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物聯網通訊晶片強化設計 性價比漸趨理想

  • DIGITIMES企劃
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。

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半導體ST的LoRa作法是將MCU與LoRa晶片搭配,讓設計更具彈性化。圖片來源:ST

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。