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物联网软硬件系统平台建设七大无线技术竞逐物联网
发布时间:2021-11-29 18:58:34 TAGS:
在数字化实体世界中,物联网技术的应用相当广泛,市场潜能与商机庞大。
麦肯锡(MGI)《物联网:超越市场炒作价值(The Internet of Things: Mapping the Value beyond the Hype)》报告预估,2025年全球物联网产值可望上看11.1兆美元,约占全球经济的11%,9个主要物联网智慧应用场景包含工厂、都市公共健康与交通运输、个人健康与健身、零售环境自动结帐、工作场所、物流与导航、自驾车领域、家事自动化及家庭安全,以及办公室安全及能源。
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新冠疫情加速物联网落地
TrendForce资深分析师曾伯楷指出,新冠疫情使产业受到全面性冲击,促使企业加速数位转型步调,疫后新常态也会带动远距商机与终端产品需求。以物联网发展来说,2021年物联网已在数个主要领域落地成形,如个人医疗、设备资安、公共城市及商业制造等领域,其中又以城市、家庭、制造与医疗发展最积极。
智慧城市透过IoT、5G等科技整合城市基础建设,进而赋能健康、农业、能源、建筑、交通等领域,完整资产生命周期模拟和串联互动;智慧家庭持续以家庭连网设备及平台为发展核心,发挥智慧化、生态系与便利性等效益,并以语音及边缘AI为主要赋能技术;智慧制造藉由导入自动化、数位孪生(Digital Twin)、能源管理、预测性维护等工具,协助厂商应对多变环境与疫情所带来的冲击;智慧医疗着眼相关产品性能、临床安全性与数据溯源性等面向,以越趋完善及成熟的产业环境和技术,在后疫情时代彰显其价值,并以感测技术与AI工具为产业发展的核心主力。
物联网通讯技术现况
物联网的三大主要元件为感应器、数据储存器及联网技术。以物联网无线通讯技术来说,大分短距离通讯及长距离通讯,前者如Zigbee、Wi-Fi、蓝牙、Z-wave等通讯技术,后者如LoRa、SigFox、NB-IoT等LPWAN(Low-power Wide-Area Network)低功耗广域网路。
LPWAN可分为两类:一是工作于免授权频谱的LoRa、SigFox等技术,也被称为非蜂巢式LPWAN,二是工作于授权频谱下,3GPP(3rd Generation Partnership Project,第三代合作计划)所支援的2G/3G/4G蜂巢式通讯技术,如EC-GSM、LTE Cat-M1、NB-IoT等,也被称为蜂巢式LPWAN。不同无线技术对物联网要求的组网、功耗、通讯距离与安全性各异,因此适用于不同应用场景。
4种常见短距离通讯技术
短距无线通讯技术中,蓝牙、Wi-Fi、ZigBee应用最广泛。Wi-Fi是无线网络的基础,网络结构简单,适用于大量资料传输,如影音或AR/VR,缺点是耗电量大,传输范围小,因此Wi-Fi联盟为更远距的无线应用开发IEEE 802.11ah标准,也称为Wi-Fi HaLow,使用免授权的900MHz频段传输,与LoRa、Sigfox都被归类为低功耗广域网路 (LPWAN)技术。
蓝牙可用于手机、PDA等行动或穿戴式装置,以及无线外围设备如蓝牙耳机、蓝牙键盘等,声音应用较成熟,采用调频技术,通信频段为2.402GHz-2.480GHz,紧跟物联网发展,蓝牙4.2隐私功能更强大,传输速度更快,智慧家庭领域采用Buletooth Smart技术的蓝牙设备彼此之间可以不通过网络互联沟通,即便突然断网没有Wi-Fi,智慧家庭中的各项设备仍可以继续工作,2016年已推出5.0版,有效范围最远达300公尺,与蓝牙4.2的1.5MB/s传输速度相比,最快能达到2Mbps。
ZigBee和Z-Wave多应用在自动控制领域,其中,ZigBee被标准化为IEEE 802.15.4,有868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2.4GHz-2.4835GHz等三频段,第三个频段为免付费、免申请的世界通用无线电频段。Z-Wave采无线网状网络技术,任何节点都能直接或间接地和通信范围内的其他临近节点相互通讯,美国工作频率为908.42MHz、欧洲为868.42MHz。Z-Wave传输距离远,可靠性高,但目前较专注于智慧家庭领域的发展,市占率不如ZigBee,欧美国家使用率较高。
3种常见长距离通讯技术
若将传统行动通讯技术(2G/3G/4G)运用于物联网,存在功耗大、成本高等缺点,因此,低功耗广域网路(LPWAN)技术逐渐受到重视。IHS Markit报告指出,NB-IoT及LoRa是LPWAN中市占最高的物联网传输技术,预估2023年将有17亿台装置使用LPWAN。
NB-IoT是由3GPP所支持,具备多连接、低功耗、低成本及广覆盖等优势,使用授权频段(Licensed Band),因此在网络传输质量、数据安全方面都具有保障,加上可直接利用现有LTE站台为基础,透过In-band方式升级为NB-IoT网络,因此深受Vodafone、Deutsche Telekom、中国移动、中国联通等电信商青睐,逐渐成为LPWAN主流技术,物来也将大量运用于5G场景,IHS预估NB-IoT 于2023年连接数将成长至7亿3,980万,2018至2023年复合成长率达93.3%。
使用非授权频段的LPWAN技术包括Sigfox、LoRa等,进入门槛低、搭建容易。LoRa与Sigfox都具有长距离、低功耗特点,可延长电池寿命,有利大范围讯息传输,由于两者都使用免授权Sub-1GHz ISM频段,不需额外支付授权费,所以商业化速度较快。Sigfox是由法国同名公司自行开发,已在全球网络基地部署,能同时在36个国家使用可连结网域及设备。
LoRa传输距离最远可达20公里,在同样功耗下比传统无线射频通讯距离扩大约3-5倍,掌握技术就能自行架设基站,弹性更大,终端使用电池或其他能量收集方式供电,电池寿命可达3-10年。由于LoRa讯号对建物的穿透力强,在高速移动时通讯比NB-IoT更稳定,适用场景包含智慧农业中的低功耗、低成本传感器,或者可运用于工业自动化中的电池设备追踪监控、物流系统的追踪定位等。不过,LoRa和Sigfox的每日传输次数有限制,所以比较适合使用在无实时通讯需求的领域。
物联网通讯技术发展趋势
TrendForce资深分析师曾伯楷指出,传统物联网多以感知层、网络层、系统层与应用层作为架构堆栈,受物联网设备连线技术与标准各异的影响,通讯技术成为物联网架构中相当重要的一环,从蜂巢式的4G、5G、LTE-M、NB-IoT,到非蜂巢式的LoRa、Sigfox、Wi-Fi、Wi-SUN等,从智慧城市、工厂、家庭乃至零售店面皆被广泛运用,范围也从地表拉升至太空,近期卫星通讯也渐成物联网重要的通讯技术之一。
短距离通讯及长距离通讯各有优劣势。常见的长距通讯多为低功耗广域网路技术(LPWAN),藉低成本、远距离、低功耗等通讯特性,在物联网诸多应用场景中成为最适切的通讯技术之一。短距离通讯则以智慧家庭或封闭场域的连线为主,包括行之有年的Wi-Fi、蓝牙等,成本、功耗较高,传输速度快而且流量大。
基本上,长、短距通讯因场景与需求较为分明,所以采用选择较为明确,主要挑战在于各技术皆能重叠应用的垂直领域,有诸多层面会影响厂商抉择,「成本是最直接的考量因素,或者是来自于芯片商与标准制定话语权的角力,进一步延伸为联盟、生态圈等如何壮大,以吸引更多软硬件开发商采用。」
新议题及业内动态
曾伯楷观察近期市场较为关注的物联网议题,短距通讯以Wi-Fi 6、低功耗蓝牙、UWB等技术为主,其中,Wi-Fi联盟于2021年发布Wi-Fi 6E认证计划,相较现行Wi-Fi 6优势在于支援6GHz,扩增至少1,200MHz频宽。高阶Wi-Fi 6E产品须符合OFDMA、TWT、MU-MIMO等八大特性,也须要符合WFA才能获得认证。另一方面,近期有不少厂商想将IEEE 802.11ax用于IoT,主要相中TWT能力,而且仅需2.4GHz频段与20MHz Channel Bandwidth,由此推估,IEEE 802.11ax技术未来有望用于IoT。
至于在蓝牙方面,推估2021-2025年低功耗蓝牙设备出货量将成长3倍,曾伯楷相当看好资产追踪与智慧照明领域的发展。另一个观察指标是,伴随全球对健康议题的关注提升,使穿戴设备需求增长,而且全球都在关注安全复工解决方案,因此,蓝牙技术联盟预计大幅增加对蓝牙RTLS的布署。
至于蓝牙智慧家庭的发展也相当好,如阿里巴巴、小米均以蓝牙为智慧家庭布局,关注智慧家电、智慧照明两大领域,主要着眼于可藉Mesh互联照明降低逾70%的能源成本。
长距通讯(LPWAN)发展方面,曾伯楷认为,LPWAN具有低成本、远距离、低功耗等通讯特性,即便流量小且延迟较长,在物联网诸多应用场景中仍是最适切的通讯技术之一,诸多物联网设备大宗多是以此技术为主流,综合考量政策力道、联盟与生态圈、部署区域、连结数与产业应用等要素,现行市场颇有公领域重NB-IoT、私领域以LoRa为首选、重叠领域则两者可并行的氛围。
至于在物联网垂直应用领域上,资产追踪与供应链管理解决方案是持续快速成长的市场,2021年NB-IoT新增支援国家与地区以欧陆为主,主要瞄准跨境商机和漫游应用,德国电信也扩大将NB-IoT漫游服务扩及到20个国家,各家业者着眼的应用范畴包括物流追踪、海运监控等,或者是由制造商根据需求直接为设备嵌入跨国网络切换与连接功能。
与此同时,LoRa联盟同样在2021年初积极强化技术与营运商的国际漫游可行性与参与度,包括发起Connect EU计划支持并鼓励LoRa联盟成员间的合作,更新技术规范以简化漫游对接等,目前全球已有27个国家可直接连结或透过Lacuna Space的卫星使用LoRa漫游功能,同时聚焦于支援跨国客户的移动,以及固定资产在物流和追踪方面的应用,实现资产全球追踪或内陆最后一哩路的配送。
结语
即将迈入5G,通讯技术需求朝更大频宽、更高速率、更低延迟发展,由于资料传输较为密集、交换量更大,当然更耗电,因此LPWAN小资料量、长距离传输及省电特性,近年来在物联网应用领域中确实进展快速,但是任何物联网无线元件技术都有优缺点及适合的应用场景,如智慧家庭闸道器多会容纳1-3种通讯技术(如Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee等)。
不论短距离或长距离无线通讯技术未来都可以独立、互补或共存,视终端需求挑选最适合的技术,唯有选择适合的软件服务,才能掌握物联网庞大的应用商机。
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