5G的發展推動各種垂直應用領域，以及智慧家庭等區域性聯網應用蓬勃起飛，同時帶動低功耗廣域(LPWA)接取技術、Wi-Fi與藍牙(Bluetooth)等低功耗物聯網通訊發展急速增溫，以滿足多元應用的聯網需求。
5G不僅為行動網路帶來明顯的網路速度提升，同時也為各種垂直應用領域，如智慧城市、工業4.0、智慧醫療等帶來低延遲與大容量的傳輸，成為串聯各種應用的骨幹網路。有了5G的加持，也為既有的LoRa、Sigfox、LTE-M、NB-IoT等低功耗廣域(LPWA)接取技術發展注入新的發展契機。
LPWA是多種可以覆蓋廣闊地理區域和偏遠地點的平價無線網路連線技術，能夠擴充物聯網的覆蓋範圍，並讓智慧技術為公用事業、農業、物流、交通運輸等產業帶來更高的價值。意法半導體(ST)亞太區資深產品行銷經理楊正廉(圖1)談到，若以資料量來看，小於100kbps的應用大多會聚焦於智慧建築、智慧儀表，並以非授權頻段的Sigfox、LoRa技術為主；另一方面，資料量為100kbps以上的傳輸，往往較常用於智慧手表、高價值的物流追蹤、聯網汽車等應用，其主要的聯網技術採用授權頻段的蜂巢式聯網技術，以4G(LTE-M)或NB-IoT通訊技術為首。
圖1 ST亞太區資深產品行銷經理楊正廉表示，MCU整合通訊協定的無線系統晶片，將有效簡化低功耗物聯網設計難度。
簡化低功耗IoT設計難度 無線系統晶片強勢進駐
看好低功耗物聯網帶來的潛在商機，以及市場上對各種聯網設計需求不斷攀升，晶片商開始透過無線系統晶片的設計方式，企圖將MCU搭配更多的無線晶片，為廣大又多樣化的物聯網市場帶來更多的聯網選擇，同時降低聯網技術的設計難度。
舉例來說，STM32WL系列整合意法半導體STM32超低功耗MCU架構，以及支援多種調變方案的Sub-GHz射頻子系統，支援的調製協定包括射頻訊號功率小但接收靈敏度高的LoRa技術，以及Sigfox、無線電表匯流排(wM-Bus)等協定，還有其他專用協定及Sub-GHz標準所用之(G)FSK、(G)MSK和BPSK調製技術。晶片上射頻子系統有兩路可選功率輸出，協助客戶遵守全球各地對免執照頻段無線電的功率限制。
低功耗物聯網電子元件測試要素
普源精電(RIGOL)技術市場經理潘光平(圖2)表示，物聯網標準技術非常多元，除了上述所談各種LPWA協定之外，還包含RFID、NFC、光學標籤(Tag)、藍牙與低能源無線通訊等，在物聯網的世界中，尚未有一套標準化的協定能滿足所有的應用需求。
圖2 RIGOL技術市場經理潘光平指出，克服干擾、功耗、成本、安全問題，同時還要滿足多樣性發展，是目前物聯網設計的首要考量重點。
不過大致可以區分幾項技術上的重點，為多數應用導入前所關注的核心議題。首先在區域性網路應用上，其主要的通訊為光通訊、RF通訊，因布建範圍較廣，對於低成本的要求較高，由此攤提廣域覆蓋所需節點數量的資本支出。其次為低功耗的訴求，RF訊號於功耗設計會有諸多挑戰，包含EMI干擾或通道之間干擾問題；最後為技術門檻的挑戰，聯網技術無論是電壓、電流的控制難度都比以往更高，同時還要滿足安全、多樣性發展，並符合多種不同的標準。
由於技術選擇眾多，應用開發商如何評估、挑選合適的低功耗物聯網技術，同時克服組網、干擾、資安防護、大規模部署等實作挑戰，便成了重要的課題。 潘光平以測試的角度分析談到，從網路通訊系統設計來看，測試的重點為電信基礎設施與物聯網系統的無線連接；嵌入式設備系統的中心控制、數據交換和電源序列管理；感測器與元件連接的光學、無線訊號捕捉，以進行感測器與檢測器的驗證。
潘光平指出，RIGOL作為量測儀器供應商已有20年之久，相較於其他競爭對手，該公司優勢在於自製專有晶片組，支援MSO8000系列擷取和訊號處理系統的2種客製ASIC。另外在前端模擬晶片的方案中，不僅支援4GHz前端頻寬，同時兼具高度整合，從而簡化前端設計。
除此之外，RIGOL主要供應的量測方案包含示波器、頻譜分析儀、RF訊號產生器與資料擷取器等方案；其中，示波器與頻譜分析儀是該公司的主力產品線，支援高階應用並符合產業標準，最高可支援5GHz以上量測，目前也正積極規畫並預計推出支援6GHz的方案。
無線/電力雙模結合 平衡傳輸距離與速度問題
綜合上述談到的無線通訊技術，若提供高速傳輸，容易出現覆蓋範圍不足、受到干擾斷線、需要大量閘道或布建成本高的問題；相反的，若是支援長距離傳輸，則會有傳輸速度慢、無法高頻偵測、遠程升級OTA困難、雙向溝通不易，同時沒有支援IPv6而難以定址。
濎通科技行銷業務部經理呂沐勳(圖3)表示，為了滿足更多元網路需求，可透過Wi-SUN RF Mesh及RF+PLC雙模方案，不僅是採用非授權頻段，無通訊費用問題，還能支援長距離、高穿透性與廣覆蓋，並能因應千點以上的大規模組網等優點。針對訊號盲區，Wi-SUN可添加新的節點予以覆蓋，同時具備自動組網與自癒修復能力，組網穩定性高。
圖3 濎通科技行銷業務部經理呂沐勳認為，無線技術與電力雙模設計的結合，將有助於平衡傳輸距離與速率的問題。
據了解，Wi-SUN支援多達3,000個以上節點的網狀網路組網，不僅有Mesh網狀網路功能，可以穿過地下室和金屬障礙物進行傳輸，還兼具IPv6與OTA功能，提供雙向通訊、遠端升級和邊緣運算等優勢。該技術的整合能有效平衡長距離Mesh網路的距離與速率，以無線和電力線連結一切，優化應用體驗。
近期Wi-Fi聯盟強推的新一代Wi-Fi 6(802.11ax)，也大幅改善功耗表現，期能在區域性低功耗物聯網市場搶占一席之地。然而，要如何改善功耗的問題呢？
TWT節能機制添戰力 Wi-Fi 6揮軍物聯網市場
聯發科技智能聯通事業部行銷經理范振華(圖4)表示，目標喚醒時間(TWT)意指AP和Stations可自行協商何時/多常喚醒，以發送或接收資料。透過TWT技術，能增加設備的休眠時間，大幅延長電池使用壽命，並減少電力損耗，以及減少通道爭用問題，對於許多仰賴電池供電的行動設備，這項技術可望能立即解決當下的燃眉之急。
圖4 聯發科技智能聯通事業部行銷經理范振華表示，TWT對應的三種模式，將對於物聯網裝置在節能設計上產生助益。
整體來說，TWT可分為三種模式，包含單獨模式、廣播模式與機會模式。單獨模式指的是，每個Station和AP都會進行獨立的協商，每一個Station都具有獨立的TWT時間週期。AP可以根據設定的TWT時間週期將Stations進行分組，一次和多個終端進行連接，從而提高節能效率。
廣播模式有一個先決條件，就是Stations需要向AP申請Join Group才可以執行Broadcast TWT，AP在Beacon中宣告TWT時間週期，Stations甦醒並接收該Beacon信息。在TWT時間到達時，在Group裡的Stations提前甦醒接收Trigger並進行資料交換。此外，AP也可更新TWT Broadcast時間週期，Stations接收完成後，進入睡眠狀態，並在新的TWT Service Period到達時，再次甦醒並進行資料交換。
最後的機會模式，AP和Stations沒有協商過程，AP會在Beacon內公開宣告TWT時間，TWT公開時間到達後，AP會發送Trigger。任意Station可以選擇在這個公開TWT時間內進行甦醒，並和AP執行資料交換。
R17預計2022年Q3底定
從標準技術的角度來看，資策會系統所副主任李永台(圖5)表示，3GPP定義的聯網規範中，R17將定義新一代的5G NR Light(NB-IoT over NTN)規範，預期將有助於降低終端生產成本，如天線設計。
圖5 資策會系統所副主任李永台談到，受到COVID-19疫情的影響，R17標準的底定將延至明年Q3。
事實上，有不少人認為僅地面網路技術的使用，無法滿足真正無處不在的物聯網市場的需求。為了這個目標，目前3GPP有幾項舉措致力於將衛星部分納入電信基礎設施，以將其覆蓋範圍擴大到地面網路未服務或服務不足的地區，而NB-IoT over NTN就是在此趨勢中衍生出的標準之一。
不過由於COVID-19疫情的影響，3GPP在標準更新的議程上有所延宕，最新版的R17標準預計於2022年第三季才會正式底定。李永台談到，相比於其他增強型行動寬頻通訊(eMBB)和超可靠低延遲通訊(URLLC)應用對5G建置與標準上的急迫性，歸類於大規模機器型通訊(mMTC)的NB-IoT over NTN標準預計只會先產生技術研究報告，是否成為R17的技術規格選項還有待商榷，但目前已有許多衛星設備商、衛星營運商積極推動NB-IoT over NTN成為技術規格選項。
據了解NB-IoT over NTN是由聯發科領導的專案，並於2019年11月啟動，主要探討5G連接衛星的技術考量，目標是在不影響效能的狀況下，降低終端設計的複雜度。