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日本电信业提供LPWA物联网通讯服务
面对低耗电趋势

【作者: 盧傑瑞】2018年10月08日 星期一

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以现今环境来看,通讯成本不断的降低,但相对的,人力成本却是每一年持续增高,这时能够低成本化的只有透过远端的作业,来对数量庞大的设备进行控制管理。


透过这样的技术基础,将通讯服务延伸到让相异远端两地的产业用设备,得以展开资料传输和通讯能力,进而获得有效的管理控制,以及资料分析;而这样的观念被称为「IoT通讯的技术服务」。


不过,针对利用IoT通讯的技术服务,高速和大容量并非绝对必要,而是要能够满足众多设备或元件之间的各种需求,对於这样的需求技术,则被称之为「低功率广域网路(Low Power Wide Area;LPWA)」,透过降低电力消耗的机制,在3GPP Release 13的LTE标准技术基础下,来实现长距离且长时间的通讯技术,并且可以套用在现有4G LTE的网路架构,降低对电力的依赖,甚至於仅靠电池就有可能可以驱动,而受到全球所注目。


各家电信业者独自LPWA的规格与行动电话网路的Cellular-LPWA不太一样,日本电信业者纷纷预订从2018年开始就正式对外提供独自特定的LPWA服务(图1),同时,行动电话网路的Cellular-LPWA透过已经覆盖日本全国的4G通讯网路,已经在2018年1月开始提供LTE版本的LPWA服务。这样的服务提供将会更进一步的刺激企业的采用与IoT应用的展开。



图1 : 日本电信业者从2018年开始正式提供具有LPWA能力的IoT服务(source:Biglobe NEWS)
图1 : 日本电信业者从2018年开始正式提供具有LPWA能力的IoT服务(source:Biglobe NEWS)

所谓的独自LPWA规格指的是从2012年就开始的Sigfox及LoRa,并且在2015年开始在欧洲行动通讯的资料传输市场展开攻势,而所面对的竞争对手则是3GPP,因此和4G相关标准化的讨论也随之而起。以瑞典的易利信(ERICSSON)和芬兰的诺基亚(NOKIA)为中心,应用4G的LPWA也就随之开始热烈讨论。


DOCOMO估算LPWA市场规模将3年後达到2025万台以上

目前在日本,已经有包括KDDI、DOCOMO、软体银行等3家日本的通讯服务公司正式导入,甚至KDDI更把月租费下杀到40日圆。


从过去开始,远端管理控制便已经被广泛应用,例如在日本的远端自动贩卖机监管、仓库的库存管理、农业和渔业的种植及养殖成长状况、公共汽车的定位资讯控制…等,这些在导入IoT技术服务之後,便直接成为「低功率广域网路(LPWA)」的应用。


根据日本NTT DOCOMO的估算,LPWA的市场规模在2020年将由目前的210万成长10倍,使用的线路终端将达到2025万台以上。


就目前LPWA的低耗电技术来看,可以区分成两大领域,一个是在目前的LTE通讯技术下进行提升,被称为Cellular-IoT,另外一个则是利用了无需许可执照的频率(Unlicensed Band)。以日本NTT DOCOMO所导入的LPWA低耗电技术便是属於包含Cellular-IoT这一个领域的「LTE Category-1」,而这样的低耗电IoT服务,日本NTT DOCOMO称之为LoRaWAN解决方案。未来将会再进行「LTE Category-0(LTE-M)」以及「NB-IoT」等技术提供更多的服务。而对於後者的无需许可执照频率(Unlicensed Band)方面,日本NTT DOCOMO也已经在LoRaWAN Solution服务上进行相关的验证作业。


DOCOMO导入Cellular-IoT,待机状况下可节省90%的电力消耗

自从LTE技术发表之後,将行动通讯带向新一个世代的高速和大传输量,从最早LTE的标准规格来看,LTE的一个优势性是可以直接应用在现有的终端与基地台。


在Cellular-IoT架构下,「LTE Category-1」的最大通讯速率可以达到10Mbps,因此不仅仅可以应用在工业通讯,甚至於消费性产品的「Apple Watch Series 3」也已经采用这个架构。


目前还无法立即判断LTE Category-1对於「Apple Watch Series 3」来说,究竟能多省电,但是,如果说Apple Watch是为了省电而不使用行动通讯网路,而是透过LTE Category-1加入4G功能的话,那麽网路对Apple Watch的影响,就不仅仅是从没有网路变成有网路,往远一点的来看,或许就能摆脱对於iPHONE的依赖。但另一方面,随之出现的又是无止境的增加续航力这些循环性问题。


在一般的状况下,LTE的终端单元会定时地和基地台进行通讯,来确认基地台是否有接收到从网路的另一端所传送进来的新讯息。以目前日本NTT DOCOMO的LTE设备状态,这样的通讯工作每1.28秒就会被进行一次。如果IoT所被应用的状态是在一天只需要送出一次讯息的设备,或者一个月只需要送出一次资料的自来水表之类时,日本NTT DOCOMO就透过导入「延伸性非连续接收模式(Extended Discontinuous Reception;eDRX)」技术(图2),来让大幅度降低电力的消耗。例如,如果通讯间隔能够从原本的1.28秒/次,延长到81.92秒/次,那麽电力的消耗就可以降低80%。



图2 : NTT DOCOMO 从2018年开始提供低耗电IoT服务 (source:NTT DOCOMO)
图2 : NTT DOCOMO 从2018年开始提供低耗电IoT服务 (source:NTT DOCOMO)

所谓eDRX指的是非连续接收,是3GPP R13引入的新技术。R13之前已经有DRX技术,从字面上即可看出,eDRX是对原DRX技术的增强,使得用户设备的睡眠周期,也就是eDRX Cycle,最长可达10,485.76秒(约175分钟);而在进入长期睡眠前的一段时间为Paging Time Window(PTW),这段期间内用户设备同样执行现有的DRX,以接收来自MME的Paging讯息。


eDRX支援的Paging Cycle可以更长,从而达到省电目的。eDRX的Paging Cycle由网路侧在ATTACH和TAU消息中指定(UE可以指定建议值),可为20s,40s,80s,…最大可达40分钟。相比以往1.28s/2.56s等DRX的Paging Cycle配置,eDRX耗电量显然低很多。


对於新省电技术的采用,在2017年,NTT DOCOMO也相应的提供具有IoT能力的新一代SIM卡「DOCOMO UIM(M2M)Ver.6」。旧版本的SIM卡在IoT的应用上对於硬体设备有诸多的限制,以及必须经常性的提供电力。新一代SIM卡中由於包含了eDRX技术,因此在电力需求上可以达到大幅的降低。例如,在使用新一代SIM卡时,可以将通讯间隔的时间设定在81.92秒/次,这时,待机时的电力消耗就有机会可以大幅降低到90%。透过技术不断的提升,相信在未来只需要几颗乾电池,就可以透过IoT模组进行长达10年的通讯能力。


图3 : NTT DOCOMO开始提供具有IoT能力的新一代SIM卡「DOCOMO UIM(M2M)Ver.6  (source:NTT DOCOMO)
图3 : NTT DOCOMO开始提供具有IoT能力的新一代SIM卡「DOCOMO UIM(M2M)Ver.6 (source:NTT DOCOMO)

仅花费40日圆就能够使用KDDI的IoT通讯线路

从2001年起,KDDI就开始提供IoT服务,因此KDDI已经具有超过17年的各种经验,并且有能力在一个处理中心就能够面对,以及服务来自各地用户的问题与意见,并且也获得了相当多来自用户宝贵的建议。


目前KDDI的IoT通讯验证工作已经在冲绳的那霸市及福岛县展开进行,透过IoT的机制,包括电力和自来水的智慧电表、具有GPS能力的货物追迹、灾害管理等,都已经被纳入服务范围之内。


对於LPWA低耗电技术中的「LTE Category-0(LTE-M)」及「NB-IoT」技术方式,这次KDDI所选择的也是LTE-M。LTE-M的技术下,对於电力的节省有eDRX和PSM这两种技术可以采用。在面覆盖(Area Coverage)的定义下、即使范围内的讯号相当微弱,仍旧可以透过重复传送相同的资料讯号,来提高讯号接收的正确率,在无障碍物的情况下,传送能力更可以扩大到5公里以上(图4、图5)。



图4 : KDDI利用垃圾桶来装置LPWA IoT设备 (source:KDDI)
图4 : KDDI利用垃圾桶来装置LPWA IoT设备 (source:KDDI)

图5 : KDDI的IoT通讯验证工作已经在冲绳的那霸市展开 (source:KDDI)
图5 : KDDI的IoT通讯验证工作已经在冲绳的那霸市展开 (source:KDDI)

KDDI的「KDDI IoT Connect LPWA」服务,提出3种不同速率的费率,分为「LPWA10(10KB)」、「LPWA100(100KB)」和「LPWA500(500KB)」。最便宜时,仅花费40日圆就可以使用IoT通讯线路。


NTT DOCOMO针对IoT服务则是推出绑约2年的2种方案,「IoT方案」有提供400日圆和1200日圆两种不同的月费,一般情况下通讯速率不超过128kbps,而通讯速度更高的「IoT方案HS」每个月可以达到3GB,月费则是600日圆和2900日圆。


KDDI利用LPWA能力所提供各式各样管理功能

针对低耗电通讯的要求,KDDI开发了相对应支援LPWA的LTE-M硬体模组,由於不必追求外型的设计,只要能够满足小型通讯设备也可以使用的考量下,所开发的模组面积大约是日币的1圆硬币大小。并且增加了LPWA能力之後,就可以将电池的使用状况与续航能力等等,利用讯号发送的方式提供给元件端(图六)。


在这个小体积的架构下,KDDI宣称只要利用2颗3号电池的电力,就可以提供这个LTE-M硬体模组10年之间运作所需要的电力。更进一步的,对於SIM的管理,KDDI也提供了线上即时开通SIM、网路VPN及密码安全性的功能等。



图6 : KDDI将LPWA模组面积缩小成日币的1圆硬币大小(source:KDDI)
图6 : KDDI将LPWA模组面积缩小成日币的1圆硬币大小(source:KDDI)

KDDI所提供的各式各样管理功能,包括:


1.网路连线状态、SESSION状态、讯号有效范围确认、电源关闭等等种和判断的SIM状态管理。


2.电池续航力、讯号接受状态的可视化及警告通知等的元件单元管理。


3.省电模式设定变更等的客户端控制,以及叁数变更等的远端设定功能。


4.为了能达到长时间的运作高信赖度,提供韧体自动更新或自行更新选择功能。


目前日立系统已经开始采用KDDI的这项IoT通讯服务,成功地将这项服务导入现有的系统之中,并且在人孔盖里设置了元件,来进行犯罪、安全监控、水质水量状态、有毒气体监测等的监控作业。


这样一来,就可以提早对相关设备的老化、自然灾害的发生提早进行应对,并且透过水道或管线内部状态的可视化,来确保作业人员的安全性。此外,以开发河川水位监测解决方案的日油技研,利用低成本、低耗电的即时水位监测感测器来对河川进行水位监测,透过水压的方式,目前的监视精度可以达到5公分。同样的日油技研也是采用了KDDI的IoT解决方案,来对河川的泛滥进行早期预警,来确保河川周围区域的安全性(图7)。



图7 : 日立系统将KDDI服务导入现有的系统之中,并且在人孔盖里设置了IoT元件。 (source:日刊工业新闻)
图7 : 日立系统将KDDI服务导入现有的系统之中,并且在人孔盖里设置了IoT元件。 (source:日刊工业新闻)

对於在导入低耗电能力後的IoT解决方案,KDDI相当有信心的推广到每个应用产业和环境,并且透过数据的获得与再分析,来创造与产生出新的价值。例如,透过导入IoT能力的停车场管理,并不是仅仅只有了解或预测本身的客户停车状态,如果能够再进一步的整合周边资料的话,除了提高停车状态的精确度之外,还可以衍生出相关物品或服务销售的可能价值性。


因此,对於高度利用资料有兴趣的客户对象,KDDI将会和客户一起进行分析,并且开发出在原先业务模式基础下的新商业机会。


软体银行异军操作采用NB-IoT

和SIGFOX、LoRaWAN不同,软体银行策略是采用需要频段许可的NB-IoT。


和DOKOMO与KDDI所不同的是,软体银行对於低耗电目标所采用的技术是NB-IoT。软体银行的看法是,和LoRaWAN技术等使用ISM频率设备所不同的是,采用需要频段许可波段的背後意义,代表着能够获得相当程度的通讯品质保证,这也是采用需要频段许可波段的优点所在。


另外,更具优势性的是,以目前来说基於LTE技术下,一个基地台大概能够管理1000个终端。但是面临预测2020年时,将会有157亿个IoT终端需要进行资料存取,这时相较之下,LTE就显得相当吃力,不过,对於导入NB-IoT技术的设备来说,因为一座基地台能够管理5万个IoT终端,这时NB-IoT就能够显示出其优势性了(图8)。



图8 : 在面对大量IoT终端需要管理时,NB-IoT能够显示出其优势性。
图8 : 在面对大量IoT终端需要管理时,NB-IoT能够显示出其优势性。

(source:XTECH)


软体银行在2016年11月,取得了NB-IoT的试验许可,这个试验是采取开放性质的智慧型停车场管理的实验验证。实验方式是使用者利用智慧型手机来查询现阶段目标区域停车场的闲置车位状况,当使用者决定某一特定停车场中的停车位置後,即可进行预约车位,随後再依照智慧型手机的讯息指示,将车辆停放在已经预约的停车位置。而当使用者要将车辆驶离停车场时,IoT设备的管理伺服器便会将停车费用透过智慧型手机通知使用者,来进行停车费用缴费的作业。



图9 : 软体银行在2016年进行智慧型停车场管理的物联网实验验证
图9 : 软体银行在2016年进行智慧型停车场管理的物联网实验验证

(source:XTECH)


这样的目的是建立一个能让使用者快速的进行停车位置查看、预约,以及无须麻烦的停车费用结算与付费多元化智慧型停车场。停车感测器与管理伺服器之间,透过NB-IoT的机制来进行讯号和资料的相互传送,而IoT终端部分就是导入了NB-IoT,硬体的部分则是相当简单的金属感测器和电池,并且将具有NB-IoT模组的IoT埋入停车位的地下,透过感测器的感应变化来通知伺服器端。


**刊头图 (source:TI)


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