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產業技術評析

打造智慧城市應用新興低功耗廣域網路受矚目
發表日期:2016-05-11
作者:鍾銘輝、葉恆芬(工研院IEK)
摘要:
城市伴隨著經濟與科技發展歷經多次變革,現今所談論的智慧城市內涵相較於早期資訊城市、數位城市及無所不在城市的概念早已大不相同。

全文:
一、各國智慧城市開始發起城市物聯網實驗計畫

城市伴隨著經濟與科技發展歷經多次變革,現今所談論的智慧城市內涵相較於早期資訊城市(Information City)、數位城市(Digital City)及無所不在城市(Ubiquitous City)的概念早已大不相同。今日的智慧城市強調廣泛使用資訊與通訊技術,感知各種人、事、物資料,並利用無縫的網路傳輸至雲端進行資料分析等,以達到城市永續發展、改善人民生活品質與創造經濟發展。然而,城市的智慧化需要倚賴各種物聯網技術來協助資料傳輸,但目前的困擾是多數物聯網採用WiFi、Zigbee等短距離傳輸,但這些技術覆蓋範圍小且組網複雜度高,不僅需要支付大量閘道器建置費用,還得負責多台設備維護成本。又或者選擇利用傳統2G/3G網路來做物聯網M2M傳輸,但也不滿足物聯網設備低功耗、低成本的要求。

近年來各國智慧城市開始發起城市物聯網實驗計畫,推出適合城市物聯網應用的低功耗廣域網路技術(Low Power Wide Area Network;簡稱LPWAN),可提供低功耗、長距離、易佈建、低成本與高可靠的最佳化的解決方案,被視為城市物聯網不可或缺的通訊技術。2014年英國的米爾頓凱恩斯發起全球第一次基於LPWAN大規模的物聯網專屬網路,吸引英國電信(BT)、華為、Samsung等大廠加入實驗計畫。2015年4月瑞士的Swisscom於蘇黎世、日內瓦也成功建置LPWAN來尋求最佳能源效率的物聯網基礎設施。身為亞洲科技重鎮的臺灣也於2016年的台北市打造亞太第一個基於LPWAN城市級物聯網實驗平台,提供新創或開發團隊來申請利用,進行連接感測器、創新實驗等,加速智慧城市應用的創新。根據GSMA的預測2018年採用LPWAN連網的終端數將達10億台,2022年則成長至超過50億台且物聯網營運商市場可超過130億美元,包含:連線費用與附加價值服務(如:系統整合、安全與資料分析等)。

二、新興低功耗廣域網路的技術特性與應用

目前新興低功耗廣域網路大約可分為兩大陣營,其一為採用ISM(Industrial Scientific Medical)的免授權頻譜陣營,如:Sigfox(NTT Docomo、SK Telecom、GDF Suez、Air Liquide、Elliott Management等投資)、LoRa聯盟(IBM、Semtech、Actility、Cisco等組成)、Weightless(Accenture、ARM等組成)、Wi-Fi HaLow等新生態系統為代表,尤其是Sigfox、LoRa、Weightless等不僅技術已逐步成熟而且不乏國際大廠支持。其二為多數電信運營商擁護的NB-IoT,最大優勢是基礎設施已經佈署完成,大部分的LTE基站可直接支援升級,因此多半電信商、電信設備商因技術平台遷移策略容易而樂於支持該技術,如:AT&T、Vodafone、Deutsche Telekom、Etisalat、華為、中國移動、LG Uplus、Telefonica、Ericsson、Nokia、Qualcomm等。

上述兩大陣營瞄準的價值的目標在於打造一個具備長距離、大連結、易佈建、超低功耗與低成本的無線網路,而且採用的頻段多鎖定在Sub-1GHz,例如:LoRa鎖定支援頻段為150 MHz、433 MHz、850-1GHz,Sigfox鎖定支援頻段為902 MHz(美國)、868 MHz(歐洲),Weightless鎖定支援頻段為White Space(700 MHz),IEEE 802.11ah鎖定支援頻段為900 MHz,Narrowband IoT(簡稱NB-IoT)鎖定3GPP所訂定的LTE頻段(1GHz以下為主),傳輸距離則可達5-40公里,主要依據實際場域、建築物及地形高低起伏等情況而有所差距;根據IBM的建置LoRa經驗,曼哈頓下城區(Lower Manhattan)範圍約為30平方公里,僅需要7個基地台就可覆蓋全區,若是以整個台北市為例,僅需要12個基地台即可達100%覆蓋,而且具備大連結的特性使得1個基地台最多可支援上百萬個節點,因此相較於傳統的短距離傳輸方案可大幅降低佈建成本。

此外,LPWAN亦具備低功耗特性,未來感測器採用此技術後電池壽命可達10年,可節約電源消耗與維護成本,避免需要時常更新設備電池問題,適合長時間使用與大規模佈建的城市網路。而且LPWAN網路資料吞吐量(Throughput)通常為幾百bit/s或更少,晶片架構主要支援小資料的傳輸為主,主要訴求轉而朝向更簡化、更低資料吞吐量、更小記憶體,因此具備低成本優勢,預期Radio晶片成本未來有機會降至2美元以下。上述的特性可打造眾多新興智慧城市應用,列舉如下:

(一) 精準式農業服務

德國Deutsche Telekom提出精準式農業物聯網服務,將NB-IoT模組嵌入土壤溫濕度設備,設備亦結合太陽能板進行照度探測,此物聯網設備就可以有效偵測可將農場的土壤、空氣的濕度溫度、土壤PH值、葉子濕度、農作物成熟狀況、太陽面板偵測照明強度等資料,並回傳至資料庫進行分析,可達到農作物生長的歷程全程監控。若是進一步搭配昆蟲探測、天氣預測、視覺化的地圖顯示、農凍災害偵測等,亦可以預防蟲害、掌握農作物疾病的爆發過程,或是瞭解季節如何影響農作物生長等應用。

(二) 城市停車管理

法國Actility提供的城市停車管理,主要透過安置大量感測器於停車場進行停車位的狀態偵測,再透過LoRa技術傳送至雲端,如此可掌握城市內所有停車場的空位資訊,協助民眾享受便利的車位查詢服務,縮短不必要的時間浪費,同時政府單位亦可增加停車場管理效率,並增加停車位的利用率。Actility此項服務預計可減少民眾35%車位尋找時間,並間接減少40%的二氧化碳排放。

(三) 智慧電網服務

ZTE於2016年推出智慧電表系列產品,搭載LoRa技術可以提供長距離、小資料傳輸應用,有效降低人員抄表所產生的成本,也可避免人工抄表的錯誤率。更重要的是可以確保即時性的尖離峰用電的資料蒐集,掌握城市各區域用電狀況進行用電調度,並提供階梯式計費。除了抄表服務之外,還可以透過遠端設備監控,並故障排除服務確保電表正常運作。

三、電信運營商加快建置Cellular基礎的 NB-IoT網路

3GPP自2009 Rel-8即開始探討降低成本,擴大覆蓋之MTC (Machine Type Communication)標準,目前發展至Rel-13 NB-IoT。2016年MWC展會中GSMA聯合營運商、電信設備商、晶片商、垂直行業企業等成立全球首屆NB-IoT Forum。論壇中主旨在於促進營運商與電信設備商合作建立NB-IoT開放實驗室,提供開發與測試環境來加速應用創新與市場化進程。目前NB-IoT標準已經獲得全球主流營運商的支持:包含:AT&T、Vodafone、Deutsche Telekom、Etisalat、義大利電信、中國移動、中國聯通等大廠已開始建實驗網,預計2016年全球50家主流運營商將有會一半支持NB-IoT,重點應用包含停車場感測、水表、農業溫濕度感測器、寵物追蹤等。其中,華為是目前最積極的業者之一,旗下的海思已經推出NB-IoT晶片與模組,模組大小相當於一個銅板大,優勢可以滿足10萬的終端聯網上網、10公里的覆蓋範圍、確保5年以上的電池壽命,且NB-IoT保證資料成功回傳率達99%的高可靠度。綜上所述IEK認為NB-IoT隨著垂直應用市場、智慧城市應用等催化下將可帶來設備規模經濟、更具成本效益等好處,將可進一步擴大其物聯網業務範疇的影響力。

四、結論

新興低功耗廣域網路的創新有機會實現真正的智慧城市應用,同時也開啟系統整合商、電信商一個創造新服務的成長契機。現階段市場上解決方案較領先的是採用ISM免授權頻譜陣營,例如:LoRa、Sigfox等,由於已有解決方案問世,具備First Mover 優勢,預計早期發展應用多屬於特定垂直領域的行業應用為主。但ISM的陣營也並非沒有缺點,由於眾多技術共用相同頻段,容易產生干擾與擁塞也意味著服務品質受限,且技術規格尚未統一,使得相對NB-IoT來說,產生全球規模經濟相對需要更久時間。

反觀NB-IoT雖仍在標準制定階段,一旦標準定案(預計2016年6月)後,研判電信業者將大舉投入。按照過去無線通訊技術發展經驗,一旦標準定案後2-3年內可能會產生經濟規模,對臺灣供應鏈有較強帶動效果。然平台掌握在大廠手裡,臺灣產業需與國際大廠平台介接,始能在平台上作創意、應用及解決方案的驗證。

綜上所述,對臺灣產業來說選擇開放陣營且避免被鎖進單一廠商行列甚為重要,尤其LPWAN強調低成本模組,臺灣產業要由硬體創造利潤不易,未來LPWAN對臺灣產業的價值將在於以平台孕育垂直應用解決方案應用整合與驗證,同時掌握物聯網成功的關鍵—資料收集與分析。因此建議臺灣產業可運用開放式平台結合開放場域,推動終端、應用、解決方案業者及電信運營商的協同驗證,以催生利基應用整體解決方案,藉此不斷實踐或修正創新應用,協助解決方案走向商業化,或可作為未來NB-IoT物聯網應用推動之先期基礎。

(本文作者為工研院IEK ITIS計畫產業分析師)

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更新日期:2020-04-08

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