物聯網通訊晶片強化設計 性價比漸趨理想

LPWAN系統的感測網路覆蓋面積廣，因此所應用的通訊技術必須具備可靠與低功耗特色，目前LoRa與NB-IoT是其中兩大指標性技術。圖片來源：NETOP

隨著技術突破與應用的不斷浮現，物聯網的產值越來越大，根據研究機構IDC的報告指出，2018年全球物聯網支出金額預估將年增14.6%至7,725億美元、2020年料將突破1兆美元整數關卡，2021年進一步升至1.1兆美元。

由於物聯網的應用廣泛，各領域所需的通訊技術也不盡相同，近年來就陸續有不同標準被制定出來，這些不同類型的通訊標準，也開啟了通訊晶片的新紀元。

物聯網可粗分為感測、通訊、雲端、應用等4層，第一層的感測網路負責擷取現場端的數據，並將之往上傳輸到後端平台進行儲存、運算與分析，由於上層雲端平台的運算精準性取決於足量數據，因此第1層感測網路的感測節點數量必須盡可能廣佈，以累積出大量數據。

但大量設置的感測節點需要將測得的數據往上傳送，這就對系統的通訊設計帶來難題。在過去物聯網未出現前，各類型系統的通訊設計相對簡單，就其技術發展來看，通訊分為有線與無線，若有穩定度要求，大多會採用有線方式，不過佈建範圍廣泛的感測網路，不只佈線不易，纜線的成本也過高，因此無線通訊會是最佳應用技術。

目前的無線技術也分為長、中、短距離等3種，長距離為2G、3G、4G，中距離為WLAN的Wi-Fi、短距離則是藍牙，這3種技術中，長距離通訊技術需要付費給電信營運商，若採用此技術，系統營運商必須將通訊成本納入。

中短距離兩種技術雖是免費，不過覆蓋範圍小，無法應用於在廣域物聯網系統中，在此狀況下，近年來有組織紛紛提出LPWAN(Low-Power Wide-Area Network；低功耗廣域網路)的各種標準，包括位於免授權頻譜的LoRa、SigFox與須授權頻譜的技術的NB-IoT、eMTC，而這兩大類標準，目前也都已有晶片廠商推出相關產品。

LoRa部分，目前主要應用目標為水、電、瓦斯等智慧錶類或建築物內的煙霧感測器等，這些領域中的設備體積不大，因此通訊晶片也必須同步縮小，另外LPWAN的主訴求是低功耗，目前LoRa的通訊晶片功耗大多在10mA以下，不過現在已有廠商將之降5mA以下。

在傳輸距離方面，其傳輸範圍會受環境因素，一般設有室外閘道器的都市環境，其覆蓋範圍大約在2？3公里，農村可達5？7公里，另外LoRa的傳輸範圍也與射頻的直視性視距(Line-of-Sight；LOS)有關，在屋頂或山頂等高處，其傳輸範圍就可最大化，其他如天線增益也會影響傳輸範圍。

另外如果要增加中、短距離的無線涵蓋範圍，且有大量的收發訊號裝置需求，則可加入展頻因子SF5(Separating Factor 5)，提升LoRa的傳輸速率，並同時增加閘道器的支援裝置數量。

雖同為免授權頻段，不過Sigfox與LoRa的做法不同，LoRa的開放性雖然較佳，不過底層技術必須由推動LoRa的晶片公司提供，另外再加上1組MCU才是完整的通訊模組，Sigfox則有相對簡單的通訊協定，使用方式上也較為單純。

目前市場上的Sigfox晶片做法有2種，第1種是將Sigfox晶片與MCU搭配的模組式解決方案，這種做法可讓工程師自行選擇適於應用的MCU，在設計上更具高彈性，且不必被單一廠商綁訂，缺點則是體積較大，且成本較高。

第2種則是系統單晶片，系統廠商不必在通訊模組上投入太多研發時間，只要針對不同應用設計PCB版，就可滿足客戶需求，大幅降低產品上市時間，此外SoC的成本和體積也都較MCU＋晶片的組合更佳，至於缺點部分，系統單晶片的做法除了缺乏彈性外，也會有除錯(Debug)方面的困擾，一旦晶片有程式錯誤，會難以釐清錯誤所在。

在須授權頻譜的技術部分，eMTC又稱為LTE Cat M1或者LTE-M，支援頻段從450MHz到3.5GHz，頻寬要求為1.4MHz，NB-IoT也是部署在450MHz到3.5GHz，頻寬為180KHz，支援從2G/3G/4G網路透過軟體升級的方式。

由於這兩個技術的頻段相同，技術也相似，因此被視為可互補的技術，目前多家晶片設計廠商也都推出雙模或多模的產品，例如Qualcomm推出的MDM9206，就可支援eMTC/NB-IoT/GSM。

將晶片設計為NB-IoT與eMTC的雙模做法有幾個好處，首先是可易於整合到電信營運商所提供的端到端物聯網平台，享受電信商與其合作夥伴的的技術支援，此外在全球化時代中，電信商都會提供全球無縫的漫遊與無線上網，雙模晶片的手機將可充分利用電信商的完整服務，第2個優勢是NB-I0T與eMTC都強調低功耗，對行動設備的電源管理有其優勢。

第3是成本優勢，2017年大陸華為所提提供的單頻單模NB-IoT晶片報價約為10美元，而高通的NB-IoT、eMTC多模模組批量價格在11元左右，再加上電信商的補貼，未來裝置成本還會進一步下降。

第4是雙模方式可將可同時滿足室內無死角與戶外大區域的覆蓋需求，最後則是NB-IoT與eMTC都支援非IP數據傳輸，適合嵌入式物聯網設備的少量傳輸，向是這兩者都支援以用戶資料報協定(UDP)協定的CoAP與TCP協定的MQTT。

相較於其他LPWAN標準，NB-IoT的優點在於可與LTE網路解耦，並使用獨立的180KHz頻段，與5G網路做出區隔，而對電信商來說，此頻段取代傳統2G網路中的物聯網應用需求，之後2G頻段資源將可釋放給4G的LTE，大幅提升電信商的頻譜利用效率。

就發展態勢來看，NB-IoT與eMTC都將成為5G網路的一部分，由於這兩者都屬於蜂巢式技術，且兩者可以互補，因此包括多數電信商在建設網路十，都是兩者並進，eMTC的起步雖然較慢，不過其普及速度也不會比NB-IoT慢太多，因此對早期以LPWAN技術進行規劃的企業而言，雙模模組將有利於未來的產品與服務規劃。

觀察目前廠商的產品策略與出貨狀況，可以看出物聯網的應用已經開始落地，不過技術雖以可用於各種領域，但晶片成本仍然是最大問題，以NB-IoT來說，業者認為晶片價格要下降到5美元甚至更低，才有機會達到大規模商用，2018年晶片價格已經降到8美元，預計2019年則有機會降到5美元，在技術成熟與價格下跌的狀況下，物聯網通訊晶片的性價比將再一步攀升，加速應用普及程度。