物聯(lián)網(wǎng)大未來:IoT無線組件技術(shù)與市場趨勢

在數(shù)字化實(shí)體世界中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，市場潛能與商機(jī)龐大。
麥肯錫(MGI)《物聯(lián)網(wǎng)：超越市場炒作價(jià)值(The Internet of Things: Mapping the Value beyond the Hype)》報(bào)告預(yù)估，2025年全球物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)值可望上看11.1兆美元，約占全球經(jīng)濟(jì)的11%，9個主要物聯(lián)網(wǎng)智慧應(yīng)用場景包含工廠、都市公共健康與交通運(yùn)輸、個人健康與健身、零售環(huán)境自動結(jié)賬、工作場所、物流與導(dǎo)航、自駕車領(lǐng)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(lián)網(wǎng)智能應(yīng)用場景及預(yù)估最大產(chǎn)值。(source：MGI 制表：季平)

新冠疫情加速物聯(lián)網(wǎng)落地
TrendForce資深分析師曾伯楷指出，新冠疫情使產(chǎn)業(yè)受到全面性沖擊，促使企業(yè)加速數(shù)字轉(zhuǎn)型步調(diào)，疫后新常態(tài)也會帶動遠(yuǎn)距商機(jī)與終端產(chǎn)品需求。以物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展來說，2021年物聯(lián)網(wǎng)已在數(shù)個主要領(lǐng)域落地成形，如個人醫(yī)療、設(shè)備資安、公共城市及商業(yè)制造等領(lǐng)域，其中又以城市、家庭、制造與醫(yī)療發(fā)展最積極。

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

智慧城市透過IoT、5G等科技整合城市基礎(chǔ)建設(shè)，進(jìn)而賦能健康、農(nóng)業(yè)、能源、建筑、交通等領(lǐng)域，完整資產(chǎn)生命周期模擬和串聯(lián)互動；智慧家庭持續(xù)以家庭連網(wǎng)設(shè)備及平臺為發(fā)展核心，發(fā)揮智慧化、生態(tài)系與便利性等效益，并以語音及邊緣AI為主要賦能技術(shù)；智能制造藉由導(dǎo)入自動化、數(shù)字孿生(Digital Twin)、能源管理、預(yù)測性維護(hù)等工具，協(xié)助廠商應(yīng)對多變環(huán)境與疫情所帶來的沖擊；智能醫(yī)療著眼相關(guān)產(chǎn)品性能、臨床安全性與數(shù)據(jù)溯源性等面向，以越趨完善及成熟的產(chǎn)業(yè)環(huán)境和技術(shù)，在后疫情時(shí)代彰顯其價(jià)值，并以感測技術(shù)與AI工具為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心主力。

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

4種常見短距離通訊技術(shù)
短距無線通信技術(shù)中，藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee應(yīng)用最廣泛。Wi-Fi是無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，適用于大量數(shù)據(jù)傳輸，如影音或AR/VR，缺點(diǎn)是耗電量大，傳輸范圍小，因此Wi-Fi聯(lián)盟為更遠(yuǎn)距的無線應(yīng)用開發(fā)IEEE 802.11ah標(biāo)準(zhǔn)，也稱為Wi-Fi HaLow，使用免授權(quán)的900MHz頻段傳輸，與LoRa、Sigfox都被歸類為低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN)技術(shù)。
藍(lán)牙可用于手機(jī)、PDA等行動或穿戴式裝置，以及無線外圍設(shè)備如藍(lán)牙耳機(jī)、藍(lán)牙鍵盤等，聲音應(yīng)用較成熟，采用調(diào)頻技術(shù)，通信頻段為2.402GHz-2.480GHz，緊跟物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，藍(lán)牙4.2隱私功能更強(qiáng)大，傳輸速度更快，智能家庭領(lǐng)域采用Buletooth Smart技術(shù)的藍(lán)牙設(shè)備彼此之間可以不通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)溝通，即便突然斷網(wǎng)沒有Wi-Fi，智慧家庭中的各項(xiàng)設(shè)備仍可以繼續(xù)工作，2016年已推出5.0版，有效范圍最遠(yuǎn)達(dá)300公尺，與藍(lán)牙4.2的1.5MB/s傳輸速度相比，最快能達(dá)到2Mbps。
ZigBee和Z-Wave多應(yīng)用在自動控制領(lǐng)域，其中，ZigBee被標(biāo)準(zhǔn)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(fèi)、免申請的世界通用無線電頻段。Z-Wave采無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，任何節(jié)點(diǎn)都能直接或間接地和通信范圍內(nèi)的其他臨近節(jié)點(diǎn)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(yuǎn)，可靠性高，但目前較專注于智慧家庭領(lǐng)域的發(fā)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(shù)
若將傳統(tǒng)行動通訊技術(shù)(2G/3G/4G)運(yùn)用于物聯(lián)網(wǎng)，存在功耗大、成本高等缺點(diǎn)，因此，低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)技術(shù)逐漸受到重視。IHS Markit報(bào)告指出，NB-IoT及LoRa是LPWAN中市占最高的物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)，預(yù)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(yōu)勢，用戶許可證頻段(Licensed Band)，因此在網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量、數(shù)據(jù)安全方面都具有保障，加上可直接利用現(xiàn)有LTE站臺為基礎(chǔ)，透過In-band方式升級為NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，因此深受Vodafone、Deutsche Telekom、中國移動、中國聯(lián)通等電信商青睞，逐漸成為LPWAN主流技術(shù)，物來也將大量運(yùn)用于5G場景，IHS預(yù)估NB-IoT 于2023年連接數(shù)將成長至7億3,980萬，2018至2023年復(fù)合成長率達(dá)93.3%。


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

使用非授權(quán)頻段的LPWAN技術(shù)包括Sigfox、LoRa等，進(jìn)入門坎低、搭建容易。LoRa與Sigfox都具有長距離、低功耗特點(diǎn)，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(quán)Sub-1GHz ISM頻段，不需額外支付授權(quán)費(fèi)，所以商業(yè)化速度較快。Sigfox是由法國同名公司自行開發(fā)，已在全球網(wǎng)絡(luò)基地部署，能同時(shí)在36個國家使用可連結(jié)網(wǎng)域及設(shè)備。
LoRa傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)20公里，在同樣功耗下比傳統(tǒng)無線射頻通訊距離擴(kuò)大約3-5倍，掌握技術(shù)就能自行架設(shè)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(dá)3-10年。由于LoRa訊號對建物的穿透力強(qiáng)，在高速移動時(shí)通訊比NB-IoT更穩(wěn)定，適用場景包含智能農(nóng)業(yè)中的低功耗、低成本傳感器，或者可運(yùn)用于工業(yè)自動化中的電池設(shè)備追蹤監(jiān)控、物流系統(tǒng)的追蹤定位等。不過，LoRa和Sigfox的每日傳輸次數(shù)有限制，所以比較適合使用在無實(shí)時(shí)通訊需求的領(lǐng)域。



 
圖四 : 常見物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)適用場景及優(yōu)缺點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)發(fā)展趨勢
TrendForce資深分析師曾伯楷指出，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)多以感知層、網(wǎng)絡(luò)層、系統(tǒng)層與應(yīng)用層作為架構(gòu)堆棧，受物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備聯(lián)機(jī)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)各異的影響，通訊技術(shù)成為物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中相當(dāng)重要的一環(huán)，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(yùn)用，范圍也從地表拉升至太空，近期衛(wèi)星通訊也漸成物聯(lián)網(wǎng)重要的通訊技術(shù)之一。
短距離通訊及長距離通訊各有優(yōu)劣勢。常見的長距通訊多為低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)(LPWAN)，藉低成本、遠(yuǎn)距離、低功耗等通訊特性，在物聯(lián)網(wǎng)諸多應(yīng)用場景中成為最適切的通訊技術(shù)之一。短距離通訊則以智能家庭或封閉場域的聯(lián)機(jī)為主，包括行之有年的Wi-Fi、藍(lán)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(zhàn)在于各技術(shù)皆能重迭應(yīng)用的垂直領(lǐng)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(biāo)準(zhǔn)制定話語權(quán)的角力，進(jìn)一步延伸為聯(lián)盟、生態(tài)圈等如何壯大，以吸引更多軟硬件開發(fā)商采用?！?br/>
新議題及業(yè)內(nèi)動態(tài)
曾伯楷觀察近期市場較為關(guān)注的物聯(lián)網(wǎng)議題，短距通訊以Wi-Fi 6、低功耗藍(lán)牙、UWB等技術(shù)為主，其中，Wi-Fi聯(lián)盟于2021年發(fā)布Wi-Fi 6E認(rèn)證計(jì)劃，相較現(xiàn)行Wi-Fi 6優(yōu)勢在于支持6GHz，擴(kuò)增至少1,200MHz帶寬。高階Wi-Fi 6E產(chǎn)品須符合OFDMA、TWT、MU-MIMO等八大特性，也須要符合WFA才能獲得認(rèn)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(shù)未來有望用于IoT。
至于在藍(lán)牙方面，推估2021-2025年低功耗藍(lán)牙設(shè)備出貨量將成長3倍，曾伯楷相當(dāng)看好資產(chǎn)追蹤與智慧照明領(lǐng)域的發(fā)展。另一個觀察指標(biāo)是，伴隨全球?qū)】底h題的關(guān)注提升，使穿戴設(shè)備需求增長，而且全球都在關(guān)注安全復(fù)工解決方案，因此，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟預(yù)計(jì)大幅增加對藍(lán)牙RTLS的布署。
至于藍(lán)牙智慧家庭的發(fā)展也相當(dāng)好，如阿里巴巴、小米均以藍(lán)牙為智慧家庭布局，關(guān)注智慧家電、智慧照明兩大領(lǐng)域，主要著眼于可藉Mesh互聯(lián)照明降低逾70%的能源成本。
長距通訊(LPWAN)發(fā)展方面，曾伯楷認(rèn)為，LPWAN具有低成本、遠(yuǎn)距離、低功耗等通訊特性，即便流量小且延遲較長，在物聯(lián)網(wǎng)諸多應(yīng)用場景中仍是最適切的通訊技術(shù)之一，諸多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備大宗多是以此技術(shù)為主流，綜合考慮政策力道、聯(lián)盟與生態(tài)圈、部署區(qū)域、鏈接數(shù)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等要素，現(xiàn)行市場頗有公領(lǐng)域重NB-IoT、私領(lǐng)域以LoRa為首選、重迭領(lǐng)域則兩者可并行的氛圍。
至于在物聯(lián)網(wǎng)垂直應(yīng)用領(lǐng)域上，資產(chǎn)追蹤與供應(yīng)鏈管理解決方案是持續(xù)快速成長的市場，2021年NB-IoT新增支持國家與地區(qū)以歐陸為主，主要瞄準(zhǔn)跨境商機(jī)和漫游應(yīng)用，德國電信也擴(kuò)大將NB-IoT漫游服務(wù)擴(kuò)及到20個國家，各家業(yè)者著眼的應(yīng)用范疇包括物流追蹤、海運(yùn)監(jiān)控等，或者是由制造商根據(jù)需求直接為設(shè)備嵌入跨國網(wǎng)絡(luò)切換與連接功能。
與此同時(shí)，LoRa聯(lián)盟同樣在2021年初積極強(qiáng)化技術(shù)與營運(yùn)商的國際漫游可行性與參與度，包括發(fā)起Connect EU計(jì)劃支持并鼓勵LoRa聯(lián)盟成員間的合作，更新技術(shù)規(guī)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(wèi)星使用LoRa漫游功能，同時(shí)聚焦于支持跨國客戶的移動，以及固定資產(chǎn)在物流和追蹤方面的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)全球追蹤或內(nèi)陸最后一哩路的配送。

結(jié)語
即將邁入5G，通訊技術(shù)需求朝更大帶寬、更高速率、更低延遲發(fā)展，由于數(shù)據(jù)傳輸較為密集、交換量更大，當(dāng)然更耗電，因此LPWAN小數(shù)據(jù)量、長距離傳輸及省電特性，近年來在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域中確實(shí)進(jìn)展快速，但是任何物聯(lián)網(wǎng)無線組件技術(shù)都有優(yōu)缺點(diǎn)及適合的應(yīng)用場景，如智能家庭網(wǎng)關(guān)多會容納1-3種通訊技術(shù)（如Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee等）。
不論短距離或長距離無線通信技術(shù)未來都可以獨(dú)立、互補(bǔ)或共存，視終端需求挑選最適合的技術(shù)，唯有選擇適合的軟件服務(wù)，才能掌握物聯(lián)網(wǎng)龐大的應(yīng)用商機(jī)。