低功耗廣域網在智慧城市中的應用

一、各國智慧城市開始發起城市物聯網實驗計劃

城市伴随着經濟與科技發展曆經多次變革，現今所談論的智慧城市内涵相較于早期資訊城市（information city）、數字城市（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，感覺各種人、事、物資料，并利用無縫的網絡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采用wifi、zigbee等短距離傳輸，但這些技術覆寫範圍小且組網複雜度高，不僅需要支付大量網關建設費用，還得負責多台裝置維護成本。又或者選擇利用傳統2g／3g網絡來做物聯網m2m傳輸，但也不滿足物聯網裝置低功耗、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劃，推出适合城市物聯網應用的低功耗廣域網技術（low power wide area network；簡稱lpwan），可提供低功耗、長距離、易布建、低成本與高可靠的優化的解決方案，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于lpwan大規模的物聯網專屬網絡，吸引英國電信（bt）、華為、samsung等大廠加入實驗計劃。2015年4月瑞士的swisscom于蘇黎世、日内瓦也成功建設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台北也于2016年打造亞太第一個基于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，進行連接配接傳感器、創新實驗等，加速智慧城市應用的創新。根據gsma的預測2018年采用lpwan連網的終端數将達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：連接配接費用與附加價值服務（如：系統整合、安全與資料分析等）。

二、新興低功耗廣域網的技術特性與應用

目前新興低功耗廣域網大約可分為兩大陣營，其一為采用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等新生态系統為代表，尤其是sigfox、lora、weightless等不僅技術已逐漸成熟而且不乏國際大廠支援。其二為多數電信營運商擁護的nb－iot，最大優勢是基礎設施已經布署完成，大部分的lte基站可直接支援更新，是以多半電信商、電信裝置商因技術平台遷移政策容易而樂于支援該技術，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标在于打造一個具備長距離、大連結、易布建、超低功耗與低成本的無線網絡，而且采用的頻段多鎖定在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公裡，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的建設lora經驗，曼哈頓下城區（lower manhattan）範圍約為30平方公裡，僅需要7個基地台就可覆寫全區，若是以整個台北市為例，僅需要12個基地台即可達100％覆寫，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，是以相較于傳統的短距離傳輸方案可大幅降低布建成本。

此外，lpwan亦具備低功耗特性，未來傳感器采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，避免需要時常更新裝置電池問題，适合長時間使用與大規模布建的城市網絡。而且lpwan網絡資料吞吐量（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，是以具備低成本優勢，預期radio晶片成本未來有機會降至2美元以下。上述的特性可打造衆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，将nb－iot子產品嵌入土壤溫濕度裝置，裝置亦結合太陽能闆進行照度探測，此物聯網裝置就可以有效偵測可将農場的土壤、空氣的濕度溫度、土壤ph值、葉子濕度、農作物成熟狀況、太陽面闆偵測照明強度等資料，并回傳至資料庫進行分析，可達到農作物生長的曆程全程監控。若是進一步搭配昆蟲探測、天氣預測、可視化的地圖顯示、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，或是了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，主要透過安置大量傳感器于停車場進行停車位的狀态偵測，再透過lora技術傳送至雲端，如此可掌握城市内所有停車場的空位資訊，協助群眾享受便利的車位查詢服務，縮短不必要的時間浪費，同時政府機關亦可增加停車場管理效率，并增加停車位的使用率。actility此項服務預計可減少群眾35％車位尋找時間，并間接減少40％的二氧化碳排放。

（三）智慧電網服務

zte于2016年推出智慧電表系列産品，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産生的成本，也可避免人工抄表的錯誤率。更重要的是可以確定實時性的尖離峰用電的資料搜集，掌握城市各區域用電狀況進行用電排程，并提供階梯式計費。除了抄表服務之外，還可以透過遠端裝置監控，并故障排除服務確定電表正常運作。

三、電信營運商加快建設cellular基礎的 nb－iot網絡

3gpp自2009 rel－8即開始探讨降低成本，擴大覆寫之mtc （machine type communication）标準，目前發展至rel－13 nb－iot。2016年mwc展會中gsma聯合營運商、電信裝置商、晶片商、垂直行業企業等成立全球首屆nb－iot forum。論壇中主旨在于促進營運商與電信裝置商合作建立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程序。目前nb－iot标準已經獲得全球主流營運商的支援：包含：at＆t、vodafone、deutsche telekom、etisalat、意大利電信、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家主流營運商将有會一半支援nb－iot，重點應用包含停車場感測、水表、農業溫濕度傳感器、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晶片與子產品，子產品大小相當于一個銅闆大，優勢可以滿足10萬的終端聯網上網、10公裡的覆寫範圍、確定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随着垂直應用市場、智慧城市應用等催化下将可帶來裝置規模經濟、更具成本效益等好處，将可進一步擴大其物聯網業務範疇的影響力。

四、結論

新興低功耗廣域網的創新有機會實作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采用ism免授權頻譜陣營，例如：lora、sigfox等，由于已有解決方案問世，具備first mover 優勢，預計早期發展應用多屬于特定垂直領域的行業應用為主。但ism的陣營也并非沒有缺點，由于衆多技術共享相同頻段，容易産生幹擾與擁塞也意味着服務品質受限，且技術規格尚未統一，使得相對nb－iot來說，産生全球規模經濟相對需要更久時間。

反觀nb－iot雖仍在标準制定階段，一旦标準定案（預計2016年6月）後，分析電信業者将大舉投入。按照過去無線通信技術發展經驗，一旦标準定案後2－3年内可能會産生經濟規模，對中國供應鍊有較強帶動效果。然平台掌握在大廠手裡，中國産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，對中國産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強調低成本子產品，中國産業要由硬體創造利潤不易，未來lpwan對中國産業的價值将在于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。是以建議中國産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營運商的協同驗證，以催生利基應用整體解決方案，借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。

本文轉自d1net（轉載）