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低功耗广域网在智慧城市中的应用

2019-09-24 15:12编辑:admin人气:


低功耗广域网在智慧城市中的应用

一、各国智慧城市开始发起城市物联网实验计划

城市伴随着经济与科技发展历经多次变革,现今所谈论的智慧城市内涵相较于早期信息城市(Information City)、数字城市(Digital City)及无所不在城市(Ubiquitous City)的概念早已大不相同。今日的智慧城市强调广泛使用信息与通讯技术,感知各种人、事、物数据,并利用无缝的网络传输至云端进行数据分析等,以达到城市永续发展、改善人民生活质量与创造经济发展。然而,城市的智慧化需要倚赖各种物联网技术来协助数据传输,但目前的困扰是多数物联网采用WiFi、Zigbee等短距离传输,但这些技术覆盖范围小且组网复杂度高,不仅需要支付大量网关建设费用,还得负责多台设备维护成本。又或者选择利用传统2G/3G网络来做物联网M2M传输,但也不满足物联网设备低功耗、低成本的要求。

近年来各国智慧城市开始发起城市物联网实验计划,推出适合城市物联网应用的低功耗广域网技术(Low Power Wide Area Network;简称LPWAN),可提供低功耗、长距离、易布建、低成本与高可靠的优化的解决方案,被视为城市物联网不可或缺的通讯技术。2014年英国的米尔顿凯恩斯发起全球第一次基于LPWAN大规模的物联网专属网络,吸引英国电信(BT)、华为、Samsung等大厂加入实验计划。2015年4月瑞士的Swisscom于苏黎世、日内瓦也成功建设LPWAN来寻求最佳能源效率的物联网基础设施。身为亚洲科技重镇的台北也于2016年打造亚太第一个基于LPWAN城市级物联网实验平台,提供新创或开发团队来申请利用,进行连接传感器、创新实验等,加速智慧城市应用的创新。根据GSMA的预测2018年采用LPWAN连网的终端数将达10亿台,2022年则成长至超过50亿台且物联网营运商市场可超过130亿美元,包含:连接费用与附加价值服务(如:系统整合、安全与数据分析等)。

二、新兴低功耗广域网的技术特性与应用

目前新兴低功耗广域网大约可分为两大阵营,其一为采用ISM(Industrial Scientific Medical)的免授权频谱阵营,如:Sigfox(NTT Docomo、SK Telecom、GDF Suez、Air Liquide、Elliott Management等投资)、LoRa联盟(IBM、Semtech、Actility、Cisco等组成)、Weightless(Accenture、ARM等组成)、Wi-Fi HaLow等新生态系统为代表,尤其是Sigfox、LoRa、Weightless等不仅技术已逐步成熟而且不乏国际大厂支持。其二为多数电信运营商拥护的NB-IoT,最大优势是基础设施已经布署完成,大部分的LTE基站可直接支持升级,因此多半电信商、电信设备商因技术平台迁移策略容易而乐于支持该技术,如:AT&T、Vodafone、Deutsche Telekom、Etisalat、华为、中国移动、LG Uplus、Telefonica、Ericsson、Nokia、Qualcomm等。

上述两大阵营瞄准的价值的目标在于打造一个具备长距离、大连结、易布建、超低功耗与低成本的无线网络,而且采用的频段多锁定在Sub-1GHz,例如:LoRa锁定支援频段为150 MHz、433 MHz、850-1GHz,Sigfox锁定支持频段为902 MHz(美国)、868 MHz(欧洲),Weightless锁定支持频段为White Space(700 MHz),IEEE 802.11ah锁定支援频段为900 MHz,Narrowband IoT(简称NB-IoT)锁定3GPP所订定的LTE频段(1GHz以下为主),传输距离则可达5-40公里,主要依据实际场域、建筑物及地形高低起伏等情况而有所差距;根据IBM的建设LoRa经验,曼哈顿下城区(Lower Manhattan)范围约为30平方公里,仅需要7个基地台就可覆盖全区,若是以整个台北市为例,仅需要12个基地台即可达100%覆盖,而且具备大连结的特性使得1个基地台最多可支持上百万个节点,因此相较于传统的短距离传输方案可大幅降低布建成本。

此外,LPWAN亦具备低功耗特性,未来传感器采用此技术后电池寿命可达10年,可节约电源消耗与维护成本,避免需要时常更新设备电池问题,适合长时间使用与大规模布建的城市网络。而且LPWAN网络数据吞吐量(Throughput)通常为几百bit/s或更少,芯片架构主要支持小数据的传输为主,主要诉求转而朝向更简化、更低数据吞吐量、更小内存,因此具备低成本优势,预期Radio芯片成本未来有机会降至2美元以下。上述的特性可打造众多新兴智慧城市应用,列举如下:

(一) 精准式农业服务

德国Deutsche Telekom提出精准式农业物联网服务,将NB-IoT模块嵌入土壤温湿度设备,设备亦结合太阳能板进行照度探测,此物联网设备就可以有效侦测可将农场的土壤、空气的湿度温度、土壤PH值、叶子湿度、农作物成熟状况、太阳面板侦测照明强度等数据,并回传至数据库进行分析,可达到农作物生长的历程全程监控。若是进一步搭配昆虫探测、天气预测、可视化的地图显示、农冻灾害侦测等,亦可以预防虫害、掌握农作物疾病的爆发过程,或是了解季节如何影响农作物生长等应用。

(二) 城市停车管理

法国Actility提供的城市停车管理,主要透过安置大量传感器于停车场进行停车位的状态侦测,再透过LoRa技术传送至云端,如此可掌握城市内所有停车场的空位信息,协助民众享受便利的车位查询服务,缩短不必要的时间浪费,同时政府单位亦可增加停车场管理效率,并增加停车位的利用率。Actility此项服务预计可减少民众35%车位寻找时间,并间接减少40%的二氧化碳排放。

(三)智慧电网服务

ZTE于2016年推出智慧电表系列产品,搭载LoRa技术可以提供长距离、小数据传输应用,有效降低人员抄表所产生的成本,也可避免人工抄表的错误率。更重要的是可以确保实时性的尖离峰用电的数据搜集,掌握城市各区域用电状况进行用电调度,并提供阶梯式计费。除了抄表服务之外,还可以透过远程设备监控,并故障排除服务确保电表正常运作。

三、电信运营商加快建设Cellular基础的 NB-IoT网络

3GPP自2009 Rel-8即开始探讨降低成本,扩大覆盖之MTC (Machine Type Communication)标准,目前发展至Rel-13 NB-IoT。2016年MWC展会中GSMA联合营运商、电信设备商、芯片商、垂直行业企业等成立全球首届NB-IoT Forum。论坛中主旨在于促进营运商与电信设备商合作建立NB-IoT开放实验室,提供开发与测试环境来加速应用创新与市场化进程。目前NB-IoT标准已经获得全球主流营运商的支持:包含:AT&T、Vodafone、Deutsche Telekom、Etisalat、意大利电信、中国移动、中国联通等大厂已开始建实验网,预计2016年全球50家主流运营商将有会一半支持NB-IoT,重点应用包含停车场感测、水表、农业温湿度传感器、宠物追踪等。其中,华为是目前最积极的业者之一,旗下的海思已经推出NB-IoT芯片与模块,模块大小相当于一个铜板大,优势可以满足10万的终端联网上网、10公里的覆盖范围、确保5年以上的电池寿命,且NB-IoT保证数据成功回传率达99%的高可靠度。综上所述IEK认为NB-IoT随着垂直应用市场、智慧城市应用等催化下将可带来设备规模经济、更具成本效益等好处,将可进一步扩大其物联网业务范畴的影响力。

四、结论

新兴低功耗广域网的创新有机会实现真正的智慧城市应用,同时也开启系统整合商、电信商一个创造新服务的成长契机。现阶段市场上解决方案较领先的是采用ISM免授权频谱阵营,例如:LoRa、Sigfox等,由于已有解决方案问世,具备First Mover 优势,预计早期发展应用多属于特定垂直领域的行业应用为主。但ISM的阵营也并非没有缺点,由于众多技术共享相同频段,容易产生干扰与拥塞也意味着服务质量受限,且技术规格尚未统一,使得相对NB-IoT来说,产生全球规模经济相对需要更久时间。

反观NB-IoT虽仍在标准制定阶段,一旦标准定案(预计2016年6月)后,分析电信业者将大举投入。按照过去无线通信技术发展经验,一旦标准定案后2-3年内可能会产生经济规模,对中国供应链有较强带动效果。然平台掌握在大厂手里,中国产业需与国际大厂平台介接,始能在平台上作创意、应用及解决方案的验证。

综上所述,对中国产业来说选择开放阵营且避免被锁进单一厂商行列甚为重要,尤其LPWAN强调低成本模块,中国产业要由硬件创造利润不易,未来LPWAN对中国产业的价值将在于以平台孕育垂直应用解决方案应用整合与验证,同时掌握物联网成功的关键—资料收集与分析。因此建议中国产业可运用开放式平台结合开放场域,推动终端、应用、解决方案业者及电信运营商的协同验证,以催生利基应用整体解决方案,借此不断实践或修正创新应用,协助解决方案走向商业化,或可作为未来NB-IoT物联网应用推动之先期基础。

(来源:未知)

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