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探讨物联网 M2M 市场、联网标准与产品设计

时间：2018-10-16 13:31来源：重庆物联网

摘要：物联网机器对机器(M2M)热度狂飙，背后所应用的通讯联网技术种类繁多，其中包含授权与非授权频段联网技术。

物联网机器对机器(M2M)热度狂飙，背后所应用的通讯联网技术种类繁多，其中包含授权与非授权频段联网技术。
 
本文逐一探讨物联网M2M市场、联网标准与产品设计，期能协助开发商做出更好、更有价值的商业决策。 5G和低功耗广域网(LPWAN)联网技术的发展，有助于物联网M2M通讯连接，并加速物联网平台及服务的推陈出新，其中LPWAN技术具备的低功耗、大范围连接的特色，促使各种物联网应用领域急速起飞，带动包含智能城市、智慧建筑与智慧工厂等应用发展。 授权v.s非授权频段 授权频段联网技术指的就是蜂巢式网络，其标准由3GPP制定，相关技术包含3G、4G、5G，以及针对LPWAN所制定的NB-IoT和eMTC联网技术；另一方面，非授权频段也就是采取不须额外收费的频段进行传输的标准，例如LoRa、SigFox等联网技术(表1)。以市场分布来看，中国大陆地区非常积极推动NB-IoT的发展，同时也有部分地区采用LoRa标准；相对而言，SigFox则较多应用于欧洲、澳洲与南美地区。 

 
表1 授权与非授权频段技术比较
 
芯讯通(SIMCom)技术总监孔凡兵(图1)分析，通常传统电信商或手机商大多数采用NB-IoT或eMTC技术作为物联网应用的基础。究其原因，从网络层面来看，因应手机通讯的需求，蜂巢式网络相关的基础设施已全面布建，而NB-IoT与eMTC即可基于现有的网络架构进行变更，进而降低成本。此外，从产品角度出发，作为一个跨全球通讯的网络产品，若无完善的规范及标准支撑，将难以通用于全球市场。反之，LoRa与SigFox采用非授权频段，虽然无须支付频谱费用，但在联网通讯质量的保障也较缺乏。 

 
图1 芯讯通技术总监孔凡兵表示，在网络覆盖率与基础建设成本的考虑下，传统电信商大多选用NB-IoT技术。
 
事实上，NB-IoT标准真正确立的时间在2017年7月，实际上标准制定完成与运行的时间不长，开发商与NB-IoT发展可说是同步成长。然而，一项技术在产品化过程中，肯定会在实际运作的过程中遇到一些挑战与问题。举例来说，NB-IoT一直以来受到质疑之处，在于NB-IoT无法提供漫游功能。不过随着R14标准相关芯片的支持，漫游问题将获得改善，预期也将带动更多商用化表现。 整体而言，物联网M2M的设计上，开发商通常会从网络分布、产品续航力与后续维护等问题思考选用的联网标准。物联网产业来看，NB-IoT不仅满足低速率传输，同时还满足电信商与开发商在意的设备成本问题；再者，因应下一代联网需求，台湾地区信息通讯产业标准协会(TAICS)国际事务处处长颜嘉邦(图2)表示，3GPP将持续针对NB-IoT与5G研拟标准，迎合更多元的应用服务场景。值得一提的是，未来在R16的NR制定中，将不会出现LPWA相关的解决方案，LPWA技术将持续聚焦于升级eMTC(LTE-M)与NB-IoT，这也意味着NB-IoT技术相对稳定，开发商可更加聚焦于产品化与商用化发展。  

 
图2 台湾地区信息通讯产业标准协会国际事务处处长颜嘉邦指出，未来3GPP在R16版本，将不会出现新的LPWA技术。
 
根据Navigant Research研究报告指出，2017年全球智能路灯市场价值将达到6.1亿美元，并有望于2026年增长到69亿美元。市场份额预计将从2017年的2%增长到2026年的20%左右。 孔凡兵以中国大陆M2M市场作为分析案例。他表示，智能路灯是NB-IoT第一个大量落地的项目，主要原因是过去的蜂巢式网络技术已经没办法满足M2M装置数量的需求，若采用4G模块，单价比起2G模块将高出很多，因此在衡量营运成本与网络容量两项指针后，开发商进而选用NB-IoT作为主要通讯基础。 挥军物联网M2M市场　掌握六大关键要素 在整体物联网市场来看，根据思科(Cisco)预测，2021年将有33亿台M2M装置部署于全球，相比于2018年装置数量增加15亿。u-blox商业开发主任廖容娴(图3)认为，要掌握物联网M2M的商机，就须从六个面向思考，包含关键组件的选用、高整合度的产品、低风险与高可靠性、高性价比、通路与供货商的合作关系，以及提供好的售后服务质量。 

 
图3 u-blox商业开发主任廖容娴认为，物联网市场须要集结整个物联网生态系的力量，才能赢得物联网这片蓝海市场。
 
廖容娴谈到，一个物联网装置内，里面就可能包含了通讯、传感器、GPS、微处理器(MCU)等组件，当开发商在选择的十字路口上，如何选择符合需求的关键组件，是产品制作前一项非常重要的影响因素。 此外，物联网市场商机当前，开发商如何摆脱竞争者，率先插旗物联网应用市场赢得第一桶金，产品快速导入市场是决定性因素，然而物联网产品要通过认证，通常须要长达半年以上的时间，因此如何在半年内降低产品风险度，并提升可靠度，慎选合作伙伴将是重要指针，无论是系统厂商或制造商的配合，将成为关键。 最后，在成本考虑上来看，联网装置除了产品本身的硬件费用之外，还包含了电信费与事后的产品维修费用，故需在人工、时间与硬件成本上取得平衡，才能达到最高的性价比。廖容娴强调，物联网商机是一个完整的物联网生态系携手合作出来的成果，无论在组件、产品生产到通路与平台等层面，皆是环环相扣缺一不可。 NB-IoT省电测试小撇步 另一方面，为了协助开发商快速打造M2M模块，本文将以目前市场普及率较高的LPWAN通讯技术NB-IoT做为量测分析的例子。 是德科技(Keysight)资深应用工程师梁晋源(图4)提到，传统的行动通讯技术，主要是为了人类通讯设计而成；但随物联网兴起起，通讯不仅为了提供人联网技术，同时也须满足物与物之间的沟通，因此联网技术在设计的思维必需有所调整。 

 
图4 是德科技资深应用工程师梁晋源表示，NB-IoT主要是透过PSM与eDRX机制达到极为省电的效果。
 
以蜂巢式网络技术来说，从LTE联网转型到NB-IoT首重的关键要素，在于联网技术需要容纳更多装置，并提供更大的覆盖范围，而装置本身则需要较长的电池生命周期，单一装置至少要提供超过10年的电池续航力，同时还需具备上下兼容的联网机制。 以省电的角度来看，梁晋源表示，NB-IoT主要是透过节电模式(PSM)与eDRX达到省电。通常要做到省电的极致就是接进入飞航模式关闭RF，但是基本上使用者不太会开启飞航模式，因此在NB-IoT标准内，就增添了一个PSM机制。 梁晋源谈到，PSM是过去LTE标准没有支持的一项新技术，该模式的运作模式是当装置联机时，一开始会先进入Connected Mode，当装置使用一段时间后，RF开始时间不需要太长时，就会进入到Idle Mode，最后再进入到PSM Mode直接关闭RF达到最省电的效果。此外，在模式转换的过程中，会有两个定时器(T3324、T3412)计算时间切换模式。 实际测量装置耗电量，就会出现在Connected Mode时，硬件耗电最高，而后转换成Idle Mode就会有一个周期起伏模式，侦测是否有工作需求，待真正进入PSM Mode时，就是最省电的时候。
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