系統方案克服終端連線痛點　NB-IoT鋪平5G物聯網坦途

5G不只是強調更快的網速(如消費類產品應用)，更低延遲時間(如自駕車應用)，更重要的是要將萬物互聯成為可能，而NB-IoT是5G商用的重要基礎，所以NB-IoT對5G技術的演進也非常重要。

規格持續挺進　NB-IoT商機浮現

NB-IoT屬於廣義LPWAN的一種，主要價值在於覆蓋範圍廣、低功耗(支援5~10年不必更換電池)、低成本、連接數量多，且使用授權頻段，可加在現有的2G/3G/LTE蜂巢式網路上。目前Vodaphone、中國移動、中國電信、中國聯通等大營運商已經採納；台灣的遠傳、中華電信也都陸續公布NB-IoT的服務資費方案，其他歐洲日本主要營運商也都詳細評估驗證各種設備及方案的效能。此外，華為、高通、聯發科等產業鏈上游廠商也都有提供IC與模組解決方案。

雖然NB-IoT是一個新標準的技術，但是在晶片、模組、終端、營運商、應用環節來對比，NB-IoT的產業鏈上，目前有許多通訊產業巨頭力挺，也吸引了主流營運商、設備商及關注物聯網(IoT)應用相關廠商的目光跟高度期待，相比傳統的非蜂巢式無線連接方式，NB-IoT的可靠性及方便管理的運營等特性，讓許多分析看好NB-IoT的長期發展。

在規格及技術演進方面NB-IoT也有3GPP這樣的國際組織來主導跟推動，因此在法規面及互通性方面也同樣具有優勢；在3GPP R14和R15中針對NB-IoT進行了擴展，主要目標就是在連接大量設備形成所謂物聯網的應用領域範圍。連接的設備透過營運商的基地台基礎設施進行通訊，畢竟無論要進行所謂大數據分析或是AI相關的新應用，前提都是要有相關應用的海量資訊能傳到雲端。針對大數據收集的特殊需求，3GPP還引入了適用於NB-IoT的各種相對應速率。NB-IoT為大規模物聯網引入包括資源擴頻多址(RSMA)，用於需要非同步和無授權接入的物聯網省電模式(PSM)方案，以及非連續接收(eDRX)，延長電池壽命等特殊功能。

串聯感測節點　打造NB-IoT應用

目前多數NB-IoT部署方案主要是搭配不同的感測器，來收集越來越多的感知資料和資訊(例如：位置、圖像與天氣條件)並將大量結構化和非結構化資料連到網路和應用中。因此大資料分析和預測已成為NB-IoT的主要應用。例如：噪音、花粉和塵埃指數，以及地球科學相關監測；天然氣、水和電等能源的消耗相關應用；而常見的環境監控指標又如溫度、濕度、壓力、風向、PM2.5和放射性排放等污染水準等，這些以往需要夠多樣本及長時間連續監測的資料都非常適合導入NB-IoT與不同的感應器來減輕人工收集及後續處理資料的負擔。

NB-IoT相較其他LPWAN技術有良好的雙向傳輸性能及可靠度，故NB-IoT設備也可用於控制和操控設備，例如控制交通號誌燈、交通車道或各種遠端設備。而常見的應用領域如下：

・智慧城市：

結合智慧路燈跟燈號系統以監控公路交通訊號燈和街道交叉路口，監控和控制基礎設施，如電力/燃氣/污水管理系統、公共安全和災害管理系統、影像監控以及交通違規辨識舉報系統。

・智慧家居：

照明控制系統、智慧家電、聯網電視、煙霧/告警系統、穿戴設備以及兒童和寵物監控設備。

・智慧交通：

在車輛與行人之間進行交通警告、碰撞和事故回報統計。其他像是公共汽車、火車和地下交通資訊和管理，以及公共停車場等相關應用也都有許多新的設施需求。

因相關需求客製化NB-IoT的實際方案，依照上述各種應用將可能衍生涵蓋智慧電表、智慧水表、智慧路燈、智慧鎖、智慧燈、智慧插座、物品追蹤、工業自動控制器、農業監測設備、安防監控與新零售醫療等相關儀器。

而這些硬體設備的設計研發生產製造；甚至軟硬整合加上雲端服務，資料安全維護等等也都將為台灣既有的電子、資訊、通訊、軟體服務等產業帶來許多新商機。

NB-IoT平台解決方案

因應NB-IoT市場需求，系統廠也針對不同應用及平台需求提供各種實體方案，以協助各種物聯網應用的開發。例如，研華推出NB-IoT RF模組方案，讓用戶可以搭配既有的MCU方案，將NB-IoT連線功能導入設備中。另外，也有採用標準Mini PCI-e與USB 2.0的NB-IoT/CAT M1模組，讓正在使用中的平台或終端設備不須改版，直接藉由標準介面就能新增支援NB-IoT的連線功能，減少不同設備的NB-IoT聯網應用開發及驗證時間和成本。

此外，市面上也可看到廠商推出標準化的物聯網感測節點，整合微處理器及符合3GPP Release 14的NB-IoT無線技術，提供各類型感測器須要搭配使用的腳位，例如：UART、I2C、SPI、GPIO、PWM與ADC等。並與矽智財廠商Arm合作推出物聯網雲端服務，讓系統整合商縮短物聯網從應用到雲端的開發時程，加速NB-IoT在智慧城市、智慧農業、環境偵測、車輛/基礎建設監控、智慧停車、智慧路燈、智慧抄表以及最近很熱門的共享單車等應用的普及。

NB-IoT的固定點、低傳輸量、低功耗物聯網終端設備，能滿足大部分的物聯網使用情境。隨著NB-IoT的商業化，相應而生的硬體搭配應用會是感測器模組配合NB-IoT模組的組合產品，在導入組織企業的整合過程，垂直整合商須能同時提供包含實體層硬體及韌體支援、無線通訊系統整合服務以及雲端應用伺服器，並能配合不同的應用情境，提供大數據分析模型配合驗證確保資料安全性，後續更多的物聯網應用情境，舉凡智慧城市、車聯網、智慧醫療、遠距醫療照護等，僅須選用不同的實體層硬體及韌體，便能套用同樣的垂直整合流程經驗，快速複製商業模式。

NB-IoT畢竟是屬於無線通訊領域，然而無線通訊應用的開發並不容易，除了要有專業的設計工程團隊外，實驗室、儀器的投資也不低。此外，在產業/工業應用領域，嵌入式產品負責的工作不外乎資料採集跟控制兩大類，這意味著軟體在嵌入式產品也扮演著相當關鍵的角色，但這類軟體本身也缺乏標準化，甚至連跟雲端服務對接的功能也付之闕如。

Arm架構助力實現安全/大規模部署，為了實現物聯網應用大規模布建，市面上有系統廠商也選擇採用Arm所提供的架構，透過Arm提供的Mbed以及各式各樣的安全機制，實現從端到雲的連接，並且能管理成千上萬個節點裝置，而且有助於提升整個應用系統的安全性。在整個物聯網架構中，可以分成最底層的節點裝置，中間層則是各種閘道器，上層則是雲端。Arm所提供的解決方案完整涵蓋了這三個層次：最底層的節點裝置搭載以Cortex-M為基礎的MCU，中間的閘道器則使用Cortex-A處理器，上層的雲端則是Mbed Cloud，最後才是一般業界所熟知的各種雲端服務。

安全方案保障物聯網平台

雲端服務平台本質是一個專門處理連線、服務開通(Provisioning)等作業的中介層軟體(Middleware)，透過雲端平台，物聯網應用的管理者可以監控各種裝置的運作狀態，並執行韌體安裝、更新等任務。這些功能對物聯網應用的安全來說十分關鍵。如果應用裝置沒有使用安全機制，駭客可以很輕鬆地入侵應用裝置，更改其軟體跟裝置管理，對系統安全造成莫大威脅。協定堆疊是物聯網資安的一個主要弱點，若沒有強固的防護，駭客很容易從這裡攻破系統，甚至把整個韌體改掉。

以Arm所提供的安全機制而言，其類似TrustZone，把物聯網裝置的軟體區隔成關鍵跟非關鍵兩個區塊，關鍵區塊在Microvisor的保護下，是經過加密的，讓外部攻擊不容易破解，也很難竄改其內容，從而保障了系統的安全性。至於終端裝置跟閘道器的資料傳輸，則採用TLS加解密，讓資料封包即便在傳輸過程中被截取，也難以被破譯解讀。至於在閘道器端，也有類似的機制，就跟終端裝置一樣，關鍵的閘道器軟體也被隔離保護，讓駭客難以攻破。

安全是物聯網普及應用的最大疑慮，有可靠的安全機制，用戶才能放心地平行展開物聯網應用的大規模布建。因此提供安全機制的物聯網方案，也成為打造系統平台時的優先選擇。

除了完整的軟體硬體及雲端產品，NB-IoT系統方案廠商也同時導入無線設計服務解決用戶痛點。

系統廠投入NB-IoT

雖然已有廠商提供無線模組化的物聯網裝置開發平台，但在推廣的過程中仍可發現，有不少裝置開發商對無線技術的設計整合完全不熟悉，即便系統廠商能提供完整的無線軟硬體裝置開發平台方案，用戶仍跨不過無線技術的門檻，促使系統方案商開始發展無線裝置的設計服務。舉例來說，很多裝置製造商原本有意開發支援NB-IoT的智慧裝置，但該用戶的專長是裝置本體的設計，公司內沒有熟悉無線通訊的團隊，要自行完成無線智慧聯網裝置的設計是非常困難的。

實務上，無線技術的前期投資是很可觀的，除了要有人才之外，網路分析儀、頻譜儀、基地台的模擬儀乃至微波暗室(Chamber)，都是動輒數百萬新台幣的投資，而這些資源正好是系統商能提供的。也因為看到許多用戶都面臨類似的難題，系統廠商(如研華)也進一步提出無線設計導入服務，幫用戶在其產品上實現無線技術的設計整合。這是一種利他的服務體現，讓用戶能順利完成無線產品設計跟量產，進一步帶動物聯網生態系的蓬勃。

(本文作者皆任職於研華科技)