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5G物聯時代將至 爆發LPWAN應用潛力
物聯應用不斷強化

【作者: 王岫晨】   2020年04月16日 星期四

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5G通訊時代的來臨,包括物聯網及行動裝置的連結都將加速成長。傳統物聯網通訊難以滿足多項需求,使得低LPWAN技術因應而生。未來發展也將結合5G與新興技術來驅動多樣化的產業應用。


近年來,物聯網產業發展速度飛快,傳統的物聯網通訊方式已經難以滿足低功耗、長距離、低成本、覆蓋廣等多項需求,這也使得低功耗廣域網路(LPWAN)技術因應而生。根據市場研究機構IHS的估算,在2018年的LPWAN連接數量大約為1億4990萬,而由於LPWAN成本的逐漸降低,加上營運商合力推動物聯網服務的刺激之下,預計到了2023年連接數可以達到17億1699萬個,從2018年到2023年的年複合成長率約可達到62.9%。



圖一 : 物聯網將以結合5G與新興技術來驅動多樣化產業應用為目標。
圖一 : 物聯網將以結合5G與新興技術來驅動多樣化產業應用為目標。

而現階段由於5G大規模連結(mMTC)的應用驅使之下,由3GPP所支持的NB-IoT、LTE-M等技術,也成為針對物聯網應用所打造的電信級網路,使用授權頻段,也對於網路傳輸品質、數據安全性等都有更高的保障,加上建置成本較為低廉,因此受到各國電信營運商所青睞。在未來,NB-IoT、LTE-M將在5G NR的頻段上共存,並在5G來臨之後扮演更重要的聯網角色。


擴大應用規模

放眼目前的NB-IoT與LTE-M產業鏈已經逐漸完備,在2019年,全球的營運商已經佈署了將近200個Mobile IOT的商用網路。Mobile IoT就是NB-IoT與LTE-M的商用網路,目前許多上游廠商紛紛推出支援GPRS、LTE-M、NB-IoT等多模與多頻的解決方案,讓終端使用者在行動性與國際漫遊等方面可以擁有更多選擇。而使用非授權頻段的LoRa、Sigfox等技術,也從區域型與高度客製化等私網領域,各自擁有不同的發展方向。


工研院產科國際所分析師陳佳滎指出,觀察現階段全球LPWAN的應用案例,初期為了迅速擴大應用規模,大部分都選擇了公用領域或產業應用來製造需求,例如智慧讀表(包括水、電、燃氣等)、智慧路燈、智慧建築、智慧監測、資產追蹤與智慧農業等應用。此外,與消費者有關的應用也逐漸浮現,例如老人、小孩與寵物的追蹤,此外還包括智慧單車、輔助生活健康照護(如長期慢性疾病監測),還有智慧家庭的白色家電等潛在的應用領域,都非常值得後續的關注。而對於LPWAN的商業模式、未來技術演變、如何與現有的網路基礎設施及環境結合、互通性測試及成本挑戰等,都是台灣廠商佈局此領域必須掌握的關鍵要素。


5G帶動重大改革

隨著5G通訊時代的來臨,包括物聯網及行動裝置的連結都將加速成長。Cisco預估,到了2022年將會有超過120億台行動裝置與物聯網裝置連結。而5G的來臨,所帶來的改變不僅在個人生活層面,也對各行各業都將帶來重大改革,尤其是各類物聯網新興應用,例如車聯網、智慧製造、遠具醫療、智慧讀表、智慧路燈與感測巨量連結等。在4G LTE技術之下,100Mb/s的傳輸速度足夠讓一般使用者上網瀏覽、收發簡訊以及觀賞FHD影片等。而在未來的5G NR技術將達到1Gb/s以上,可加速更多新興服務的發展,例如智慧工廠、遠具醫療等應用。


IDC對於全球物聯網市場規模做出了預測,預計全球物聯網市場將從2018年的6204億美金,成長到2023年的1.12兆美金,年複合成長率達到12.6%。而下階段物聯網的佈局,也會朝向將終端收集之數據轉化為企業洞察分析之用,以改善整體營運流程,並以推出新服務為重點。預計在2020年開始逐漸帶動加大物聯網平台及分析軟體等的佈局,以確保企業能有效利用在物聯網終端與基礎建設的投資。


物聯網與5G的結合

在5G的時代,物聯網的發展也將以結合5G與新興技術來驅動多樣化的產業應用實現為目標。在物聯網的發展初期,產業著重技術佈局、產業生態建構,促使新商業模式的出現,預計未來5~10年將與5G技術,以及各項數位技術的結合為發展核心,這些數位技術包括了人工智慧、邊緣運算、新興資安、高階感測器等。


在物聯網的架構中,包括了應用服務、系統平台、網路傳輸、感測物件及終端等四大架構,各架構均有其重要發展方向。應用服務主要在於挖掘物聯網巨量資料的價值,AIoT服務需求也將急遽成長,而隨著物聯網安全意識升溫,使得個人資料保護法也將越來越嚴謹;系統平台則將朝向開源發展趨勢,物聯網整合人工智慧技術,加上運算工作由雲端轉移至邊緣運算,促使AI與邊緣運算平台興起;網路傳輸方面,5G商用將促進物聯網發展,進而發展低功耗廣域網路(LPWAN),如NB-IoT、LTE-M、LoRa、Sigfox等快速發展,並支援廣泛的低功耗應用情境;至於感測物件及終端方面,高階感測器、智慧系統決策晶片(如AI on Chip)、無人載具、服務機器人、智慧音箱等都是發展重點,並提供更高的終端資安防護能力。


LPWAN技術演進

LPWAN初期為了迅速擴大應用規模,大部分都選擇了公用領域或產業應用來製造需求,例如智慧讀表、智慧路燈、智慧建築等。

在未來,NB-IoT與LTE-M將成為5G的一份子。一般來說,LPWAN可分為授權頻段(蜂巢式)與非授權頻段(非蜂巢式)兩類,授權頻段的包括NB-IoT與LTE-M,非授權頻段則包括了LoRa、Sigfox等。3GPP的R15版本支援5G NR與NB-IoT及LTE-M共存,至於R16版本正在標準化NB-IoT與LTE-M連接到5G核心網路的機制。在2019年7月,3GPP向國際電信聯盟(ITU-R)提交5G候選技術標準提案,NB-IoT與LTE-M正式納入5G候選技術,ITU-R覆核後預計在2020年6月將正式發佈。



圖二 : 智慧水錶及智慧電錶是運用NB-IoT或LTE-M技術的最佳範例。
圖二 : 智慧水錶及智慧電錶是運用NB-IoT或LTE-M技術的最佳範例。

NB-IoT與LTE-M技術上的主要差異,在於LTE-M速率快且支援語音功能,而NB-IoT則專精於高穿透力與低成本等特點。NB-IoT又稱為LTE Cat NB1,而LTE-M又稱為是eMTC或者LTE Cat M1,這兩種技術在某些程度上是可以彼此互補的,部分特性之差異則成為企業在選用上的考量點。例如LTE-M優勢在於傳輸速率較高、更低延遲、基地台切換能力強(Handover),因此非常有利於行動應用上的使用,更可以支援VoLTE的語音通訊。至於NB-IoT相對於LTE-M具備更低的模組成本、覆蓋範圍廣、較低的功耗,此外在室內及地底環境都比LTE-M具備更好的穿透能力。


結語

隨著技術不斷演進,NB-IoT與LTE-M的性能也正不斷提升,未來勢必將支援接入5G的核心網路。目前的商業應用仍以R13版本為主,並持續往R14版本前進。商轉的NB-IoT與LTE-M服務目前都以R13版本為基準,雖然R14規格已經在2017年底定,且2019年6月主要的廠商(包括高通、聯發科、海思等)已經推出支援R14的晶片,但R14版本的NB-IoT應用服務仍須通過驗證與互通性測試。


至於R14與R15版本,則強化了多項性能,未來將與5G NR共存。而3GPP的標準持續演進,NB-IoT與LTE-M的速率、基地台定位、功耗、時間延遲、等性能也會不斷提升,以滿足更多商用場景。而R16版本也將持續研究NB-IoT與LTE-M的性能強化方案,並支援接入5G的核心網路。


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