置LPWAN來尋求最佳能源效率的物聯網基礎設施。身為亞洲科技重鎮的台灣也於2016年的台北市打造亞太第一個基於LPWAN城市級物聯網實驗平台,提供新創或開發團隊來申請利用,進行連接感測器、創新實驗等,加速智慧城市應用的創新。根據GSMA的預測2018年採用LPWAN連網的終端數將達10億台,2022年則成長至超過50億台且物聯網營運商市場可超過130億美元,產值包含:連線費用與附加價值服務(如:系統整合、安全與資料分析等)。

  目前低功耗物聯網候選技術包含EC-GSM到LTE Cat-NB1到LTE Cat-M1,還有眾多新興低功耗物聯網路,包含:Sigfox、LoRaWAN等,主要運用免照頻段進行服務提供。目前新興低功耗物聯網路大約可分為兩大陣營,其一為採用ISM(Industrial Scientific Medical)的免授權頻譜陣營,如:Sigfox(NTT Docomo、SK Telecom、GDF Suez、Air Liquide、Elliott Management等投資)、LoRa聯盟(IBM、Semtech、Actility、Cisco等組成)、Weightless(Accenture、ARM等組成)、Wi-Fi HaLow等新生態系統為代表,尤其是Sigfox、LoRa、Weightless等不僅技術已逐步成熟而且不乏國際大廠支持。其二為多數電信營運商擁護的NB-IoT,最大優勢是基礎設施已經部署完成,大部分的LTE基站可直接支援升級,因此多半電信商、電信設備商因技術平台遷移策略容易而樂於支持該技術,如:AT&T、Vodafone、Deutsche Telekom、Etisalat、華為、中國移動、LG Uplus、Telefonica、Ericsson、Nokia、Qualcomm等

  上述兩大陣營瞄準的價值的目標在於打造一個具備長距離、大連結、易布建、超低功耗與低成本的無線網路,而且採用的頻段多鎖定在Sub-1GHz,例如:LoRa鎖定支援頻段為150 MHz、433 MHz、850-1GHz,Sigfox鎖定支援頻段為902 MHz(美國)、868 MHz(歐洲),Weightless鎖定支援頻段為White Space(700 MHz),IEEE 802.11ah鎖定支援頻段為900 MHz,Narrowband IoT(簡稱NB-IoT)鎖定3GPP所訂定的LTE頻段(1GHz以下為主),傳輸距離則可達5~40公里,主要依據實際場域、建築物及地形高低起伏等情況而有所差距;根據IBM的建置LoRa經驗,曼哈頓下城區(Lower Manhattan)範圍約為30平方公里,僅需要7個基地台就可覆蓋全區,若是以整個台北市為例,僅需要12個基地台即可達100%覆蓋,而且具備大連結的特性使得1個基地台最多可支援上百萬個節點,因此相較於傳統的短距離傳輸方案可大幅降低布建成本。

  四、長距離低功耗物聯網技術發展商機 2016年起全球採用非授權頻段的低功耗物聯網路陣營,如Ingenu、LoRa、Sigfox等於市場上紛紛崛起,包含韓國SKT、荷蘭KPN、Senet與Comcast等都開始進行大規模的部署,這給予3GPP陣營晶片、模組、設備業者,以及部分的營運商造成競爭壓力。 2017年隨著Cellular基礎的LPWAN逐漸問世與成熟,以及更多電信營運商的加入,2017年物聯網市場成長可期將實現更多智慧城市應用,進一步擴大物聯網應用範疇與潛在商機。包含:環境監測、停車、交通、資產管理、照明、電網、水資源,以及穿戴式產品(寵物、幼兒)等。

  由於物聯網市場龐大,短期之內不管是Unlicensed Band陣營與Cellular based LPWAN技術陣營,都保持成長的態勢。值得注意的是,長期而言,電信營運商主導的公網(Public Network)建置競爭將成為下一階段LPWAN發展的主要驅動力,其中在營運商支持下,未來預期以NB1與Cat M1為主流,而Unlicensed band則以私網等利基市場發展為主軸。整體而言,Unlicensed band與Licensed band將共存發展,這與現有的WiFi/ LTE網絡(未許可/ 授權)意義相同。模組商與設備商可多方布局,例如:u-blox等模組業者除了NB-IoT布局外,也將Ingenu納入產品組合,開始布局Hybrid Approach,並提供Cloud物聯網平台,降低單一技術的市場風險。

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