為滿足龐大的物聯網應用需求，5G大規模的巨量物聯網正積極制定當中，而既有的NB-IoT與LTE-M相關的生態系統、應用場景與標準也陸續到位，搭配上基於5G NR所提出的NR-Light和NB-IoT over NTN技術，將逐步實現萬物聯網的終極願景。
物聯網需求勁揚推升低功耗廣域網路(LPWAN)技術迅速發展，其中授權頻段中的NB-IoT、LTE-M備受各國電信商所支持，也是5G三大應用場景之大量連接的前導技術，從2017年開始便迅速部署網路建置，發展出各種商業應用。未來LPWAN技術將在5G時代扮演更加重要的角色，3GPP於R17版本制定的NR-Light、衛星物聯網(NB-IoT over NTN)，即是為了因應大規模的巨量物聯網(Massive IoT)需求，孕育而生的新LPWAN標準。
LPWAN新標準登場 R17加強mMTC布局
5G主要設立的三大應用情境包含增強型行動寬頻通訊(eMBB)、超可靠度和低延遲通訊(URLLC)與大規模機器型通訊(mMTC)。聯發科NB-IoT產品經理王宏瑾(圖1)談到，從5G標準演進的制定重點來看，5G第一階段標準制定R15的版本，主要強化高速傳輸的發展，也就是eMBB的技術規格演進。到了R16時期，則是特別加強URLLC的規範，預計R17會開始往mMTC布局。
圖1 聯發科NB-IoT產品經理王宏瑾表示，R17預計將於2021年底完成，且會開始布局mMTC。
目前來看，5G規格不會重新定義mMTC的技術，而是在既有NB-IoT和LTE-M的基礎上，延伸出NR-Light的技術規範。資策會系統所副主任李永台(圖2)表示，3GPP在制定標準的時候，考慮到5G NR的終端裝置設計雖然可支援多天線、大頻寬與使用的彈性，但同時也導致終端裝置的設計複雜、多變且耗電。因此在規畫R17的規格時，希望針對特定的物聯網服務，發展出天線數量少一點、頻寬沒那麼大，可能複雜度低一點的輕終端，也就是NR-Light的技術。
圖2 資策會系統所副主任李永台談到，3GPP所制定的R17版本中，將提出NR-Light與衛星物聯網兩項LPWAN標準。
NR-Light鎖定的服務對象與應用場域範圍，是介於mMTC和URLLC之間的應用，不過這區間的應用非常多元，以目前歸納的結果看來，主要會是以感測器、穿戴裝置與影像上傳(監控相機影像傳輸)等應用為主。
除了NR-Light之外，R17同時也規畫探討NB-IoT over NTN的計畫，原定於2020年第四季開始討論相關技術，然而受COVID-19疫情影響，NB-IoT over NTN的規格制定預期會延後3~6個月。據了解NB-IoT over NTN的推動目的是希望使用非地面網路的技術，也就是採用低軌衛星和同步衛星支援NB-IoT應用。
李永台談到，NB-IoT over NTN最大的優勢是可以提供具備全球覆蓋的網路能力，電信業者可以利用此技術標準，迅速擴展網路的覆蓋範圍，只要是有物聯網裝置的地方，都能提供網路傳遞與接收的功能，即便物聯網裝置布建於無人之處，亦能有效傳遞資訊。目前聯發科在此技術標準發展中扮演非常積極的角色。
整體看來，NB-IoT over NTN是一種透過衛星技術補充的方式與NB-IoT做結合的全新混合式聯網技術，設計上可以保留NB-IoT設備的外形尺寸、電池壽命和成本優勢，並增加NB-IoT的潛在市場總量。舉例來說，在環境艱困或偏遠地區的場域，如海運、公路、鐵路或航空運輸，原油探集或一些環境監測的產業，蜂巢式網路布建的難度較高，如能透過衛星技術的輔助使用，將有望加速實現NB-IoT全球化的願景。
增添授權頻段應用優勢
事實上，LPWAN技術除了蜂巢式聯網技術之外，還包含免授權頻段的標準，如LoRa、Sigfox等技術，其優勢在於無須支付費用給電信商。雖說授權與非授權這兩種類型的LPWAN各自有其優勢與缺點，不過以長久性與普及性來看，蜂巢式聯網的LPWAN技術仍為市場主流。
在這樣的狀況下，電信業者如何維持既有的利益，拓展大規模的巨量物聯網連接技術呢？王宏瑾表示，電信業者現在正積極思考如何讓頻段利用率提高，也就是做更好的頻譜使用配置，讓網路支援的服務達到最佳化。3GPP規格制定過程中，經常聚焦授權頻段上，訊息傳遞之間的互通性，特別是正式邁入5G時代，頻段上的訊號共振(Formant)一致性非常重要。
從系統角度設計來看，王宏瑾談到，NB-IoT聯網設計須注意三個重點，首先是避免不同設備同時動作造成壅塞狀況，此問題可從拉長數據發送週期的方式，以及透過離散算法，分散設備動作執行進行改善。其次是避免TCP Connection以減輕網路負荷，舉例來說可以使用UCP Connection省去心跳封包數據，以及使用專網，讓設備的IP Address維持不變。最後，以業務模型分析的方式，調整網路與設備數據，像是設定網路端的嘗試/重傳次數，避免網路資源耗損，或者將大數據包分拆成多個小數據包，與此同時，設備端的重送機制設計要考慮網路的負載。
設備壽命/複雜度/安全性 物聯網開發三要素
另一方面，優北羅(u-blox)商業開發經理劉彥呈(圖3)則認為，物聯網開發須關注設備生命週期、複雜度與安全性等問題。有別於傳統蜂巢式聯網裝置的產品開發，LPWAN物聯網裝置的設計通常要維持5~10年的生命週期，且需要連接的終端裝置非常多元化，加上使用場域非常複雜，間接影響產品設計的難度，再者，還要維持產品的安全性，諸多環節都反映物聯網開發的挑戰，以及開發商的能耐。
圖3 u-blox商業開發經理劉彥呈表示，生命週期、複雜度與安全性是物聯網開發的三大設計重點。
舉例來說，Rolls-Royce的引擎設計首屈一指，且具備即時聯網的功能，當引擎產生異常或當機，可以藉由該公司自己的系統平台得知引擎狀況。然而這樣的運作模式非常複雜，首先須考慮到平台架設的成本問題(包含採用的系統軟體與加密方案)、產品本身的效率、電信資費(網路成本)等問題，故如何簡化這些技術，就是非常重要的一環。
劉彥呈談到，u-blox基於產業標準MQTT提供全面的點對點解決方案，能支援各種蜂巢式無線網路(2G~4G)，解決物聯網連接的複雜性問題。此外，該公司亦能透過預測成本的方式，依照客戶所需要可擴展的產品，有效控制成本的花費。u-blox同時能支援190個國家/地區的MQTT網路，支援全球化的物聯網連接。
目前u-blox主推SARA-R5系列，此系列支援全球頻段，且設計採u-blox自行開發的晶片，支援LTE-M和NB-IoT。值得一提的是，R5系列當中有整合衛星定位，對於一些即時聯網應用的場域，有時即便知道設備出現異常的問題，但卻一時間難以找出發生異常的地點，故該公司將衛星定位技術整合其中，有助簡單找到問題所在。
應援Massive IoT網路 多重物理模擬登場
實現蜂巢式物聯網技術，在基礎布建上是非常重要的，要有足夠的基地台才能有效涵蓋聯網的缺口，因此小基站的布建與設計極其重要。隨著巨量物聯網的趨勢來襲，加速巨量物聯網的網路建置已成必然方針，而小基站多重物理模擬則是背後的得力助手。
思渤科技/ANSYS高頻應用工程師張閔期(圖4)談到，多重物理模擬技術能從電磁、光學、半導體、結構、流體與嵌入式軟體等不同層面，進行多尺度的建模，可以將腦海中所規畫的設計雛形，藉由模擬的方式將其具現化，進而評估這些天馬行空的想法是否有實現的可能。
圖4 思渤科技/ANSYS高頻應用工程師張閔期指出，多重物理模擬技術能事先模擬小基站開發時可能會遇到的挑戰，加速小基站的開發時程。
特別是在物聯網網路的架構中，小基站的開發是不可或缺的重要環節，而且設計上必須是低成本、高容量，且須共存於複雜的環境當中。在這樣的狀況下，多重物理模擬技術的必要性更甚以往，由於5G所應用場域較為複雜且多樣，因此光靠現有的製程技術，就要一步到位的做出小基站十分困難，再者，將小基站實際應用於網路環境時，還須經過多樣的測試，這些環節都是墊高設計成本與開發時間的關卡。因此適時導入多重物理模擬技術，事先以模擬軟體的方式得知產品設計的誤差，將可幫助開發者少走設計冤枉路。