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日本電信業提供LPWA物聯網通訊服務
面對低耗電趨勢

【作者: 盧傑瑞】   2018年10月08日 星期一

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以現今環境來看,通訊成本不斷的降低,但相對的,人力成本卻是每一年持續增高,這時能夠低成本化的只有透過遠端的作業,來對數量龐大的設備進行控制管理。


透過這樣的技術基礎,將通訊服務延伸到讓相異遠端兩地的產業用設備,得以展開資料傳輸和通訊能力,進而獲得有效的管理控制,以及資料分析;而這樣的觀念被稱為「IoT通訊的技術服務」。


不過,針對利用IoT通訊的技術服務,高速和大容量並非絕對必要,而是要能夠滿足眾多設備或元件之間的各種需求,對於這樣的需求技術,則被稱之為「低功率廣域網路(Low Power Wide Area;LPWA)」,透過降低電力消耗的機制,在3GPP Release 13的LTE標準技術基礎下,來實現長距離且長時間的通訊技術,並且可以套用在現有4G LTE的網路架構,降低對電力的依賴,甚至於僅靠電池就有可能可以驅動,而受到全球所注目。


各家電信業者獨自LPWA的規格與行動電話網路的Cellular-LPWA不太一樣,日本電信業者紛紛預訂從2018年開始就正式對外提供獨自特定的LPWA服務(圖1),同時,行動電話網路的Cellular-LPWA透過已經覆蓋日本全國的4G通訊網路,已經在2018年1月開始提供LTE版本的LPWA服務。這樣的服務提供將會更進一步的刺激企業的採用與IoT應用的展開。



圖1 : 日本電信業者從2018年開始正式提供具有LPWA能力的IoT服務(source:Biglobe NEWS)
圖1 : 日本電信業者從2018年開始正式提供具有LPWA能力的IoT服務(source:Biglobe NEWS)

所謂的獨自LPWA規格指的是從2012年就開始的Sigfox及LoRa,並且在2015年開始在歐洲行動通訊的資料傳輸市場展開攻勢,而所面對的競爭對手則是3GPP,因此和4G相關標準化的討論也隨之而起。以瑞典的易利信(ERICSSON)和芬蘭的諾基亞(NOKIA)為中心,應用4G的LPWA也就隨之開始熱烈討論。


DOCOMO估算LPWA市場規模將3年後達到2025萬台以上

目前在日本,已經有包括KDDI、DOCOMO、軟體銀行等3家日本的通訊服務公司正式導入,甚至KDDI更把月租費下殺到40日圓。


從過去開始,遠端管理控制便已經被廣泛應用,例如在日本的遠端自動販賣機監管、倉庫的庫存管理、農業和漁業的種植及養殖成長狀況、公共汽車的定位資訊控制…等,這些在導入IoT技術服務之後,便直接成為「低功率廣域網路(LPWA)」的應用。


根據日本NTT DOCOMO的估算,LPWA的市場規模在2020年將由目前的210萬成長10倍,使用的線路終端將達到2025萬台以上。


就目前LPWA的低耗電技術來看,可以區分成兩大領域,一個是在目前的LTE通訊技術下進行提升,被稱為Cellular-IoT,另外一個則是利用了無需許可執照的頻率(Unlicensed Band)。以日本NTT DOCOMO所導入的LPWA低耗電技術便是屬於包含Cellular-IoT這一個領域的「LTE Category-1」,而這樣的低耗電IoT服務,日本NTT DOCOMO稱之為LoRaWAN解決方案。未來將會再進行「LTE Category-0(LTE-M)」以及「NB-IoT」等技術提供更多的服務。而對於後者的無需許可執照頻率(Unlicensed Band)方面,日本NTT DOCOMO也已經在LoRaWAN Solution服務上進行相關的驗證作業。


DOCOMO導入Cellular-IoT,待機狀況下可節省90%的電力消耗

自從LTE技術發表之後,將行動通訊帶向新一個世代的高速和大傳輸量,從最早LTE的標準規格來看,LTE的一個優勢性是可以直接應用在現有的終端與基地台。


在Cellular-IoT架構下,「LTE Category-1」的最大通訊速率可以達到10Mbps,因此不僅僅可以應用在工業通訊,甚至於消費性產品的「Apple Watch Series 3」也已經採用這個架構。


目前還無法立即判斷LTE Category-1對於「Apple Watch Series 3」來說,究竟能多省電,但是,如果說Apple Watch是為了省電而不使用行動通訊網路,而是透過LTE Category-1加入4G功能的話,那麼網路對Apple Watch的影響,就不僅僅是從沒有網路變成有網路,往遠一點的來看,或許就能擺脫對於iPHONE的依賴。但另一方面,隨之出現的又是無止境的增加續航力這些循環性問題。


在一般的狀況下,LTE的終端單元會定時地和基地台進行通訊,來確認基地台是否有接收到從網路的另一端所傳送進來的新訊息。以目前日本NTT DOCOMO的LTE設備狀態,這樣的通訊工作每1.28秒就會被進行一次。如果IoT所被應用的狀態是在一天只需要送出一次訊息的設備,或者一個月只需要送出一次資料的自來水表之類時,日本NTT DOCOMO就透過導入「延伸性非連續接收模式(Extended Discontinuous Reception;eDRX)」技術(圖2),來讓大幅度降低電力的消耗。例如,如果通訊間隔能夠從原本的1.28秒/次,延長到81.92秒/次,那麼電力的消耗就可以降低80%。



圖2 : NTT DOCOMO 從2018年開始提供低耗電IoT服務 (source:NTT DOCOMO)
圖2 : NTT DOCOMO 從2018年開始提供低耗電IoT服務 (source:NTT DOCOMO)

所謂eDRX指的是非連續接收,是3GPP R13引入的新技術。R13之前已經有DRX技術,從字面上即可看出,eDRX是對原DRX技術的增強,使得用戶設備的睡眠週期,也就是eDRX Cycle,最長可達10,485.76秒(約175分鐘);而在進入長期睡眠前的一段時間為Paging Time Window(PTW),這段期間內用戶設備同樣執行現有的DRX,以接收來自MME的Paging訊息。


eDRX支援的Paging Cycle可以更長,從而達到省電目的。eDRX的Paging Cycle由網路側在ATTACH和TAU消息中指定(UE可以指定建議值),可為20s,40s,80s,…最大可達40分鐘。相比以往1.28s/2.56s等DRX的Paging Cycle配置,eDRX耗電量顯然低很多。


對於新省電技術的採用,在2017年,NTT DOCOMO也相應的提供具有IoT能力的新一代SIM卡「DOCOMO UIM(M2M)Ver.6」。舊版本的SIM卡在IoT的應用上對於硬體設備有諸多的限制,以及必須經常性的提供電力。新一代SIM卡中由於包含了eDRX技術,因此在電力需求上可以達到大幅的降低。例如,在使用新一代SIM卡時,可以將通訊間隔的時間設定在81.92秒/次,這時,待機時的電力消耗就有機會可以大幅降低到90%。透過技術不斷的提升,相信在未來只需要幾顆乾電池,就可以透過IoT模組進行長達10年的通訊能力。


圖3 : NTT DOCOMO開始提供具有IoT能力的新一代SIM卡「DOCOMO UIM(M2M)Ver.6  (source:NTT DOCOMO)
圖3 : NTT DOCOMO開始提供具有IoT能力的新一代SIM卡「DOCOMO UIM(M2M)Ver.6 (source:NTT DOCOMO)

僅花費40日圓就能夠使用KDDI的IoT通訊線路

從2001年起,KDDI就開始提供IoT服務,因此KDDI已經具有超過17年的各種經驗,並且有能力在一個處理中心就能夠面對,以及服務來自各地用戶的問題與意見,並且也獲得了相當多來自用戶寶貴的建議。


目前KDDI的IoT通訊驗證工作已經在沖繩的那霸市及福島縣展開進行,透過IoT的機制,包括電力和自來水的智慧電表、具有GPS能力的貨物追跡、災害管理等,都已經被納入服務範圍之內。


對於LPWA低耗電技術中的「LTE Category-0(LTE-M)」及「NB-IoT」技術方式,這次KDDI所選擇的也是LTE-M。LTE-M的技術下,對於電力的節省有eDRX和PSM這兩種技術可以採用。在面覆蓋(Area Coverage)的定義下、即使範圍內的訊號相當微弱,仍舊可以透過重複傳送相同的資料訊號,來提高訊號接收的正確率,在無障礙物的情況下,傳送能力更可以擴大到5公里以上(圖4、圖5)。



圖4 : KDDI利用垃圾桶來裝置LPWA IoT設備 (source:KDDI)
圖4 : KDDI利用垃圾桶來裝置LPWA IoT設備 (source:KDDI)

圖5 : KDDI的IoT通訊驗證工作已經在沖繩的那霸市展開 (source:KDDI)
圖5 : KDDI的IoT通訊驗證工作已經在沖繩的那霸市展開 (source:KDDI)

KDDI的「KDDI IoT Connect LPWA」服務,提出3種不同速率的費率,分為「LPWA10(10KB)」、「LPWA100(100KB)」和「LPWA500(500KB)」。最便宜時,僅花費40日圓就可以使用IoT通訊線路。


NTT DOCOMO針對IoT服務則是推出綁約2年的2種方案,「IoT方案」有提供400日圓和1200日圓兩種不同的月費,一般情況下通訊速率不超過128kbps,而通訊速度更高的「IoT方案HS」每個月可以達到3GB,月費則是600日圓和2900日圓。


KDDI利用LPWA能力所提供各式各樣管理功能

針對低耗電通訊的要求,KDDI開發了相對應支援LPWA的LTE-M硬體模組,由於不必追求外型的設計,只要能夠滿足小型通訊設備也可以使用的考量下,所開發的模組面積大約是日幣的1圓硬幣大小。並且增加了LPWA能力之後,就可以將電池的使用狀況與續航能力等等,利用訊號發送的方式提供給元件端(圖六)。


在這個小體積的架構下,KDDI宣稱只要利用2顆3號電池的電力,就可以提供這個LTE-M硬體模組10年之間運作所需要的電力。更進一步的,對於SIM的管理,KDDI也提供了線上即時開通SIM、網路VPN及密碼安全性的功能等。



圖6 : KDDI將LPWA模組面積縮小成日幣的1圓硬幣大小(source:KDDI)
圖6 : KDDI將LPWA模組面積縮小成日幣的1圓硬幣大小(source:KDDI)

KDDI所提供的各式各樣管理功能,包括:


1.網路連線狀態、SESSION狀態、訊號有效範圍確認、電源關閉等等種和判斷的SIM狀態管理。


2.電池續航力、訊號接受狀態的可視化及警告通知等的元件單元管理。


3.省電模式設定變更等的客戶端控制,以及參數變更等的遠端設定功能。


4.為了能達到長時間的運作高信賴度,提供韌體自動更新或自行更新選擇功能。


目前日立系統已經開始採用KDDI的這項IoT通訊服務,成功地將這項服務導入現有的系統之中,並且在人孔蓋裡設置了元件,來進行犯罪、安全監控、水質水量狀態、有毒氣體監測等的監控作業。


這樣一來,就可以提早對相關設備的老化、自然災害的發生提早進行應對,並且透過水道或管線內部狀態的可視化,來確保作業人員的安全性。此外,以開發河川水位監測解決方案的日油技研,利用低成本、低耗電的即時水位監測感測器來對河川進行水位監測,透過水壓的方式,目前的監視精度可以達到5公分。同樣的日油技研也是採用了KDDI的IoT解決方案,來對河川的氾濫進行早期預警,來確保河川周圍區域的安全性(圖7)。



圖7 : 日立系統將KDDI服務導入現有的系統之中,並且在人孔蓋裡設置了IoT元件。 (source:日刊工業新聞)
圖7 : 日立系統將KDDI服務導入現有的系統之中,並且在人孔蓋裡設置了IoT元件。 (source:日刊工業新聞)

對於在導入低耗電能力後的IoT解決方案,KDDI相當有信心的推廣到每個應用產業和環境,並且透過數據的獲得與再分析,來創造與產生出新的價值。例如,透過導入IoT能力的停車場管理,並不是僅僅只有了解或預測本身的客戶停車狀態,如果能夠再進一步的整合周邊資料的話,除了提高停車狀態的精確度之外,還可以衍生出相關物品或服務銷售的可能價值性。


因此,對於高度利用資料有興趣的客戶對象,KDDI將會和客戶一起進行分析,並且開發出在原先業務模式基礎下的新商業機會。


軟體銀行異軍操作採用NB-IoT

和SIGFOX、LoRaWAN不同,軟體銀行策略是採用需要頻段許可的NB-IoT。


和DOKOMO與KDDI所不同的是,軟體銀行對於低耗電目標所採用的技術是NB-IoT。軟體銀行的看法是,和LoRaWAN技術等使用ISM頻率設備所不同的是,採用需要頻段許可波段的背後意義,代表著能夠獲得相當程度的通訊品質保證,這也是採用需要頻段許可波段的優點所在。


另外,更具優勢性的是,以目前來說基於LTE技術下,一個基地台大概能夠管理1000個終端。但是面臨預測2020年時,將會有157億個IoT終端需要進行資料存取,這時相較之下,LTE就顯得相當吃力,不過,對於導入NB-IoT技術的設備來說,因為一座基地台能夠管理5萬個IoT終端,這時NB-IoT就能夠顯示出其優勢性了(圖8)。



圖8 : 在面對大量IoT終端需要管理時,NB-IoT能夠顯示出其優勢性。
圖8 : 在面對大量IoT終端需要管理時,NB-IoT能夠顯示出其優勢性。

(source:XTECH)


軟體銀行在2016年11月,取得了NB-IoT的試驗許可,這個試驗是採取開放性質的智慧型停車場管理的實驗驗證。實驗方式是使用者利用智慧型手機來查詢現階段目標區域停車場的閒置車位狀況,當使用者決定某一特定停車場中的停車位置後,即可進行預約車位,隨後再依照智慧型手機的訊息指示,將車輛停放在已經預約的停車位置。而當使用者要將車輛駛離停車場時,IoT設備的管理伺服器便會將停車費用透過智慧型手機通知使用者,來進行停車費用繳費的作業。



圖9 : 軟體銀行在2016年進行智慧型停車場管理的物聯網實驗驗證
圖9 : 軟體銀行在2016年進行智慧型停車場管理的物聯網實驗驗證

(source:XTECH)


這樣的目的是建立一個能讓使用者快速的進行停車位置查看、預約,以及無須麻煩的停車費用結算與付費多元化智慧型停車場。停車感測器與管理伺服器之間,透過NB-IoT的機制來進行訊號和資料的相互傳送,而IoT終端部分就是導入了NB-IoT,硬體的部分則是相當簡單的金屬感測器和電池,並且將具有NB-IoT模組的IoT埋入停車位的地下,透過感測器的感應變化來通知伺服器端。


**刊頭圖 (source:TI)


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yutingli43@gmail.com發言於2018.10.17 02:39:54 AM
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