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IoT無線元件技術與市場趨勢
物聯網大未來

【作者: 季平】   2021年11月26日 星期五

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在數位化實體世界中,物聯網技術的應用相當廣泛,市場潛能與商機龐大。



麥肯錫(MGI)《物聯網:超越市場炒作價值(The Internet of Things: Mapping the Value beyond the Hype)》報告預估,2025年全球物聯網產值可望上看11.1兆美元,約佔全球經濟的11%,9個主要物聯網智慧應用場景包含工廠、都市公共健康與交通運輸、個人健康與健身、零售環境自動結帳、工作場所、物流與導航、自駕車領域、家事自動化及家庭安全,以及辦公室安全及能源。



圖一 : 2025年之前9大物聯網智慧應用場景及預估最大產值。(source:MGI  製表:季平)
圖一 : 2025年之前9大物聯網智慧應用場景及預估最大產值。(source:MGI 製表:季平)

新冠疫情加速物聯網落地

TrendForce資深分析師曾伯楷指出,新冠疫情使產業受到全面性衝擊,促使企業加速數位轉型步調,疫後新常態也會帶動遠距商機與終端產品需求。以物聯網發展來說,2021年物聯網已在數個主要領域落地成形,如個人醫療、設備資安、公共城市及商業製造等領域,其中又以城市、家庭、製造與醫療發展最積極。



圖二 : TrendForce資深分析師曾伯楷。(source:TrendForce)
圖二 : TrendForce資深分析師曾伯楷。(source:TrendForce)

智慧城市透過IoT、5G等科技整合城市基礎建設,進而賦能健康、農業、能源、建築、交通等領域,完整資產生命週期模擬和串聯互動;智慧家庭持續以家庭連網設備及平台為發展核心,發揮智慧化、生態系與便利性等效益,並以語音及邊緣AI為主要賦能技術;智慧製造藉由導入自動化、數位孿生(Digital Twin)、能源管理、預測性維護等工具,協助廠商應對多變環境與疫情所帶來的衝擊;智慧醫療著眼相關產品性能、臨床安全性與數據溯源性等面向,以越趨完善及成熟的產業環境和技術,在後疫情時代彰顯其價值,並以感測技術與AI工具為產業發展的核心主力。


物聯網通訊技術現況

物聯網的三大主要元件為感應器、數據儲存器及聯網技術。以物聯網無線通訊技術來說,大分短距離通訊及長距離通訊,前者如Zigbee、Wi-Fi、藍牙、Z-wave等通訊技術,後者如LoRa、SigFox、NB-IoT等LPWAN(Low-power Wide-Area Network)低功耗廣域網路。


LPWAN可分為兩類:一是工作於免授權頻譜的LoRa、SigFox等技術,也被稱為非蜂巢式LPWAN,二是工作於授權頻譜下,3GPP(3rd Generation Partnership Project,第三代合作計劃)所支援的2G/3G/4G蜂巢式通訊技術,如EC-GSM、LTE Cat-M1、NB-IoT等,也被稱為蜂巢式LPWAN。不同無線技術對物聯網要求的組網、功耗、通訊距離與安全性各異,因此適用於不同應用場景。


4種常見短距離通訊技術

短距無線通訊技術中,藍牙、Wi-Fi、ZigBee應用最廣泛。Wi-Fi是無線網路的基礎,網路結構簡單,適用於大量資料傳輸,如影音或AR/VR,缺點是耗電量大,傳輸範圍小,因此Wi-Fi聯盟為更遠距的無線應用開發IEEE 802.11ah標準,也稱為Wi-Fi HaLow,使用免授權的900MHz頻段傳輸,與LoRa、Sigfox都被歸類為低功耗廣域網路 (LPWAN)技術。


藍牙可用於手機、PDA等行動或穿戴式裝置,以及無線外圍設備如藍牙耳機、藍牙鍵盤等,聲音應用較成熟,採用調頻技術,通信頻段為2.402GHz-2.480GHz,緊跟物聯網發展,藍牙4.2隱私功能更強大,傳輸速度更快,智慧家庭領域採用Bluetooth Smart技術的藍牙設備彼此之間可以不通過網路互聯溝通,即便突然斷網沒有Wi-Fi,智慧家庭中的各項設備仍可以繼續工作,2016年已推出5.0版,有效範圍最遠達300公尺,與藍牙4.2的1.5MB/s傳輸速度相比,最快能達到2Mbps。


ZigBee和Z-Wave多應用在自動控制領域,其中,ZigBee被標準化為IEEE 802.15.4,有868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2.4GHz-2.4835GHz等三頻段,第三個頻段為免付費、免申請的世界通用無線電頻段。Z-Wave採無線網狀網路技術,任何節點都能直接或間接地和通信範圍內的其他臨近節點相互通訊,美國工作頻率為908.42MHz、歐洲為868.42MHz。Z-Wave傳輸距離遠,可靠性高,但目前較專注於智慧家庭領域的發展,市占率不如ZigBee,歐美國家使用率較高。


3種常見長距離通訊技術

若將傳統行動通訊技術(2G/3G/4G)運用於物聯網,存在功耗大、成本高等缺點,因此,低功耗廣域網路(LPWAN)技術逐漸受到重視。IHS Markit報告指出,NB-IoT及LoRa是LPWAN中市占最高的物聯網傳輸技術,預估2023年將有17億台裝置使用LPWAN。


NB-IoT是由3GPP所支持,具備多連接、低功耗、低成本及廣覆蓋等優勢,使用授權頻段(Licensed Band),因此在網路傳輸品質、數據安全方面都具有保障,加上可直接利用現有LTE站台為基礎,透過In-band方式升級為NB-IoT網路,因此深受Vodafone、Deutsche Telekom、中國移動、中國聯通等電信商青睞,逐漸成為LPWAN主流技術,物來也將大量運用於5G場景,IHS預估NB-IoT 於2023年連接數將成長至7億3,980萬,2018至2023年複合成長率達93.3%。



圖三 : 2018-2023年NB-IoT連接數。(source:IHS  製表:季平)
圖三 : 2018-2023年NB-IoT連接數。(source:IHS 製表:季平)

使用非授權頻段的LPWAN技術包括Sigfox、LoRa等,進入門檻低、搭建容易。LoRa與Sigfox都具有長距離、低功耗特點,可延長電池壽命,有利大範圍訊息傳輸,由於兩者都使用免授權Sub-1GHz ISM頻段,不需額外支付授權費,所以商業化速度較快。Sigfox是由法國同名公司自行開發,已在全球網路基地部署,能同時在36個國家使用可連結網域及設備。


LoRa傳輸距離最遠可達20公里,在同樣功耗下比傳統無線射頻通訊距離擴大約3-5倍,掌握技術就能自行架設基站,彈性更大,終端使用電池或其他能量收集方式供電,電池壽命可達3-10年。由於LoRa訊號對建物的穿透力強,在高速移動時通訊比NB-IoT更穩定,適用場景包含智慧農業中的低功耗、低成本感測器,或者可運用於工業自動化中的電池設備追蹤監控、物流系統的追蹤定位等。不過,LoRa和Sigfox的每日傳輸次數有限制,所以比較適合使用在無即時通訊需求的領域。



圖四 : 常見物聯網通訊技術適用場景及優缺點
圖四 : 常見物聯網通訊技術適用場景及優缺點

物聯網通訊技術發展趨勢

TrendForce資深分析師曾伯楷指出,傳統物聯網多以感知層、網路層、系統層與應用層作為架構堆疊,受物聯網設備連線技術與標準各異的影響,通訊技術成為物聯網架構中相當重要的一環,從蜂巢式的4G、5G、LTE-M、NB-IoT,到非蜂巢式的LoRa、Sigfox、Wi-Fi、Wi-SUN等,從智慧城市、工廠、家庭乃至零售店面皆被廣泛運用,範圍也從地表拉升至太空,近期衛星通訊也漸成物聯網重要的通訊技術之一。


短距離通訊及長距離通訊各有優劣勢。常見的長距通訊多為低功耗廣域網路技術(LPWAN),藉低成本、遠距離、低功耗等通訊特性,在物聯網諸多應用場景中成為最適切的通訊技術之一。短距離通訊則以智慧家庭或封閉場域的連線為主,包括行之有年的Wi-Fi、藍牙等,成本、功耗較高,傳輸速度快而且流量大。


基本上,長、短距通訊因場景與需求較為分明,所以採用選擇較為明確,主要挑戰在於各技術皆能重疊應用的垂直領域,有諸多層面會影響廠商抉擇,「成本是最直接的考量因素,或者是來自於晶片商與標準制定話語權的角力,進一步延伸為聯盟、生態圈等如何壯大,以吸引更多軟硬體開發商採用。」


新議題及業內動態

曾伯楷觀察近期市場較為關注的物聯網議題,短距通訊以Wi-Fi 6、低功耗藍牙、UWB等技術為主,其中,Wi-Fi聯盟於2021年發布Wi-Fi 6E認證計畫,相較現行Wi-Fi 6優勢在於支援6GHz,擴增至少1,200MHz頻寬。高階Wi-Fi 6E產品須符合OFDMA、TWT、MU-MIMO等八大特性,也須要符合WFA才能獲得認證。另一方面,近期有不少廠商想將IEEE 802.11ax用於IoT,主要相中TWT能力,而且僅需2.4GHz頻段與20MHz Channel Bandwidth,由此推估,IEEE 802.11ax技術未來有望用於IoT。


至於在藍牙方面,推估2021-2025年低功耗藍牙設備出貨量將成長3倍,曾伯楷相當看好資產追蹤與智慧照明領域的發展。另一個觀察指標是,伴隨全球對健康議題的關注提升,使穿戴設備需求增長,而且全球都在關注安全復工解決方案,因此,藍牙技術聯盟預計大幅增加對藍牙RTLS的佈署。


至於藍牙智慧家庭的發展也相當好,如阿里巴巴、小米均以藍牙為智慧家庭布局,關注智慧家電、智慧照明兩大領域,主要著眼於可藉Mesh互聯照明降低逾70%的能源成本。


長距通訊(LPWAN)發展方面,曾伯楷認為,LPWAN具有低成本、遠距離、低功耗等通訊特性,即便流量小且延遲較長,在物聯網諸多應用場景中仍是最適切的通訊技術之一,諸多物聯網設備大宗多是以此技術為主流,綜合考量政策力道、聯盟與生態圈、部署區域、連結數與產業應用等要素,現行市場頗有公領域重NB-IoT、私領域以LoRa為首選、重疊領域則兩者可併行的氛圍。


至於在物聯網垂直應用領域上,資產追蹤與供應鏈管理解決方案是持續快速成長的市場,2021年NB-IoT新增支援國家與地區以歐陸為主,主要瞄準跨境商機和漫遊應用,德國電信也擴大將NB-IoT漫遊服務擴及到20個國家,各家業者著眼的應用範疇包括物流追蹤、海運監控等,或者是由製造商根據需求直接為設備嵌入跨國網路切換與連接功能。


與此同時,LoRa聯盟同樣在2021年初積極強化技術與營運商的國際漫遊可行性與參與度,包括發起Connect EU計畫支持並鼓勵LoRa聯盟成員間的合作,更新技術規範以簡化漫遊對接等,目前全球已有27個國家可直接連結或透過Lacuna Space的衛星使用LoRa漫遊功能,同時聚焦於支援跨國客戶的移動,以及固定資產在物流和追蹤方面的應用,實現資產全球追蹤或內陸最後一哩路的配送。


結語

即將邁入5G,通訊技術需求朝更大頻寬、更高速率、更低延遲發展,由於資料傳輸較為密集、交換量更大,當然更耗電,因此LPWAN小資料量、長距離傳輸及省電特性,近年來在物聯網應用領域中確實進展快速,但是任何物聯網無線元件技術都有優缺點及適合的應用場景,如智慧家庭閘道器多會容納1-3種通訊技術(如Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee等)。


不論短距離或長距離無線通訊技術未來都可以獨立、互補或共存,視終端需求挑選最適合的技術,唯有選擇適合的軟體服務,才能掌握物聯網龐大的應用商機。


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