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LPWAN技術前景看好? 廠商怎麼看
 

【作者: 葉奕緯、王明德】   2018年06月11日 星期一

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根據Gantner報告預測,2020年全球IoT裝置將達250億個,思科預測的數字為500億個,而近年來LPWAN的技術已逐漸成熟,各家無線通訊晶片也蓄勢待發,有推出NB-IoT或CatM1單模產品,也有以雙模為主,並搭載GPS模組的產品供客戶選擇,然而在電信商升級基地台前,有幾項因素必須謹慎考慮。


首先以智慧城市作為案例,將來極有可能會在市、郊區佈建上萬顆透過LPWAN無線通訊技術連網的感測器,因為少了電線充電,因此在電池技術尚未取得突破之前,必須至少每三年手動更換一次電池,因此會造成後續維護上的麻煩。


延續上述案例,當三年維護期到後,維修人員到了當初套裝軟體寫入的座標進行電池更換時,竟發現當初安裝的感測器已經消失了,原來是因為工程問題,被人員不慎移動到其他位置,而無法尋回。因此,還得加裝GPS才能防止此類問題發生。


最後,還有可能發生各廠牌的電池規格不一,讓後續維護人員作業困難的問題。


上述皆是使用者須考量的維護問題,另外以系統整合商的角度看來,所考量的重點則在於:授權或非授權、特殊或標準化技術、產業鏈與導入成本等。與技術有關的項目還包括:頻寬、涵蓋範圍、節點容量、耗電量、安全性、移動支援性、定位功能等,這些都屬於使用無線通訊模組的考量重點。


台灣市場現況

至今為止,無線通訊已經累積有近20年的發展,直至目前已有許多應用技術被提出,例如授權頻段NB-IoT(NarrowBand-IoT),以及採用非授權頻段的LoRaWAN、Sigfox、Weightless、HaLow、RPMA(Random Phase Multiple Access)等。使用授權頻段技術為3GPP所主導的NB-IoT,使用現成3G/4G網路,各國的電信商也相繼投入,如美國的AT&T、中國的華為,而使用非授權頻段技術的公司,則多半不屬於電信領域的ICT廠商。


而台灣電信公司則有各自的打算,遠傳是NB-IoT與LoRa並行,中華電信偏重NB-IoT,台灣大偏重NB-IoT、並正評估LoRa中,亞太電信偏重LoRa,台灣之星則重壓NB-IoT,不做LoRa。


新漢(NEXCOM)副總經理李立偉表示,雖然NB-IoT、CatM1等是近年才出現的技術,但明顯可以看出被各大電信商所看好並預備採用。


LPWAN的優勢

無線傳輸最直接的好處,就是免於佈線的麻煩,目前也分成兩種型態,一種是主動推播資料給使用者,例如Beacon以及RFID,它們多半用在智慧倉儲和零售上,而在工業環境上,則多半與感測器結合,因此需要符合廣域傳輸的特性,隨時主動更新資料,如NB-IoT、LoRa等。



圖1 : LPWAN具備低功耗廣域的通訊傳輸特性。(source:MDPI)
圖1 : LPWAN具備低功耗廣域的通訊傳輸特性。(source:MDPI)

授權頻段NB-IoT的優點就是建置容易,因為其仍使用4G頻段,因此只需要在既有的基地台上就能進行升級使用,相當節省成本,也擁有一定的安全性保證。



圖2 : 以閘道器作作為主要的通訊傳輸的解決方案。(source:NEXCOM)
圖2 : 以閘道器作作為主要的通訊傳輸的解決方案。(source:NEXCOM)

當前基地台覆蓋範圍約20公里,NB-IoT適合於定點的應用,可在基地台覆蓋範圍內維持資料傳輸的穩定度,而且它可以穿透地面進行訊號傳輸,非常適合用於智慧三表相關的資料收集用途。而針對高速移動的應用,則適合使用LTECatM1的網路,它具備跨基站台不斷線的機制,可讓裝置在移動時仍保持持續的傳送資料。


此外,只有NB-IoT不須透過有線網路及閘道器,才能將資料上傳至雲端分析,而是讓裝置直接具備連線至雲端的能力,而Sigfox以及LoRa都仍需要閘道器才能將資料上傳到網路,因此u-blox也特別看好NB-IoT的發展前景。



圖3 : u-blox推出ZED-F9P多頻GNSS模組,整合RTK技術,適用於高精準度無人機、機器控制。(source:u-blox)
圖3 : u-blox推出ZED-F9P多頻GNSS模組,整合RTK技術,適用於高精準度無人機、機器控制。(source:u-blox)

應用落地方案

在未來的使用情境上,LPWAN的技術除了應用於工業感測器上,同時也會用於智慧城市的佈建中,尤其是城市以外不容易布置、並且缺乏有線傳輸的地方。LPWAN技術適合用於突發的應用場域,因此會加裝於戶外,如空氣品質偵測器、水質監控,甚至是有毒氣體洩漏地點等,達成快速佈建的目標。


李立偉以新漢未來的規劃舉例:「以通訊技術為考量來說,主要的應用情境區分為兩種,一種是定點式的工業用,第二種是戶外型如智慧城市中的感測器。定點式的話,因為不需要額外的定位功能,因此我們會採用單模的NB-IoT技術,但若是戶外型的話,我們就是提供雙模NB-IoT與CatM1結合的技術,實現定位功能。」


新漢也碰到客戶疑問,在工廠內有必要採用無線通訊技術嗎?李立偉認為,若是在固定場域內,仍可以將眾多感測器集合在一組閘道器中,當數量達到一定程度,其成本也不會比無線通訊方案高太多,也能省下維護費用。


而以使用者的觀點來看,購買LPWAN感測器所擔心的地方在於可選擇的廠家不多,議價空間低,另一方面則是怕停產問題,擔心未來賣家中斷供貨,因此以目前看來,使用者仍傾向於購買便宜的感測器,加裝在閘道器上夠用就好,新漢同時提供閘道器及LPWAN兩種選擇,閘道器方面,將提供NB-IoT無線通訊技術。


此外,半導體廠的客戶因為其特殊限制,所以在無線通訊的頻率上,有一定要求,因為大半的LPWAN技術無法應用於半導體場域,例如頻率超過2.4GHz的Zigbee、LoRa、Wi-Fi等,所以新漢採用的是藍牙低功耗(BluetoothLowEnergy,BLE)技術,藉此滿足此類客戶的需求,雖然BLE仍有無法跨基地台傳輸的問題,但因為僅應用於工廠內部,並不影響實際應用。


應用多元 LPWAN走向雙模設計

物聯網對於低功耗的需求向來旺盛,由於物聯網產品傳輸的資料量無須大量,但須能定時傳遞,所以低耗能相當重要,因而促使低功耗廣域網路技術(LPWAN)的誕生,有趣的是,一般人提到諸如NB-IoT、LoRa與Sigfox等LPWAN技術,皆會直覺認定它們只存在著競爭關係;對此意法半導體產品行銷經理楊正廉表示,現在已有廠商採取「雙模式」做法。


楊正廉以LoRa與Sigfox為例指出,這兩大技術的應用領域重疊性相當高,也一直是被相關廠商作為相互比較的技術,事實上,LoRaWAN的傳輸距離遠不及Sigfox,不過訊號也可傳輸數公里;且因LoRa技術具有開放性,意味著對該技術有興趣的公司皆可佈署/營運,因此LoRa在面對跨國傳輸時,將會產生漫遊費用等問題,話雖如此,楊正廉認為,在某一特定範圍內/封閉型地區的應用,LoRa將較Sigfox更具有成本優勢。



圖4 : 意法半導體產品行銷經理楊正廉認為雙模組將會是未來趨勢。(攝影/王明德)
圖4 : 意法半導體產品行銷經理楊正廉認為雙模組將會是未來趨勢。(攝影/王明德)

舉例來說,在農場的應用情境中,倘若農場主人欲於每一頭牛隻上加掛感測器以便追蹤;若是採用LoRa技術,使用者只須花費LoRa感測器模組、閘道器、Wi-Fi,以及雲端的建置成本即可做好牛隻的管理。且LoRa也可透過現有傳統LTE網路,將資訊傳送至雲端,再透過更大範圍的NB-IoT網路或者現有的4G LTE網路傳送到開放的雲端或私有雲,整合多個廠區的數據進行彙整分析,就會是智慧製造非常有用的資訊。


但在此一類型的應用情境中採用Sigfox技術,每一頭牛即視為單一節點;而Sigfox的特性即是每一節點,每一年皆須向Sigfox公司繳交年費(每一節點的費用將坐落在1~12元美金不等),就以封閉型的應用區域而言,LoRa將更具有成本優勢。


研華的M2.COM解決方案

另一方面,研華則是推出以LoRaWAN為主的解決方案,LoRaWAN具有長距離、低功耗的特點,專為採用無線方式、由電池供電設備組建的智慧城市應用而打造,有利於保障雙向通訊、移動性和當地化服務,滿足包括環境監控、街道照明、停管系統、智慧建築、智能錶頭及車隊管理等全方位應用需求。


研華提供完整的LoRa解決方案,如WISE-DK1510LoRa感測器節點開發套件、WISE-3610LoRa閘道器等,是基於M2.COM標準規格並內建Armmbed作業系統,提供開發者豐富的SDK工具與標準程式庫,還有研華WISE-Link無線解決方案,可支援LPWAN開發人員在物聯網設備和雲端安全開發私有網路。



圖5 : WISE-1510是一款整合了Arm Cortex-M4處理器和LoRa / LoRaWAN連接的無線模組。(source:研華)
圖5 : WISE-1510是一款整合了Arm Cortex-M4處理器和LoRa / LoRaWAN連接的無線模組。(source:研華)

另外研華也推出一套彈性化模組M2.COM,透過共同規格的電路板與外接連接埠,模組上的晶片可以換用NB-IoT、LoRa或Sigfox。方便產品開發商進行導入,為工業物聯網統一標準之硬體與軟體規格開發平台。



圖6 : M2.COM為工業物聯網統一標準之硬體與軟體規格開發平台。(source:研華)
圖6 : M2.COM為工業物聯網統一標準之硬體與軟體規格開發平台。(source:研華)

其模組對外聯繫介面,來自於M.2標準介面,搭載感測器介面、運算微處理器以及無線傳輸技術。經由USB、PWM、SDIO、I2C、I2S、UART、GPIO、SPI和ADC等介面可連接IoT感測器和控制端設備進行資料獲取和設備控制。


系統商面臨的挑戰

以目前看來,LPWAN距離真正落地發酵仍有一段時間,因為仍有電池(接頭)規格統一、後續更換電池的維護以及戶外電池的過熱問題需要解決,除非能與現正火熱的非接觸式無線充電做結合,才有機會克服困難。


然而在技術方面,目前尚未碰到瓶頸,因此已有許多種類的感測器開始進行實測,遠傳電信也成為首位拿到NB-IoT執照的電信商,中華電信則緊追在後,並也準備遞交Cat M1的解決方案。


當前絕大多數的使用者,仍是使用有線匣道器的方式進行通訊傳輸,過去曾有過WiMax事件的慘痛經驗,因此在決定使用何種LPWAN時,台灣產業鏈的各個業者無不小心翼翼,跟著國外腳步而動,而非像過去一頭熱栽進WiMax的大坑中。


**刊頭圖:LPWAN將協助實現萬物聯網。(source:IntelligentHQ)


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