物聯網機器對機器(M2M)熱度狂飆，背後所應用的通訊聯網技術種類繁多，其中包含授權與非授權頻段聯網技術；本文逐一探討物聯網M2M市場、聯網標準與產品設計，期能協助開發商做出更好、更有價值的商業決策。
5G和低功耗廣域網路(LPWAN)聯網技術的發展，有助於物聯網M2M通訊連接，並加速物聯網平台及服務的推陳出新，其中LPWAN技術具備的低功耗、大範圍連接的特色，促使各種物聯網應用領域急速起飛，帶動包含智慧城市、智慧建築與智慧工廠等應用發展。
授權v.s非授權頻段
授權頻段聯網技術指的就是蜂巢式網路，其標準由3GPP制定，相關技術包含3G、4G、5G，以及針對LPWAN所制定的NB-IoT和eMTC聯網技術；另一方面，非授權頻段也就是採取不須額外收費的頻段進行傳輸的標準，例如LoRa、SigFox等聯網技術(表1)。以市場分布來看，中國大陸地區非常積極推動NB-IoT的發展，同時也有部分地區採用LoRa標準；相對而言，SigFox則較多應用於歐洲、澳洲與南美地區。
芯訊通(SIMCom)技術總監孔凡兵(圖1)分析，通常傳統電信商或手機商大多數採用NB-IoT或eMTC技術作為物聯網應用的基礎。究其原因，從網路層面來看，因應手機通訊的需求，蜂巢式網路相關的基礎設施已全面布建，而NB-IoT與eMTC即可基於現有的網路架構進行變更，進而降低成本。此外，從產品角度出發，作為一個跨全球通訊的網路產品，若無完善的規範及標準支撐，將難以通用於全球市場。反之，LoRa與SigFox採用非授權頻段，雖然無須支付頻譜費用，但在聯網通訊品質的保障也較缺乏。
圖1 芯訊通技術總監孔凡兵表示，在網路覆蓋率與基礎建設成本的考量下，傳統電信商大多選用NB-IoT技術。
事實上，NB-IoT標準真正確立的時間在2017年7月，實際上標準制定完成與運行的時間不長，開發商與NB-IoT發展可說是同步成長。然而，一項技術在產品化過程中，肯定會在實際運作的過程中遇到一些挑戰與問題。舉例來說，NB-IoT一直以來受到質疑之處，在於NB-IoT無法提供漫遊功能。不過隨著R14標準相關晶片的支援，漫遊問題將獲得改善，預期也將帶動更多商用化表現。
整體而言，物聯網M2M的設計上，開發商通常會從網路分布、產品續航力與後續維護等問題思考選用的聯網標準。物聯網產業來看，NB-IoT不僅滿足低速率傳輸，同時還滿足電信商與開發商在意的設備成本問題；再者，因應下一代聯網需求，台灣資通產業標準協會(TAICS)國際事務處處長顏嘉邦(圖2)表示，3GPP將持續針對NB-IoT與5G研擬標準，迎合更多元的應用服務場景。值得一提的是，未來在R16的NR制定中，將不會出現LPWA相關的解決方案，LPWA技術將持續聚焦於升級eMTC(LTE-M)與NB-IoT，這也意味著NB-IoT技術相對穩定，開發商可更加聚焦於產品化與商用化發展。
圖2 台灣資通產業標準協會國際事務處處長顏嘉邦指出，未來3GPP在R16版本，將不會出現新的LPWA技術。
根據Navigant Research研究報告指出，2017年全球智慧路燈市場價值將達到6.1億美元，並有望於2026年增長到69億美元。市場份額預計將從2017年的2%增長到2026年的20%左右。
孔凡兵以大陸M2M市場作為分析案例。他表示，智慧路燈是NB-IoT第一個大量落地的項目，主要原因是過去的蜂巢式網路技術已經沒辦法滿足M2M裝置數量的需求，若採用4G模組，單價比起2G模組將高出很多，因此在衡量營運成本與網路容量兩項指標後，開發商進而選用NB-IoT作為主要通訊基礎。
揮軍物聯網M2M市場 掌握六大關鍵要素
在整體物聯網市場來看，根據思科(Cisco)預測，2021年將有33億台M2M裝置部署於全球，相比於2018年裝置數量增加15億。u-blox商業開發主任廖容嫺(圖3)認為，要掌握物聯網M2M的商機，就須從六個面向思考，包含關鍵元件的選用、高整合度的產品、低風險與高可靠性、高性價比、通路與供應商的合作關係，以及提供好的售後服務品質。
圖3 u-blox商業開發主任廖容嫺認為，物聯網市場須要集結整個物聯網生態系的力量，才能贏得物聯網這片藍海市場。
廖容嫺談到，一個物聯網裝置內，裡面就可能包含了通訊、感測器、GPS、微處理器(MCU)等元件，當開發商在選擇的十字路口上，如何選擇符合需求的關鍵元件，是產品製作前一項非常重要的影響因素。
此外，物聯網市場商機當前，開發商如何擺脫競爭者，率先插旗物聯網應用市場贏得第一桶金，產品快速導入市場是決定性因素，然而物聯網產品要通過認證，通常須要長達半年以上的時間，因此如何在半年內降低產品風險度，並提升可靠度，慎選合作夥伴將是重要指標，無論是系統廠商或製造商的配合，將成為關鍵。
最後，在成本考量上來看，聯網裝置除了產品本身的硬體費用之外，還包含了電信費與事後的產品維修費用，故需在人工、時間與硬體成本上取得平衡，才能達到最高的性價比。廖容嫺強調，物聯網商機是一個完整的物聯網生態系攜手合作出來的成果，無論在元件、產品生產到通路與平台等層面，皆是環環相扣缺一不可。
NB-IoT省電測試小撇步
另一方面，為了協助開發商快速打造M2M模組，本文將以目前市場普及率較高的LPWAN通訊技術NB-IoT做為量測分析的例子。
是德科技(Keysight)資深應用工程師梁晉源(圖4)提到，傳統的行動通訊技術，主要是為了人類通訊設計而成；但隨物聯網興起起，通訊不僅為了提供人聯網技術，同時也須滿足物與物之間的溝通，因此聯網技術在設計的思維必需有所調整。
圖4 是德科技資深應用工程師 梁晉源表示，NB-IoT主要是透過PSM與eDRX機制達到極為省電的效果。
以蜂巢式網路技術來說，從LTE聯網轉型到NB-IoT首重的關鍵要素，在於聯網技術需要容納更多裝置，並提供更大的覆蓋範圍，而裝置本身則需要較長的電池生命周期，單一裝置至少要提供超過10年的電池續航力，同時還需具備上下相容的聯網機制。
以省電的角度來看，梁晉源表示，NB-IoT主要是透過節電模式(PSM)與eDRX達到省電。通常要做到省電的極致就是接進入飛航模式關閉RF，但是基本上使用者不太會開啟飛航模式，因此在NB-IoT標準內，就增添了一個PSM機制。
梁晉源談到，PSM是過去LTE標準沒有支援的一項新技術，該模式的運作模式是當裝置連線時，一開始會先進入Connected Mode，當裝置使用一段時間後，RF開始時間不需要太長時，就會進入到Idle Mode，最後再進入到PSM Mode直接關閉RF達到最省電的效果。此外，在模式轉換的過程中，會有兩個計時器(T3324、T3412)計算時間切換模式。
實際測量裝置耗電量，就會出現在Connected Mode時，硬體耗電最高，而後轉換成Idle Mode就會有一個周期起伏模式，偵測是否有工作需求，待真正進入PSM Mode時，就是最省電的時候。