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LPWA應用升溫 NB-IoT大步邁向商業化
智能生活即將實現

【作者: 王岫晨】   2019年04月12日 星期五

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圖一 : 隨著LPWA需求大幅成長,將為NB-IoT帶來更大的應用商機。
圖一 : 隨著LPWA需求大幅成長,將為NB-IoT帶來更大的應用商機。

從過去到現在,物聯網的定義正不斷變化。在今年,物聯網的定義為:將智能設備連接到雲端,以便從感測器或致動器來傳輸數據,這些數據可以直接或間接地貨幣化,並實現解決方案的創新。而這樣的過程中,還可以節省人力或創造新的生活模式。此外,AI和邊際運算都將與物聯網快速融合,到2019年底,這兩者都將成為物聯網定義的組成部分。



圖二 : NB-IoT技術具廣覆蓋、低成本、低功耗之優勢,可應用於智慧三錶等物聯網創新領域。
圖二 : NB-IoT技術具廣覆蓋、低成本、低功耗之優勢,可應用於智慧三錶等物聯網創新領域。

在2017年12月,3GPP發布R14的NB-IoT標準,並於2018年宣布NB-IoT開始商業應用。回顧前幾代行動通信,每個發展階段都明顯改變了人們的日常型態,並強化了數據傳輸的便利性。具體來說,2G通信提供了行動語音呼叫、3G通信開始了行動網路,至於4G行動網路則開啟了行動視訊串流的多媒體服務。 在現今的4G電信基礎設施下,人們可以透過網路獲取數據,甚至依據需求來增加數據性質與數量,進而為物聯網創造更多的商機。


NB-IoT帶領物聯網邁向商業應用

建立R14的NB-IoT規範,目的在於滿足大多數物聯網終端設備的應用情境。物聯網終端設備通常支援60kbps的上行鏈路峰值速率,和20kbps的下行鏈路峰值速率,用戶的設備頻寬上限為200kHz,主要目的是在於符合物聯網應用中,較小數據封包的需求。該規範的目標在於使NB-IoT能夠降低功耗,這是克服行動通信以及物聯網市場應用的最關鍵挑戰之一。此外,R14還規範NB-IoT在成本與RF收發器及用戶的市場預期價格之間取得一個平衡點。


NB-IoT透過較低的傳輸速率和降低的功耗,來響應大多數物聯網使用情境的要求。但是,在某些情況下,一些物聯網應用程序需要使用其他行動通信協議。例如,行動設備和基地台之間的通信,就必須克服切換的問題,當設備從一個基地台區域行進到另一個基地台區域時,這些切換的問題可能會破壞行動設備和基地台之間的鏈路。為了避免切換失敗,LTE Cat.M1更適合於物聯網通信,因為它提供了更寬的傳輸頻寬,以便允許數據封包可容納更多的容錯代碼。



圖三 : 智慧電錶也是NB IoT重要的應用項目之一。
圖三 : 智慧電錶也是NB IoT重要的應用項目之一。

智慧水錶及電錶是運用NB-IoT的最佳範例,水、電錶通常安裝於隱蔽處,傳統無線網路難以覆蓋,NB-IoT便可改善這些狀況。


LPWA應用快速升溫

隨著LPWA(Low Power Wide Area;低功耗廣域網路)需求大幅成長,這將為NB-IoT帶來更大的應用商機。未來智能電錶將從非蜂巢式結構,轉換成為獨立的蜂巢式LPWA電錶。而智能停車也將獲得更大的成長空間,特別是在NB-IoT和LTE-M的全面部署之後。


事實上,NB-IoT/LTE-M技術具廣覆蓋、低成本、低功耗之優勢,LPWA可應用於智慧三錶、智慧城市、智慧建築及資產追蹤等物聯網創新領域。LPWA佈署可於既有的LTE電信網路架構進行升級使用,建置容易且提供具可靠性的服務品質。智慧水錶及智慧電錶便是運用NB-IoT/LTE-M技術的最佳範例,水、電錶通常安裝於下水道等隱蔽處,傳統無線網路難以覆蓋之區域,NB-IoT/LTE-M技術即可改善這些狀況。


此外,NB-IoT的SoC單晶片也將成為新趨勢。包括 IoT的SoC單晶片與系統級封裝SiP,其中MCU與解調器/基頻晶片的整合,將成為物聯網發展的下一波浪潮,它將改變物聯網的動態模組市場。這主要是由高通、華為、GCT、聯發科、Sequans、Nordic、Altair等半導體廠商所共同推動的。而這些廠商,都正在積極尋求將NB-IoT單晶片推向市場的價格甜蜜點。


就現階段觀察,業界正朝著智能化模組發展,全時安全的雲端連結,並利用雲端運算的資源。但是,接下來將看到越來越多採用模組化的方式來執行智能化邊際運算的案例,或利用AI來驅動邊際運算的功能。這種邊際運算由頂級雲端運算廠商所推動,例如Google、微軟、亞馬遜、FogHorn等,以及包括與ST、NXP、Qualcomm、Silicon-labs、USI等多家半導體和模組供應商密切合作的公司。


根據研究機構Counterpoint指出,到2019年底,全球物聯網裝置連結數量將達到達到16億。在2018年,我們已經可以看到部分採用LTE-M或NB-IoT的LPWA應用部署,這通常取決於地理位置和各運營商的LPWA網路策略。在接下來的時間裡,這樣的趨勢將會加速,因為最初部署LTE-M的一些運營商,現在正在將NB-IoT導入到其物聯網發展策略的藍圖中。例如中國將繼續引領全球物聯網的蜂巢式網路連接,Vodafone將成為中國境外最大的運營商,而AT&T將繼續領導美國的物聯網網路連接。但事實上,連接只佔物聯網價值鏈收入的12%,且包括傳統連網和LPWA技術的每用戶平均收入也正不斷下降。



圖四 : 應用NB IoT技術可為智慧城市照明帶來全新商機。
圖四 : 應用NB IoT技術可為智慧城市照明帶來全新商機。

許多新興國家都正在開始採用行動LPWA物聯網方案。像印度、巴西和非洲這樣的新興市場可以為物聯網的應用提供巨大的規模,但與中國相比,這些區域在連接一切的道路上,進度可能依然落後其他地區。儘管如此,新興市場卻依然為物聯網提供了龐大的成長機會,在印度,就有類似Jio這樣的運營商正大力推動物聯網,其他包括Telefonica、MTN或Vodafone等廠商也都是積極的市場參與者,並計劃利用NB-IoT來大規模部署LPWAN網路在其應用市場中。在2019年,儘管還無法全面性部署,但也將成為未來大規模應用的墊腳石。


2020年NB-IoT的物聯網商機

NB-IoT的優勢包括覆蓋範圍廣、功耗低(約5~10年無需更換電池)、成本低,並且能夠使用現有的2G/3G/LTE蜂巢式網路基礎設施來連接大量的設備。目前NB-IoT已被Vodafone、中國移動、中國電信和中國聯通等一線電信運營商採用。此外,包括華為、高通、英特爾和Sanechips等上游IC製造商,也都已經開始提供NB-IoT晶片和模組等解決方案。


作為最近的標準化技術,NB-IoT也正面臨現有的Sigfox和LoRa等技術的價格競爭壓力。然而,NB-IoT供應鏈對晶片、模組、終端裝置、運營商和應用市場的集中度較高,並還有許多通信產業的廠商支持。包括許多知名的電信運營商、設備製造商和關注低功耗網路應用的公司都採用了這種新技術。此外,許多研究和分析也都預測NB-IoT具有良好的未來前景,因為它相對具有更大應用優勢。


儘管具有優勢,然而NB-IoT現階段必須致力於降低晶片與模組的成本,來帶動更大的市場需求,否則NB-IoT將難以與其他更具價格競爭力的LPWAN技術解決方案競爭。此外,NB-IoT還必須在網路利用率和優化等方面,提高部署的時間效率與成本。就目前的觀察來看,85%的蜂巢式基地台只需要升級其軟件就可以支援NB-IoT的操作,而其餘的則將需要硬體方面的升級來滿足NB-IoT需求,這將會需要營運商增加基礎設施的投資成本。


結語

儘管網路部署存在各種挑戰,特別是對於影響網路覆蓋和信號傳輸的複雜和惡劣環境中的設施,需要各種最佳化工具來提高信號品質。但是,這些前期投資將可為物聯網市場帶來巨大的市場商機。實際上,預計到2020年,全球M2M設備的數量將可望達到70億個。



圖五 : NB IoT非常試用於智慧化的農業監測。
圖五 : NB IoT非常試用於智慧化的農業監測。

展望未來,NB-IoT的應用情境將可以涵蓋許多不同的應用領域,包括智能電錶/水錶、智能街道照明、智能交通、智能環境監控、智能鎖、智能燈、智能插座、工業自動化控制、農業監測、安全監測,以及智慧零售與智能醫院等。儘管如此,NB-IoT進入這些領域仍存在著挑戰,也就是說,加速建立工業夥伴關係的生態系統來為NB-IoT建立商業模式仍具有一定程度的挑戰性。此外,在此過程中,還需要進行大量的協作才能解決互操作性、兼容性和一致性等問題。


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