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M2M 无线传输:Massive IoT 首选,非 LPWAN 莫属

时间:2019-02-12 11:55来源:Compotech 作者:任苙萍 点击:
近来国外有学界研究指出,布建物联网 (IoT) 无线传输的过程常会面临以下挑战:1.现有无线技术的局限;2.高度可扩展和高效的协议和架构;3.标准和服务平台的互操作性 (Interoperability);4.实现实时流量监控和自动车辆通信等关键应用的低延迟性与可靠度;5.大量机器设备与小型基地台 (Small Cells) 及其他网络密集部署的"共存"干扰。在 IoT 场域,机器对机器通信 (M2M,或称为 MTC) 是智能设备的基础,研调机构 Market Research Future (MRFR) 近期发布报告预测,全球 M2M 连接市场正以超过 9.9% 的年复合成长率 (CAGR) 迅速增长。
 
NB-IoT 强在"深度"覆盖,中国大陆领跑市场
MRFR 推估,2023 年 M2M 将达到 270.5 亿美元之谱,由消费电子和智能建筑两大领域主导,前者包括:相机、音乐播放器和电视,后者多聚焦于安全和暖通空调 (HVAC)。然而现阶段,车用 4G LTE 才是 M2M 有力推手,力道强于消费电子。虽说 4G 是目前 M2M 模块出货大宗,但他们预期 5G 很快将成为"单位百分比增长最快"的无线传输技术;综观最终用户群,智能建筑、消费电子、汽车、医疗保健和公用事业是主要分众市场。在地理区域上,北美增长率最高,其后分别是中国大陆、日本、印度等亚太发展中的经济体。
 
 
在低功耗广域网 (LPWAN) 方面,MRFR 乐观受到无现金经济及技术进步等因素驱动,在授权频段运行、适合长时间处理少量及间歇数据传输、可提供安全可靠连接并确保服务质量 (QoS) 的窄频物联网 (NB-IoT,也称为 LTE Cat NB1 或 Cat-M2),可望以 50% 的 CAGR 增长;而汽车和运输行业对导航、远程信息处理和车载信息娱乐 (In-Vehicle Infotainment, IVI) 服务需求不断增长,以及 NB-IoT 在"深度"覆盖范围内之低功耗、优异的穿透和覆盖率、低组件成本、改善用户设备 (UE) 的频谱效率和系统容量等优势,为增长动力。
 
工研院产科国际所产业分析师陈梅铃表示,中国大陆的 NB-IoT 网络已在 2017 年覆盖直辖市和省会城市,基地台规模达 40 万个,工信部计划于 2020 年完成包括室内、交通路网、地下管网等应用场景的全国深度覆盖——中国移动于 2017 年底实现 348 个城市的 NB-IoT 连续覆盖和全面商用,并提供人民币 10 亿元的 NB-IoT 模块专项补贴,补贴率达 60~80%,目标是 2020 年全行业物联网终端数突破 180 亿个。同单位另一位分析师陈佳荥认为,物联网时代结合多方技术加速发展,将开启数据 (Data)、计算 (Computing)、体验 (Experience) 整合战。
 
LTE-M 高传输、低延迟特性,与 NB-IoT 互补共存
陈佳荥指出,2022 年全球 IoT 市场将从 2017 年的 6,314 亿美元成长至 1.19 兆美元,未来重心将转移到软件与服务,而策略联盟将是成功关键因素,便于企业切入各式垂直应用。他说明,IoT 省电、长距离传输需求驱动 LPWAN 服务兴起,将与行动网络互补共存:LPWAN 适用于大量型物联网 (Massive IoT) 应用,例如:智慧读表、环境监测、物流追踪、智慧农业/城市等;无人机、自动驾驶、虚拟现实/增強现实 (VR/AR)、机器人、智慧工厂、智能医疗等关键任务型 (Mission Critical IoT),则适合采用行动宽带技术。
 

图2:智能城市之 Massive IoT 应用场景涵盖水、电、瓦斯、贩卖机、车队管理和支付系统
资料来源:爱立信 (Ericsson);
https://www.ericsson.com/en/mobility-report/massive
 
陈佳荥援引 Machine Research 报告表示,2017 年LPWAN 连接数为 1.35 亿个,2022 年将来到 12.41 亿个,期间 CAGR 达 55.8%;ResearchAndMarkets 就产值观察,预估 LPWAN 市值将从 2017 年的986 万美元增至 2025 年的287.5 亿美元,成长率达 52.4%。他分析,NB-IoT、LTE-M、LoRa 和 Sigfox 是当下较受关注的 LPWAN 技术,NB-IoT 和 LTE-M 为蜂窝式授权频段,由 3GPP 所制订,两者将共存发展;因为 LTE-M (又称 LTE Cat M1 或 eMTC) 传输速率更高、达 1Mbps,延迟更低 (100ms,优于 NB-IoT 的 6~10s),可支持 VoLTE 语音通信。
 
因此,LTE-M 更适用于物流追踪、行动支付和智慧穿戴,不宜忽略。根据 GSMA 统计,截至 2018 年 10 月,全球已部署 68 个 Mobile IoT (NB-IoT+LTE-M) 商用网络——50 个 NB-IoT+18 个 LTE-M;美国优先部署 LTE-M,欧洲与亚洲则从 NB-IoT 切入。去年 5 月,美国 AT&T 与亚马逊 (Amazon) 合推"LTE-M Button 一键式服务"供企业批量采购,可自行定义对应操作,如:自动订购某项商品、产生警报等,该事件意义在于:Amazon Dash Button 不再受限于 Wi-Fi 联机问题且应用转趋多元,而企业用户也能以极小化成本提升消费者便利性与满意度。
 
非蜂窝式具先占优势,3GPP 阵营后来居上?
亚洲 NB-IoT 知名用例之一是:中国大陆海尔家电的"海享租在线平台——智慧冷气机租赁"方案。有鉴于 Wi-Fi 联机的绑定和操作略显复杂,且覆盖范围有限、移动性差,海尔因而采用中国电信的 NB-IoT 网络解决学校购置冷气一次性投入资金庞大,以及安装、维修、管理、回收、运营等问题。截至 2018 年 10 月,已涵盖上海理工大学、河南工业大学等 200 多所学校,逾 200 万使用人数。陈佳荥强调,随着 3GPP 标准演进,NB-IoT 和 LTE-M 的覆盖率、电池寿命、网络链接密度与时间延迟等四大指标不断提升,可满足更多商用场景。
 
表:LPWAN技术规格比较

 

NB-IoT (R13)

LTE-M (R13)

Sigfox

LoRa

主要推动者

3GPP

3GPP

Sigfox

SemtechIBMCisco

规格推出年度

2016

2016

2009

2015

使用频段

GSM / LTE

LTE

868 / 915 MHz

433 / 868 / 915 MHz

带宽

180 KHz

1.4 MHz

0.1 KHz

(400 channels)

125/ 250 / 500 KHz

传输峰值

2762 kbps

1 Mbps

100 bps

10 kbps

传输距离

15公里

10公里

市区:10公里

郊区:50公里

市区:35公里

郊区:15公里

基地台连接数

至少5万个

10万个

100万个

25万个

资料来源:工研院IEK Consulting (2018/11)
 
陈佳荥预期,最快在 R17 版本就有机会整合 NB-IoT 与 LTE-M 成为新的 5G 低功耗标准 (Massive MTC, mMTC)。现今非 3GPP 标准之 LPWAN 技术占比较大,但 3GPP 阵营的 NB-IoT、LTE-M 可直接从现有电信网络上升、广获全球运营商拥护,用户不必自行建置网络与基地台,有望成为 LPWAN 主流,2022 年 NB-IoT+LTE-M 将囊括 66% 市场;而非蜂窝式、非授权频段的 LoRa 和 Sigfox 是 Semtech、IBM、Cisco 所支持的技术,由于硬件成本低、功耗更小,更适合在小数据量、大范围的传输应用,将朝向客制化私网应用各自发展。
 
截至 2018 年 5 月,已有 83 家电信运营商采用 LoRa 标准,在 49 个国家拥有 56 家联盟成员运营商。自 2015 年 LoRa 联盟成立以来,受惠于技术简易、应用方便以及开放的生态圈——由运营商部署基地台、负责公网控管,并协助企业建立私网、让企业自行管理,市场磁吸力强大;全球公共 LoRaWAN 网络数正迈向一百大关,日本生态系尤其发展快速:NEC 提供 LoRaWAN 网络服务器用于远程液化石油气表读数、SenseWay 株式会社在日本柏市 (Kashiwanoha) 校园部署 LoRaWAN 网络以获取和可视化城市的环境信息……。
 
LoRa、Sigfox 前行未曾停歇,仍具一定利基
例如,可单独使用远程多播设置协议向一组终端设备发送消息、将大文件碎片化后发送到单一终端设备 (单播),或单独使用时间同步;与此同时,将"空中固件更新"(Firmware Updates Over-the-Air, FUOTA) 功能予以标准化、列入规范。联盟首席执行长暨主席 Donna Moore 表示,这有助于实现终端设备和网络供货商之间的互操作性,并延长 LoRaWAN 设备的产品生命周期。另为强化安全性,多播协议还制定将加密密钥安全传送到终端设备的方法,并描述密钥交换的安全含义,而碎片亦有专门用于文件完整性和身份验证的建议方案。
 

图3:LoRa 技术结合 Wi-Fi 和蜂窝网络之长,提供高效、灵活和经济的连接,为人工智能和机器学习提供多样化的数据
资料来源:Semtech;
https://www.semtech.com/lora/why-lora
 
顺带一提,掌握核心技术的通信半导体大厂 Semtech,去年底首度开放 LoRa IP 给中国大陆制作芯片/模块,对整体产业市占是否具拉抬效应?值得关注。至于 2009 年就开始布局、采用 Sub-1GHz 频段的 Sigfox,传输速率最低、仅 100 bps,但相对的,传输距离最长是其优点:市区约 3~10 公里、郊区可达 30~50 公里,适合大范围、传输量极低的应用 (每个装置一天最多只能传送 140 则信息、每则信息最大容量为 12bytes);更让人心动的是,通信费用低廉且不会产生漫游费用——全球以每月 1 美元为基准,台湾月租费区间落在新台币 2~22 元。
 
精品业者 LV 就与 Sigfox 合作开发"Louis Vuitton Echo 行李箱追踪"方案,在机场提供地理定位服务,让旅客无需漫游即可追踪自己的行李以免遗失;且内置飞航模式,不会在飞行期间传输任何数据、不必担心飞安问题。阿里巴巴则奠基自有"Link WAN Core 物联网管理平台"与 Sigfox 技术建构智慧物流园区,进行环境监测与智慧车辆等创新实验。截至 2018 年 10 月,已有 50 国展开 Sigfox 布建,今年预计可增至 60 个;法国及美国由创始公司直接涉入部署,其他国家则通过授权经营、布建及维护。
 
LPWAN 技术到位的下一步:产品差异+服务完善
工研院产科所总结各项传输技术最佳卖点:
1.蜂窝式 NB-IoT / LTE-M:较不易受噪声干扰,安全性、服务质量 (传输延迟或丢失) 较佳,且不须借助有线网络及网关就能将数据上传云平台;
●LTE-M 具备跨基地台不断线机制,特别适合语音通话及高速移动;
●NB-IoT 模块成本持续下降 (今年可望降至 5 美元水平,且 R14 NB-IoT 有机会商用),对拓展广大消费市场是利多;
2.非蜂窝式 LoRa / Sigfox 硬件成本低、功耗更小,适合小数据量、大范围传输;
●LoRa 传输带宽较 Sigfox 高,且建设成本和技术门坎低,适合传输封闭场域的感测数据;
●LoRa 可用于私有企业的专有网络自主运营,可掌握物联网数据且根据业务需要扩展网络,自由度较高;
●Sigfox 适用于管线监控、地区气候监测和警报等反应数据化或固定时段传送数据。
 

图4:Sigfox 协议库是抽象层,经由制造商 API 将应用软件连接到无线电芯片组
资料来源:
https://build.sigfox.com/sigfox-library-for-devices
 
简言之,蜂窝 vs. 非蜂窝式 LPWAN 具互补效果,公用网络最终将以 NB-IoT 和 LTE-M 为依归。因应市场不确定性,多元通信模块能降低风险并带来丰富应用,不少厂商以双模块出货,惟验证与互操作性仍有待反复测试考验——Sierra Wireless 发表支持 NB-IoT 与 LTE-M 双模块芯片、高通与中国移动合作启动中国首个 LTE-M / NB-IoT / GSM (LTE Cat M1 / NB1 和 E-GPRS) 多模测试;另 LPWAN 网络漫游将在全球逐渐普及,以确保跨地理区服务不间断。当市场参与者增加后,LPWAN 产品功能需差异化或服务相对完善,才能吸引消费者买单。
(责任编辑:helen)
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