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          物聯網大未來:IoT無線組件技術與市場趨勢

          2021-12-02

          在數字化實體世界中,技術的應用相當廣泛,市場潛能與商機龐大。
          麥肯錫(MGI)《:超越市場炒作價值(The Internet of Things: Mapping the Value beyond the Hype)》報告預估,2025年全球產值可望上看11.1兆美元,約占全球經濟的11%,9個主要物聯網智慧應用場景包含工廠、都市公共健康與交通運輸、個人健康與健身、零售環境自動結賬、工作場所、物流與導航、自駕車領域、家事自動化及家庭安全,以及辦公室安全及能源。



           
          圖一 : 2025年之前9大物聯網智能應用場景及預估最大產值。(source:MGI 制表:季平)

          新冠疫情加速物聯網落地
          TrendForce資深分析師曾伯楷指出,新冠疫情使產業受到全面性沖擊,促使企業加速數字轉型步調,疫后新常態也會帶動遠距商機與終端產品需求。以物聯網發展來說,2021年物聯網已在數個主要領域落地成形,如個人醫療、設備資安、公共城市及商業制造等領域,其中又以城市、家庭、制造與醫療發展最積極。

           
          圖二 : TrendForce資深分析師曾伯楷。(source:TrendForce)

          智慧城市透過、5G等科技整合城市基礎建設,進而賦能健康、農業、能源、建筑、交通等領域,完整資產生命周期模擬和串聯互動;智慧家庭持續以家庭連網設備及平臺為發展核心,發揮智慧化、生態系與便利性等效益,并以語音及邊緣AI為主要賦能技術;智能制造藉由導入自動化、數字孿生(Digital Twin)、能源管理、預測性維護等工具,協助廠商應對多變環境與疫情所帶來的沖擊;智能醫療著眼相關產品性能、臨床安全性與數據溯源性等面向,以越趨完善及成熟的產業環境和技術,在后疫情時代彰顯其價值,并以感測技術與AI工具為產業發展的核心主力。

          物聯網通訊技術現況
          物聯網的三大主要組件為傳感器、數據儲存器及聯網技術。以物聯網無線通信技術來說,大分短距離通訊及長距離通訊,前者如Zigbee、Wi-Fi、藍牙、Z-wave等通訊技術,后者如LoRa、SigFox、NB-等LPWAN(Low-power Wide-Area Network)低功耗廣域網。
          LPWAN可分為兩類:一是工作于免授權頻譜的LoRa、SigFox等技術,也被稱為非蜂巢式LPWAN,二是工作于授權頻譜下,3GPP(3rd Generation Partnership Project,第三代合作計劃)所支持的2G/3G/4G蜂巢式通訊技術,如EC-GSM、LTE Cat-M1、NB-等,也被稱為蜂巢式LPWAN。不同無線技術對物聯網要求的組網、功耗、通訊距離與安全性各異,因此適用于不同應用場景。

          4種常見短距離通訊技術
          短距無線通信技術中,藍牙、Wi-Fi、ZigBee應用最廣泛。Wi-Fi是無線網絡的基礎,網絡結構簡單,適用于大量數據傳輸,如影音或AR/VR,缺點是耗電量大,傳輸范圍小,因此Wi-Fi聯盟為更遠距的無線應用開發IEEE 802.11ah標準,也稱為Wi-Fi HaLow,使用免授權的900MHz頻段傳輸,與LoRa、Sigfox都被歸類為低功耗廣域網 (LPWAN)技術。
          藍牙可用于手機、PDA等行動或穿戴式裝置,以及無線外圍設備如藍牙耳機、藍牙鍵盤等,聲音應用較成熟,采用調頻技術,通信頻段為2.402GHz-2.480GHz,緊跟物聯網發展,藍牙4.2隱私功能更強大,傳輸速度更快,智能家庭領域采用Buletooth Smart技術的藍牙設備彼此之間可以不通過網絡互聯溝通,即便突然斷網沒有Wi-Fi,智慧家庭中的各項設備仍可以繼續工作,2016年已推出5.0版,有效范圍最遠達300公尺,與藍牙4.2的1.5MB/s傳輸速度相比,最快能達到2Mbps。
          ZigBee和Z-Wave多應用在自動控制領域,其中,ZigBee被標準化為IEEE 802.15.4,有868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2.4GHz-2.4835GHz等三頻段,第三個頻段為免付費、免申請的世界通用無線電頻段。Z-Wave采無線網狀網絡技術,任何節點都能直接或間接地和通信范圍內的其他臨近節點相互通訊,美國工作頻率為908.42MHz、歐洲為868.42MHz。Z-Wave傳輸距離遠,可靠性高,但目前較專注于智慧家庭領域的發展,市占率不如ZigBee,歐美國家使用率較高。

          3種常見長距離通訊技術
          若將傳統行動通訊技術(2G/3G/4G)運用于物聯網,存在功耗大、成本高等缺點,因此,低功耗廣域網(LPWAN)技術逐漸受到重視。IHS Markit報告指出,NB-IoT及LoRa是LPWAN中市占最高的物聯網傳輸技術,預估2023年將有17億臺裝置使用LPWAN。
          NB-IoT是由3GPP所支持,具備多連接、低功耗、低成本及廣覆蓋等優勢,用戶許可證頻段(Licensed Band),因此在網絡傳輸質量、數據安全方面都具有保障,加上可直接利用現有LTE站臺為基礎,透過In-band方式升級為NB-IoT網絡,因此深受Vodafone、Deutsche Telekom、中國移動、中國聯通等電信商青睞,逐漸成為LPWAN主流技術,物來也將大量運用于5G場景,IHS預估NB-IoT 于2023年連接數將成長至7億3,980萬,2018至2023年復合成長率達93.3%。


           
          圖三 : 2018-2023年NB-IoT連接數。(source:IHS 制表:季平)

          使用非授權頻段的LPWAN技術包括Sigfox、LoRa等,進入門坎低、搭建容易。LoRa與Sigfox都具有長距離、低功耗特點,可延長電池壽命,有利大范圍訊息傳輸,由于兩者都使用免授權Sub-1GHz ISM頻段,不需額外支付授權費,所以商業化速度較快。Sigfox是由法國同名公司自行開發,已在全球網絡基地部署,能同時在36個國家使用可連結網域及設備。
          LoRa傳輸距離最遠可達20公里,在同樣功耗下比傳統無線射頻通訊距離擴大約3-5倍,掌握技術就能自行架設基站,彈性更大,終端使用電池或其他能量收集方式供電,電池壽命可達3-10年。由于LoRa訊號對建物的穿透力強,在高速移動時通訊比NB-IoT更穩定,適用場景包含智能農業中的低功耗、低成本傳感器,或者可運用于工業自動化中的電池設備追蹤監控、物流系統的追蹤定位等。不過,LoRa和Sigfox的每日傳輸次數有限制,所以比較適合使用在無實時通訊需求的領域。



           
          圖四 : 常見物聯網通訊技術適用場景及優缺點

          物聯網通訊技術發展趨勢
          TrendForce資深分析師曾伯楷指出,傳統物聯網多以感知層、網絡層、系統層與應用層作為架構堆棧,受物聯網設備聯機技術與標準各異的影響,通訊技術成為物聯網架構中相當重要的一環,從蜂巢式的4G、5G、LTE-M、NB-IoT,到非蜂巢式的LoRa、Sigfox、Wi-Fi、Wi-SUN等,從智慧城市、工廠、家庭乃至零售店面皆被廣泛運用,范圍也從地表拉升至太空,近期衛星通訊也漸成物聯網重要的通訊技術之一。
          短距離通訊及長距離通訊各有優劣勢。常見的長距通訊多為低功耗廣域網技術(LPWAN),藉低成本、遠距離、低功耗等通訊特性,在物聯網諸多應用場景中成為最適切的通訊技術之一。短距離通訊則以智能家庭或封閉場域的聯機為主,包括行之有年的Wi-Fi、藍牙等,成本、功耗較高,傳輸速度快而且流量大。
          基本上,長、短距通訊因場景與需求較為分明,所以采用選擇較為明確,主要挑戰在于各技術皆能重迭應用的垂直領域,有諸多層面會影響廠商抉擇,「成本是最直接的考慮因素,或者是來自于芯片商與標準制定話語權的角力,進一步延伸為聯盟、生態圈等如何壯大,以吸引更多軟硬件開發商采用?!?/span>

          新議題及業內動態
          曾伯楷觀察近期市場較為關注的物聯網議題,短距通訊以Wi-Fi 6、低功耗藍牙、UWB等技術為主,其中,Wi-Fi聯盟于2021年發布Wi-Fi 6E認證計劃,相較現行Wi-Fi 6優勢在于支持6GHz,擴增至少1,200MHz帶寬。高階Wi-Fi 6E產品須符合OFDMA、TWT、MU-MIMO等八大特性,也須要符合WFA才能獲得認證。另一方面,近期有不少廠商想將IEEE 802.11ax用于IoT,主要相中TWT能力,而且僅需2.4GHz頻段與20MHz Channel Bandwidth,由此推估,IEEE 802.11ax技術未來有望用于IoT。
          至于在藍牙方面,推估2021-2025年低功耗藍牙設備出貨量將成長3倍,曾伯楷相當看好資產追蹤與智慧照明領域的發展。另一個觀察指標是,伴隨全球對健康議題的關注提升,使穿戴設備需求增長,而且全球都在關注安全復工解決方案,因此,藍牙技術聯盟預計大幅增加對藍牙RTLS的布署。
          至于藍牙智慧家庭的發展也相當好,如阿里巴巴、小米均以藍牙為智慧家庭布局,關注智慧家電、智慧照明兩大領域,主要著眼于可藉Mesh互聯照明降低逾70%的能源成本。
          長距通訊(LPWAN)發展方面,曾伯楷認為,LPWAN具有低成本、遠距離、低功耗等通訊特性,即便流量小且延遲較長,在物聯網諸多應用場景中仍是最適切的通訊技術之一,諸多物聯網設備大宗多是以此技術為主流,綜合考慮政策力道、聯盟與生態圈、部署區域、鏈接數與產業應用等要素,現行市場頗有公領域重NB-IoT、私領域以LoRa為首選、重迭領域則兩者可并行的氛圍。
          至于在物聯網垂直應用領域上,資產追蹤與供應鏈管理解決方案是持續快速成長的市場,2021年NB-IoT新增支持國家與地區以歐陸為主,主要瞄準跨境商機和漫游應用,德國電信也擴大將NB-IoT漫游服務擴及到20個國家,各家業者著眼的應用范疇包括物流追蹤、海運監控等,或者是由制造商根據需求直接為設備嵌入跨國網絡切換與連接功能。
          與此同時,LoRa聯盟同樣在2021年初積極強化技術與營運商的國際漫游可行性與參與度,包括發起Connect EU計劃支持并鼓勵LoRa聯盟成員間的合作,更新技術規范以簡化漫游對接等,目前全球已有27個國家可直接鏈接或透過Lacuna Space的衛星使用LoRa漫游功能,同時聚焦于支持跨國客戶的移動,以及固定資產在物流和追蹤方面的應用,實現資產全球追蹤或內陸最后一哩路的配送。

          結語
          即將邁入5G,通訊技術需求朝更大帶寬、更高速率、更低延遲發展,由于數據傳輸較為密集、交換量更大,當然更耗電,因此LPWAN小數據量、長距離傳輸及省電特性,近年來在物聯網應用領域中確實進展快速,但是任何物聯網技術都有優缺點及適合的應用場景,如智能家庭網關多會容納1-3種通訊技術(如Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee等)。
          不論短距離或長距離無線通信技術未來都可以獨立、互補或共存,視終端需求挑選最適合的技術,唯有選擇適合的軟件服務,才能掌握物聯網龐大的應用商機。

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