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LPWAN技术前景看好? 厂商怎麽看
 

【作者: 葉奕緯、王明德】2018年06月11日 星期一

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根据Gantner报告预测,2020年全球IoT装置将达250亿个,思科预测的数字为500亿个,而近年来LPWAN的技术已逐渐成熟,各家无线通讯晶片也蓄势待发,有推出NB-IoT或CatM1单模产品,也有以双模为主,并搭载GPS模组的产品供客户选择,然而在电信商升级基地台前,有几项因素必须谨慎考虑。


首先以智慧城市作为案例,将来极有可能会在市、郊区布建上万颗透过LPWAN无线通讯技术连网的感测器,因为少了电线充电,因此在电池技术尚未取得突破之前,必须至少每三年手动更换一次电池,因此会造成後续维护上的麻烦。


延续上述案例,当三年维护期到後,维修人员到了当初套装软体写入的座标进行电池更换时,竟发现当初安装的感测器已经消失了,原来是因为工程问题,被人员不慎移动到其他位置,而无法寻回。因此,还得加装GPS才能防止此类问题发生。


最後,还有可能发生各厂牌的电池规格不一,让後续维护人员作业困难的问题。


上述皆是使用者须考量的维护问题,另外以系统整合商的角度看来,所考量的重点则在於:授权或非授权、特殊或标准化技术、产业链与导入成本等。与技术有关的项目还包括:频宽、涵盖范围、节点容量、耗电量、安全性、移动支援性、定位功能等,这些都属於使用无线通讯模组的考量重点。


台湾市场现况

至今为止,无线通讯已经累积有近20年的发展,直至目前已有许多应用技术被提出,例如授权频段NB-IoT(NarrowBand-IoT),以及采用非授权频段的LoRaWAN、Sigfox、Weightless、HaLow、RPMA(Random Phase Multiple Access)等。使用授权频段技术为3GPP所主导的NB-IoT,使用现成3G/4G网路,各国的电信商也相继投入,如美国的AT&T、中国的华为,而使用非授权频段技术的公司,则多半不属於电信领域的ICT厂商。


而台湾电信公司则有各自的打算,远传是NB-IoT与LoRa并行,中华电信偏重NB-IoT,台湾大偏重NB-IoT、并正评估LoRa中,亚太电信偏重LoRa,台湾之星则重压NB-IoT,不做LoRa。


新汉(NEXCOM)??总经理李立伟表示,虽然NB-IoT、CatM1等是近年才出现的技术,但明显可以看出被各大电信商所看好并预备采用。


LPWAN的优势

无线传输最直接的好处,就是免於布线的麻烦,目前也分成两种型态,一种是主动推播资料给使用者,例如Beacon以及RFID,它们多半用在智慧仓储和零售上,而在工业环境上,则多半与感测器结合,因此需要符合广域传输的特性,随时主动更新资料,如NB-IoT、LoRa等。



图1 : LPWAN具备低功耗广域的通讯传输特性。(source:MDPI)
图1 : LPWAN具备低功耗广域的通讯传输特性。(source:MDPI)

图2 : 以闸道器作作为主要的通讯传输的解决方案。(source:NEXCOM)
图2 : 以闸道器作作为主要的通讯传输的解决方案。(source:NEXCOM)

授权频段NB-IoT的优点就是建置容易,因为其仍使用4G频段,因此只需要在既有的基地台上就能进行升级使用,相当节省成本,也拥有一定的安全性保证。


当前基地台覆盖范围约20公里,NB-IoT适合於定点的应用,可在基地台覆盖范围内维持资料传输的稳定度,而且它可以穿透地面进行讯号传输,非常适合用於智慧三表相关的资料收集用途。而针对高速移动的应用,则适合使用LTECatM1的网路,它具备跨基站台不断线的机制,可让装置在移动时仍保持持续的传送资料。


此外,只有NB-IoT不须透过有线网路及闸道器,才能将资料上传至云端分析,而是让装置直接具备连线至云端的能力,而Sigfox以及LoRa都仍需要闸道器才能将资料上传到网路,因此u-blox也特别看好NB-IoT的发展前景。



图3 : u-blox推出ZED-F9P多频GNSS模组,整合RTK技术,适用於高精准度无人机、机器控制。(source:u-blox)
图3 : u-blox推出ZED-F9P多频GNSS模组,整合RTK技术,适用於高精准度无人机、机器控制。(source:u-blox)

应用落地方案

在未来的使用情境上,LPWAN的技术除了应用於工业感测器上,同时也会用於智慧城市的布建中,尤其是城市以外不容易布置、并且缺乏有线传输的地方。LPWAN技术适合用於突发的应用场域,因此会加装於户外,如空气品质侦测器、水质监控,甚至是有毒气体泄漏地点等,达成快速布建的目标。


李立伟以新汉未来的规划举例:「以通讯技术为考量来说,主要的应用情境区分为两种,一种是定点式的工业用,第二种是户外型如智慧城市中的感测器。定点式的话,因为不需要额外的定位功能,因此我们会采用单模的NB-IoT技术,但若是户外型的话,我们就是提供双模NB-IoT与CatM1结合的技术,实现定位功能。」


新汉也碰到客户疑问,在工厂内有必要采用无线通讯技术吗?李立伟认为,若是在固定场域内,仍可以将众多感测器集合在一组闸道器中,当数量达到一定程度,其成本也不会比无线通讯方案高太多,也能省下维护费用。


而以使用者的观点来看,购买LPWAN感测器所担心的地方在於可选择的厂家不多,议价空间低,另一方面则是怕停产问题,担心未来卖家中断供货,因此以目前看来,使用者仍倾向於购买便宜的感测器,加装在闸道器上够用就好,新汉同时提供闸道器及LPWAN两种选择,闸道器方面,将提供NB-IoT无线通讯技术。


此外,半导体厂的客户因为其特殊限制,所以在无线通讯的频率上,有一定要求,因为大半的LPWAN技术无法应用於半导体场域,例如频率超过2.4GHz的Zigbee、LoRa、Wi-Fi等,所以新汉采用的是蓝牙低功耗(BluetoothLowEnergy,BLE)技术,藉此满足此类客户的需求,虽然BLE仍有无法跨基地台传输的问题,但因为仅应用於工厂内部,并不影响实际应用。


应用多元 LPWAN走向双模设计

物联网对於低功耗的需求向来旺盛,由於物联网产品传输的资料量无须大量,但须能定时传递,所以低耗能相当重要,因而促使低功耗广域网路技术(LPWAN)的诞生,有趣的是,一般人提到诸如NB-IoT、LoRa与Sigfox等LPWAN技术,皆会直觉认定它们只存在着竞争关系;对此意法半导体产品行销经理杨正廉表示,现在已有厂商采取「双模式」做法。


杨正廉以LoRa与Sigfox为例指出,这两大技术的应用领域重叠性相当高,也一直是被相关厂商作为相互比较的技术,事实上,LoRaWAN的传输距离远不及Sigfox,不过讯号也可传输数公里;且因LoRa技术具有开放性,意味着对该技术有兴趣的公司皆可布署/营运,因此LoRa在面对跨国传输时,将会产生漫游费用等问题,话虽如此,杨正廉认为,在某一特定范围内/封闭型地区的应用,LoRa将较Sigfox更具有成本优势。



图4 : 意法半导体产品行销经理杨正廉认为双模组将会是未来趋势。(摄影/王明德)
图4 : 意法半导体产品行销经理杨正廉认为双模组将会是未来趋势。(摄影/王明德)

举例来说,在农场的应用情境中,倘若农场主人欲於每一头牛只上加挂感测器以便追踪;若是采用LoRa技术,使用者只须花费LoRa感测器模组、闸道器、Wi-Fi,以及云端的建置成本即可做好牛只的管理。且LoRa也可透过现有传统LTE网路,将资讯传送至云端,再透过更大范围的NB-IoT网路或者现有的4G LTE网路传送到开放的云端或私有云,整合多个厂区的数据进行汇整分析,就会是智慧制造非常有用的资讯。


但在此一类型的应用情境中采用Sigfox技术,每一头牛即视为单一节点;而Sigfox的特性即是每一节点,每一年皆须向Sigfox公司缴交年费(每一节点的费用将坐落在1~12元美金不等),就以封闭型的应用区域而言,LoRa将更具有成本优势。


研华的M2.COM解决方案

另一方面,研华则是推出以LoRaWAN为主的解决方案,LoRaWAN具有长距离、低功耗的特点,专为采用无线方式、由电池供电设备组建的智慧城市应用而打造,有利於保障双向通讯、移动性和当地化服务,满足包括环境监控、街道照明、停管系统、智慧建筑、智能表头及车队管理等全方位应用需求。


研华提供完整的LoRa解决方案,如WISE-DK1510LoRa感测器节点开发套件、WISE-3610LoRa闸道器等,是基於M2.COM标准规格并内建Armmbed作业系统,提供开发者丰富的SDK工具与标准程式库,还有研华WISE-Link无线解决方案,可支援LPWAN开发人员在物联网设备和云端安全开发私有网路。



图5 : WISE-1510是一款整合了Arm Cortex-M4处理器和LoRa / LoRaWAN连接的无线模组。(source:研华)
图5 : WISE-1510是一款整合了Arm Cortex-M4处理器和LoRa / LoRaWAN连接的无线模组。(source:研华)

另外研华也推出一套弹性化模组M2.COM,透过共同规格的电路板与外接连接埠,模组上的晶片可以换用NB-IoT、LoRa或Sigfox。方便产品开发商进行导入,为工业物联网统一标准之硬体与软体规格开发平台。



图6 : M2.COM为工业物联网统一标准之硬体与软体规格开发平台。(source:研华)
图6 : M2.COM为工业物联网统一标准之硬体与软体规格开发平台。(source:研华)

其模组对外联系介面,来自於M.2标准介面,搭载感测器介面、运算微处理器以及无线传输技术。经由USB、PWM、SDIO、I2C、I2S、UART、GPIO、SPI和ADC等介面可连接IoT感测器和控制端设备进行资料获取和设备控制。


系统商面临的挑战

以目前看来,LPWAN距离真正落地发酵仍有一段时间,因为仍有电池(接头)规格统一、後续更换电池的维护以及户外电池的过热问题需要解决,除非能与现正火热的非接触式无线充电做结合,才有机会克服困难。


然而在技术方面,目前尚未碰到瓶颈,因此已有许多种类的感测器开始进行实测,远传电信也成为首位拿到NB-IoT执照的电信商,中华电信则紧追在後,并也准备递交Cat M1的解决方案。


当前绝大多数的使用者,仍是使用有线匣道器的方式进行通讯传输,过去曾有过WiMax事件的惨痛经验,因此在决定使用何种LPWAN时,台湾产业链的各个业者无不小心翼翼,跟着国外脚步而动,而非像过去一头热栽进WiMax的大坑中。


**刊头图:LPWAN将协助实现万物联网。(source:IntelligentHQ)


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