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5G物联时代将至 爆发LPWAN应用潜力
物联应用不断强化

【作者: 王岫晨】2020年04月16日 星期四

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5G通讯时代的来临,包括物联网及行动装置的连结都将加速成长。传统物联网通讯难以满足多项需求,使得低LPWAN技术因应而生。未来发展也将结合5G与新兴技术来驱动多样化的产业应用。


近年来,物联网产业发展速度飞快,传统的物联网通讯方式已经难以满足低功耗、长距离、低成本、覆盖广等多项需求,这也使得低功耗广域网路(LPWAN)技术因应而生。根据市场研究机构IHS的估算,在2018年的LPWAN连接数量大约为1亿4990万,而由於LPWAN成本的逐渐降低,加上营运商合力推动物联网服务的刺激之下,预计到了2023年连接数可以达到17亿1699万个,从2018年到2023年的年复合成长率约可达到62.9%。



图一 : 物联网将以结合5G与新兴技术来驱动多样化产业应用为目标。
图一 : 物联网将以结合5G与新兴技术来驱动多样化产业应用为目标。

而现阶段由於5G大规模连结(mMTC)的应用驱使之下,由3GPP所支持的NB-IoT、LTE-M等技术,也成为针对物联网应用所打造的电信级网路,使用授权频段,也对於网路传输品质、数据安全性等都有更高的保障,加上建置成本较为低廉,因此受到各国电信营运商所青睐。在未来,NB-IoT、LTE-M将在5G NR的频段上共存,并在5G来临之後扮演更重要的联网角色。


扩大应用规模

放眼目前的NB-IoT与LTE-M产业链已经逐渐完备,在2019年,全球的营运商已经布署了将近200个Mobile IOT的商用网路。Mobile IoT就是NB-IoT与LTE-M的商用网路,目前许多上游厂商纷纷推出支援GPRS、LTE-M、NB-IoT等多模与多频的解决方案,让终端使用者在行动性与国际漫游等方面可以拥有更多选择。而使用非授权频段的LoRa、Sigfox等技术,也从区域型与高度客制化等私网领域,各自拥有不同的发展方向。


工研院产科国际所分析师陈隹??指出,观察现阶段全球LPWAN的应用案例,初期为了迅速扩大应用规模,大部分都选择了公用领域或产业应用来制造需求,例如智慧读表(包括水、电、燃气等)、智慧路灯、智慧建筑、智慧监测、资产追踪与智慧农业等应用。此外,与消费者有关的应用也逐渐浮现,例如老人、小孩与宠物的追踪,此外还包括智慧单车、辅助生活健康照护(如长期慢性疾病监测),还有智慧家庭的白色家电等潜在的应用领域,都非常值得後续的关注。而对於LPWAN的商业模式、未来技术演变、如何与现有的网路基础设施及环境结合、互通性测试及成本挑战等,都是台湾厂商布局此领域必须掌握的关键要素。


5G带动重大改革

随着5G通讯时代的来临,包括物联网及行动装置的连结都将加速成长。Cisco预估,到了2022年将会有超过120亿台行动装置与物联网装置连结。而5G的来临,所带来的改变不仅在个人生活层面,也对各行各业都将带来重大改革,尤其是各类物联网新兴应用,例如车联网、智慧制造、远具医疗、智慧读表、智慧路灯与感测巨量连结等。在4G LTE技术之下,100Mb/s的传输速度足够让一般使用者上网浏览、收发简讯以及观赏FHD影片等。而在未来的5G NR技术将达到1Gb/s以上,可加速更多新兴服务的发展,例如智慧工厂、远具医疗等应用。


IDC对於全球物联网市场规模做出了预测,预计全球物联网市场将从2018年的6204亿美金,成长到2023年的1.12兆美金,年复合成长率达到12.6%。而下阶段物联网的布局,也会朝向将终端收集之数据转化为企业洞察分析之用,以改善整体营运流程,并以推出新服务为重点。预计在2020年开始逐渐带动加大物联网平台及分析软体等的布局,以确保企业能有效利用在物联网终端与基础建设的投资。


物联网与5G的结合

在5G的时代,物联网的发展也将以结合5G与新兴技术来驱动多样化的产业应用实现为目标。在物联网的发展初期,产业着重技术布局、产业生态建构,促使新商业模式的出现,预计未来5~10年将与5G技术,以及各项数位技术的结合为发展核心,这些数位技术包括了人工智慧、边缘运算、新兴资安、高阶感测器等。


在物联网的架构中,包括了应用服务、系统平台、网路传输、感测物件及终端等四大架构,各架构均有其重要发展方向。应用服务主要在於挖掘物联网巨量资料的价值,AIoT服务需求也将急遽成长,而随着物联网安全意识升温,使得个人资料保护法也将越来越严谨;系统平台则将朝向开源发展趋势,物联网整合人工智慧技术,加上运算工作由云端转移至边缘运算,促使AI与边缘运算平台兴起;网路传输方面,5G商用将促进物联网发展,进而发展低功耗广域网路(LPWAN),如NB-IoT、LTE-M、LoRa、Sigfox等快速发展,并支援广泛的低功耗应用情境;至於感测物件及终端方面,高阶感测器、智慧系统决策晶片(如AI on Chip)、无人载具、服务机器人、智慧音箱等都是发展重点,并提供更高的终端资安防护能力。


LPWAN技术演进

LPWAN初期为了迅速扩大应用规模,大部分都选择了公用领域或产业应用来制造需求,例如智慧读表、智慧路灯、智慧建筑等。

在未来,NB-IoT与LTE-M将成为5G的一份子。一般来说,LPWAN可分为授权频段(蜂巢式)与非授权频段(非蜂巢式)两类,授权频段的包括NB-IoT与LTE-M,非授权频段则包括了LoRa、Sigfox等。3GPP的R15版本支援5G NR与NB-IoT及LTE-M共存,至於R16版本正在标准化NB-IoT与LTE-M连接到5G核心网路的机制。在2019年7月,3GPP向国际电信联盟(ITU-R)提交5G候选技术标准提案,NB-IoT与LTE-M正式纳入5G候选技术,ITU-R覆核後预计在2020年6月将正式发布。



图二 : 智慧水表及智慧电表是运用NB-IoT或LTE-M技术的最隹范例。
图二 : 智慧水表及智慧电表是运用NB-IoT或LTE-M技术的最隹范例。

NB-IoT与LTE-M技术上的主要差异,在於LTE-M速率快且支援语音功能,而NB-IoT则专精於高穿透力与低成本等特点。NB-IoT又称为LTE Cat NB1,而LTE-M又称为是eMTC或者LTE Cat M1,这两种技术在某些程度上是可以彼此互补的,部分特性之差异则成为企业在选用上的考量点。例如LTE-M优势在於传输速率较高、更低延迟、基地台切换能力强(Handover),因此非常有利於行动应用上的使用,更可以支援VoLTE的语音通讯。至於NB-IoT相对於LTE-M具备更低的模组成本、覆盖范围广、较低的功耗,此外在室内及地底环境都比LTE-M具备更好的穿透能力。


结语

随着技术不断演进,NB-IoT与LTE-M的性能也正不断提升,未来势必将支援接入5G的核心网路。目前的商业应用仍以R13版本为主,并持续往R14版本前进。商转的NB-IoT与LTE-M服务目前都以R13版本为基准,虽然R14规格已经在2017年底定,且2019年6月主要的厂商(包括高通、联发科、海思等)已经推出支援R14的晶片,但R14版本的NB-IoT应用服务仍须通过验证与互通性测试。


至於R14与R15版本,则强化了多项性能,未来将与5G NR共存。而3GPP的标准持续演进,NB-IoT与LTE-M的速率、基地台定位、功耗、时间延迟、等性能也会不断提升,以满足更多商用场景。而R16版本也将持续研究NB-IoT与LTE-M的性能强化方案,并支援接入5G的核心网路。


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