市场需求稳步浮现NB-IoT元年引爆物联网趋势

NB-IoT的价值在于覆盖范围广、功耗小、成本低、连接数量多,且使用授权频段,可加在现有的2G/3G/LTE蜂巢式网路上,能满足大部分的物联网使用情境,举凡智慧城市、车联网、智慧医疗、远距医疗照护等,都有高度发展潜力。
随着2017年12月3GPP组织正式发布R14版本,NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)也宣告在2018正式开启商业模式,并可以预期有蓬勃的商业发展。回顾过去各个世代行动通讯的发展,2G(第二代行动通讯)提供了行动语音通话服务,3G(第三代行动通讯)提供了行动通讯上网服务,4G(第四代行动通讯)提供了行动影音串流服务,每一代行动通讯技术的演进都替我们的生活带来改变,并提高了资讯传递与取得的便利性。 

在现行的4G服务之下,人们可以很方便的取得所有在网路上可以传递的资料,随之而来的需求就是更多更丰富的网路资料,现今各界关注投入的IoT(Internet of Things)万物联网的商机便是因应这个需求而产生。 

NB-IoT落实物联网商业应用

在3GPP R14正式发表NB-IoT之前,针对行动通讯网路在IoT的支援已有R12的LTE Cat.0以及R13的LTE Cat.M1,这两者皆提供上下行1Mbps传输速率,唯Cat.0支援频宽20MHz,而Cat.M1支援频宽1.4MHz,很显然在技术规格上有别于过去R8的Cat.1(Downlink 10Mbps/Uplink 5Mbps,频宽20MHz)以及Cat.4(Downlink 150Mbps/Uplink 50Mbps ,频宽20MHz)提供较快且强调下行传输速率的服务。 

Cat.0以及Cat.M1提供较低但是上下行对等的传输速度,甚至较窄的传输频宽,这般具体的规格符合实际上物联网应用需求,更反映出较低的晶片成本,让过去价格高居不下的行动通讯系统,落实于物联网商业应用的机会大幅提升。 

如前所述,从Cat.4、Cat.1、Cat.0到Cat.M1的发展演进正是因应了IoT的实际使用情境。在万物联网的终端设备上,主要功能是资料上传;而不同于行动通讯装置需要较快速的下行速度且对于上行速度需求较低。同时,大部分物联网终端设备需要上传的资料量低,需求的上行传输速度甚至可能低至每秒数十位元,并对于资料传输延迟(Latency)容忍度高,即使资料传递延迟数秒也不影响伺服器端大数据收集。 

R14的NB-IoT便是因应上述大部分物联网终端设备的使用情境而产生的规格。支援60kbps上行传输、20kbps下行传输以及讯号频宽200kHz,完全针对实际传递资料量需求而量身订做的规格,且根据此规格,除了射频收发晶片的成本与市场预期价格可以达到最佳平衡之外,传输低资料量内容仅需极短且非连续的射频发送时槽,这意味着NB-IoT技术能符合低功耗的省电需求,成功克服行动通讯协定应用及物联网市场的二大关键挑战之一。 

上述提到NB-IoT是因应大部分物联网使用情境而制定出的规格,强调低传输速率、低功耗,此外也有部分物联网应用需要使用其他类别的行动通讯协定。例如移动设备与基地台通讯须克服移动中基地台转换(Hand-over)造成的资料中断,需要较宽的传输频宽让资料传输的封包同时含入足够的容错码,因此较适合使用LTE Cat .M1。 

 

图1 各类行动通讯技术应用区隔
资料来源:研华科技 若是物联网终端设备需要上传大量的资料,如高解析度的连续影像,则须选择Cat.1甚至Cat.4,端看资料量大小决定。又若上传的资料量大且有即时(Real-Time)需求,例如同步医疗等应用场景,3GPP预计在2018下旬公布的第五代行动通讯(5G)改善了延迟时间,将可作为此类应用的解决方案。上述应用场景区隔对应各技术协定,请参考图1。 

2020年席卷物联网市场商机

NB-IoT的价值在于覆盖范围广、低功耗(支援5~10年不必更换电池)、低成本、连接数量多,且使用授权频段,可加在现有的2G/3G/LTE蜂巢式网路上,目前已被Vodafone、中国移动、中国电信、中国联通等大营运商所采纳,并已有华为、高通、英特尔、中兴微等产业链上游厂商提供晶片与模组解决方案。 

虽然NB-IoT是一个新标准的技术,并受到Sigfox和LoRa的先行及低价竞争压力,但是从晶片、模组、终端、运营商、应用等面向来对比,NB-IoT的产业链市场集中度高,且目前有许多通讯产业巨头力挺,NB-IoT也借此优势吸引了主流营运商、设备商及关注低功耗联网应用相关厂商的目光跟高度期待,许多分析也看好NB-IoT在长期发展将具有相对优势。 

但在NB-IoT广大需求引爆前,须先克服的是晶片和模组的成本,否则短期内较难以跟其他LPWAN解决方案竞争。此外,在网路部署和优化方面,亦须考虑布建时间和成本;根据估计,85%的基地台要能支持NB-IoT,只需进行软体的升级,但对部分网路营运商而言,则需对基地台硬体进行升级,这将导致NB-IoT网路建设的成本增加。 

而在进行网路部署时也面临着各种挑战,尤其是复杂、恶劣的环境因素对于网路覆盖、讯号传递的干扰和衰减,需要采用各种优化工具调整,提高网路连线品质。不过,这些前期资源的投入都是为了将​​来因应物联网所衍生的巨大商机,据相关调查,到2020年M2M装置数量将达到70亿个。 

着眼未来,NB-IoT的应用场景将可能涵盖智慧电表、智慧水表、智慧路灯、智慧交通、智慧环境、智慧锁、智慧灯、智慧插座、消费电子、物品追踪、工业自动控制、农业监测、安防监控与零售医疗等。NB-IoT在推动过程中要解决进入各行业门槛并不容易。同时,为了建立NB-IoT商业模式,如何加快建立合作伙伴生态圈,解决互通性、相容性和一致性问题也是极大考验。 

因应物联网产业生态复杂性及多样性,需要从垂直产业链和不同技术标准等多个环节一起努力来形成NB-IoT生态系统。因此对于NB-IoT相关低功耗广域网路及新应用,若能够有更多跨领域的应用加入并形成更多元更完整的产业生态系统,将更有利于NB-IoT的落地及普及。 

总而言之,影响NB-IoT普及度的因素,除了营运商NB-IoT网路布建及推广速度以外,主要会落在营运商商业模式的改变。NB-IoT终端应用设备产生的资料流量极少,且对成本的敏感度高,因此在物联网时代,尤其是蜂巢式低功耗广域网路,如果仅作为资料管道,会使运营商虽然有终端联网设备的数量增加,但是具体营收数字成长的期望值可能不高。 

跟其他LPWAN无线技术相较之下,2015年3月LoRa Alliance成立,而NB-IoT在3GPP标准化后于2017年下旬才逐渐推广开来,产业链和市场成熟度相对落后,但是NB-IoT结合的应用正逐渐展开。NB-IoT服务模式与应用异于以往,营运商从网路服务,逐渐朝向分析平台与服务方案,伴随着推广NB-IoT生态圈,改变了营运商在物联网价值链中的角色,以营运商来说,必须引进新的商业模式,来因应万物联网的演进。长期来看势必增加云端应用、资料存取、资料保存、资料安全乃至数据分析或结合AI提供不同应用等更完整的解决方案,才比较有机会增加新的商机。 

全面发展各式应用

综观全球市场,目前中国、亚洲及欧洲的营运商已经陆续推出NB-IoT的网路服务,多数的电信业者NB-IoT布建的频段在800MHz及900MHz等sub-GHz频段,或是利用已经商用的LTE网路1,800MHz透过软体升级快速布建NB-IoT网路,降低架设接入网设备的困难,也一并带动物联网的普及。 

而原先电信业者的营运模式也从以往的行动设备网路服务,尝试透过平台整合NB-IoT生态圈,透过建构NB-IoT实验室,来加速NB-IoT产品与应用服务开发,逐渐转往云端大数据平台移动(例如德国电信的Cloud of Things),强化营运商在物联网价值链中的角色。 

解决了LPWAN接入网的布建问题,透过物联网PaaS平台及NB-IoT M2M模组应用开发,带动与智慧城市、智慧农业、环境侦测、车辆/基础建设监控、智慧停车、智慧路灯、智慧读表以及最近很热门的共享单车等相关应用的普及。随着NB-IoT的晶片缩小及低功耗特性,其应用将会出现在穿戴式装置、老人小孩的追踪装置或畜牧业的牲畜监控上,透过营运商的推广,2018年是NB-IoT的元年,也是迈入物联网蓬勃发展的一年。 

以中国为例,在政策推动下发展NB-IoT商用速度最快,智慧城市中的水电瓦斯读表应用最为广泛,主要由各区域单位推广,例如:福州自来水公司于2018年前将分批采购30万个NB-IoT智慧水表,以及中国电信于深圳提供6,000户智慧瓦斯表服务,每次传输12个数据封包,包含用量、警报纪录、抄表纪录等。 

智慧汽车透过NB-IoT模组传递车辆使用状态、追踪或是车队管理等,提供车辆数据采集、车辆服务救援或是车队管理等服务,保险业者更可透过大数据分析,依照驾驶人驾车行为判断给予对应适当的保费,与过往以年纪与性别一概而论的区分不同。 

此外,过去智慧家庭都是以常见的Wi-Fi、Bluetooth或是ZigBee的无线技术为基础,而在中国,海尔基于NB-IoT技术提供NB-UHomeKit开源应用解决方案,提供给产业使用为主轴导入到智慧家电、智慧社区等,实现智慧家电和家居设计应用的解决方案和协议标准。 

其他如在医疗上的应用,远端医疗中的健康管理主要利用常见的Wi-Fi、Bluetooth等无线技术,传送智慧血压仪、血糖仪等医疗健康设备的检测资料,并上传到健康管理平台,医生透过即时监测使用者的健康资料并提供高血压、糖尿病等慢性病管理、运动健康管理、健康指导、随诊随访等系列服务。 

透过NB-IoT与医疗健康设备的结合,无须连结Wi-Fi设备并改善功耗,延长穿戴式装置的使用时间,透过NB-IoT专网传输资料,具备更好的安全性和可靠性,不会因为透过Wi-Fi无线传递导致个人隐私资料的泄露。远端医疗的解决方案中,可以利用这些资料建立个性化的健康管理模型和慢性病管理模型,为每个人提供客制化的健康管理服务。 

以研华科技的NB-IoT解决方案为例,WISE-1570为采用M2.COM标准的物联网感测节点(IoT Sensor Node),整合Arm Cortex M4微处理器及符合3GPP Release 14的NB-IoT无线技术,提供各类型感测器需要搭配使用的脚位,例如:UART、I2C、SPI、GPIO、PWM与ADC等,另外也与Arm合作Mbed Cloud Service,让系统整合商缩短物联网从应用到云端的开发时程,让NB-IoT在智慧城市、智慧农业、环境侦测、车辆/基础建设监控、智慧停车、智慧路灯、智慧读表以及最近很热门的共享单车应用加速普及。 

综合上述,适用NB-IoT的固定点、低传输量、低功耗物联网终端设备,能满足大部分的物联网使用情境,换句话说NB-IoT的解决方案也将满足大部分的物联网终端需求。随着NB-IoT的商业化,2018预期将达到普及,相应而生的硬体搭配应用会是感测器模组配合NB-IoT模组的组合产品,在导入公营企业的整合过程。 

垂直整合商须能同时提供包含实体层硬体及韧体支援、无线通讯系统整合服务以及云端应用伺服器,并能配合客户应用情境,提供大数据分析模型配合验证确保资料安全性,后续更多的物联网应用情境,举凡智慧城市、车联网、智慧医疗、远距医疗照护等,仅需选用不同的实体层硬体及韧体,便能套用同样的垂直整合流程经验,快速的复制商业模式。 


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