低功耗廣域網路(LPWAN)技術經過了多年的發展，發展的態勢己漸趨明顯，LoRa及Sigfox雖作為LPWAN初期的主流技術，但隨著3GPP標準組織於2016年訂定R13行動物聯網標準LTE-M及NB-IoT，在全球電信營運商的積極布局之下，利用現有LTE站台為基礎，透過頻帶內(In-band)的方式升級為NB-IoT及LTE-M網路，搶占了LPWAN的主流技術地位，不必像LoRa及Sigfox需要重新布建基地台，以及LoRa及Sigfox在非授權頻段上的使用限制及干擾，反之NB-IoT/LTE-M以安全性較高的授權頻譜實現了快速網路部署，並隨著廣域行動物聯網的商業應用模式日趨成熟，進而帶動終端晶片及模組的大量出貨，可以預期的是晶片及模組的價格會持續下降，加速未來行動物聯網的成長。而市場上其它的LPWAN技術如LoRa和Sigfox則轉型做為區域型專網和高度客製化的場域(表1)。
表1 NB-IoT/LTE-M/Sigfox/LoRa規格比較
LTE-M/NB-IoT全球布建統計
根據GSMA截至2019年3月的報告指出，已有149家電信營運商在69個國家投資NB-IoT或LTE-M，其中，包括在52個國家部署/啟動102個NB-IoT或LTE-M網路。另外有20個電信營運商在19個國家同時部署/啟動NB-IoT及LTE-M，由圖1可看出LTE-M主要為美洲國家的電信營運商，而NB-IoT更是幾乎襲捲了整個歐洲及亞洲，另外由行動物聯網網路的部署趨勢來看，有越來越多的電信營運商選擇同時布建NB-IoT及LTE-M，這二項代表行動物聯網的二個主流技術之間，也由發展初期的競爭關係，漸漸發展為各有各自技術特色及適合的應用模式，而電信營運商在技術部署策略，也朝向同時建立NB-IoT及LTE-M網路，並由各自適合的應用型態及商業模式來選擇解決方案，因此NB-IoT和LTE-M由競爭替代關係，轉變為可作為應用的互補技術，而最後的目標都是為了可以接軌5G。
圖1 LTE-M/NB-IoT全球部署狀態
LTE-M/NB-IoT技術規格及應用模式
LTE-M與NB-IoT都能部署在現有的LTE基礎設施與頻譜上，能和現今各種行動寬頻服務有效率地並存。LTE-M使用1.4MHz頻寬，運用現有的LTE參數(對比NB-IoT的200kHz新通道頻寬)，並能布建在一般LTE載波(最高達20MHz)上運作。LTE-M裝置能使用舊有的LTE同步訊號(例如PSS7、SSS8)，並採用新的控制與資料通道技術提高通道的效率，以提供各種低頻作業。支援LTE-M的LTE網路能使用多個窄頻區域與重新調校頻率，確保可擴充的資源配置，並且可透過跳頻有效運用分散於各個LTE頻段的資源。
NB-IoT與LTE-M兩者均為授權頻譜中的LPWAN技術，NB-IoT在頻譜上更具靈活性，可支援三種部署方式。而LTE-M的速率較高，應用範圍也較廣，在半雙工模式下的上行和下行速度為375kbps，適合運用於具有中等數據速率需求的物聯網應用。在峰值速率上，在移動性上來看，NB-IoT由於不支援基地台之間的換手，因此幾乎不具備移動性，LTE-M在移動性上表現更好；而LTE-M可支援語音，NB-IoT則覆蓋半徑比LTE-M大。
從雙方的技術特徵可以看出，NB-IoT在覆蓋、功耗、成本等方面性能占優勢，適合用於在要求低成本、更廣深覆蓋和長續航的靜態場景下；而LTE-M在速率、移動性、語音能力方面較有優勢，更適合應用在有語音通話需求、較高頻寬速率以及有移動需求的場景下。例如LTE-M可以在合理的時間範圍內提供遠端韌體更新(FOTA)，對於長期部署在現場且經常變更韌體需求的設備而言非常適用，遠端韌體更新這點對NB-IoT來說就比較需要有事先的規畫及分區排程更新，來彌補速率上更新韌體時間的需求。在真實的市場使用場景中，雙方可以形成互補關係。
由於目前各國主流技術與採用的頻段皆有不同，晶片及模組商為能滿足全球的應用市場，除了整合Wi-Fi及GPS等技術外，晶片及模組商也紛紛推出支援GSM/LTE-M/NB-IoT的多模以及多頻解決方案。可以支援LTE-M、NB-IoT和GSM，並透過動態的系統選擇，用戶可將LTE-M、NB-IoT和GSM設定為單一模式或首選的連接方式，無須重新啟動模組便可切換模式，多模的配置可為行動物聯網應用提供布建靈活性，應用端可根據LTE-M及NB-IoT的不同特性來選擇使用何種技術。
LTE-M/NB-IoT R14/15主要規格演進
3GPP R14 NB-IoT基站定位，包括ECID和抵達時間差異(OTDOA)，單細胞中點對多點傳輸技術(SC-PTM)群播、速率提升，引入Category NB2，上下行速率將分別達到125/140kbps更低的端到端延遲、對於終端來說仍然不支援基站間的重選及換手，支援更低的發射功率等級-14dBm。而LTE-M在3GPP R14則新增了基站定位，包括ECID和OTDOA，SC-PTM群播支援5MHz和20MHz頻寬，速率進一步提升。5MHz頻寬下，上下行速率將達到3/4Mbps；20MHz頻寬下，上下行速率將達到7/27Mbps。目前NB-IoT在終端晶片及模組已開始支援R14 NB2，目前R15版本中，LTE-M/NB-IoT將會在以下幾個方面進行功能補強或效能提昇，3GPP R15 NB-IoT主要增加了支援TDD的部署模式，在NB-IoT基站定位，將會支援UTDOA方式；支援TDD，移動性進一步增強；支援QoS。此外，NB-IoT將不會支援200KHz以上的頻寬。eMTC在3GPP R15，將會支援UTDOA基站定位方式、更多的連線數量與64QAM(圖2)。
圖2 eMTC(LTE-M)/NB-IoT技術發展進程
資料來源：高通
5G NR與LTE-M/NB-IoT規格演進
在2018年3月召開的3GPP RAN第79次全會上，3GPP正式說明「5G NR與eMTC/NB-IoT將應用於不同的物聯網場景」，繪製了行動物聯的發展藍圖。3GPP明確指出在3GPP R16協定中，5G NR mMTC的應用場景不會涉及LPWAN，eMTC/NB-IoT仍然將是LPWAN的主要應用技術。這表示在3GPP協定中，LTE-M/NB-IoT已經被認可為5G的一部分，並將與5G NR長時間共存，R16協定將研究NR與LTE-M/NB-IoT共存的性能增強方案。未來LTE-M/NB-IoT也將支援接入5G核心網，並可在5G NR的操作頻段上共存，LTE-M/NB-IoT將在5G時代扮演更加重要的角色(圖3)。
圖3 LTE-M/NB-IoT在未來5G NR的操作模式
資料來源：GSMA 5G Mobile IoT in the 5G Future
利用小基站提升訊號品質及系統容量的部署策略
即便NB-IoT相較LTE-M有訊號覆蓋上的優勢，在實際許多應用上仍存在死角，如現行NB-IoT標準的應用場景中，各種智慧量表如電表及水表，許多的使用情境終端設備是裝設在地下室的，而NB-IoT藉由涵蓋範圍延伸(Coverage Enhancement Level, CE Level)來區分三種覆蓋等級(CE 0, CE 1, CE 2)，分別對應到Normal Coverage、Extended Coverage與Extreme Coverage。基地台利用廣播訊息SIB 2中所夾帶的兩個RSRP臨界值來區分不同的CE level，其中CE 2的用戶位於最嚴苛的環境如地下室，需要藉由多次的重複傳送(Repetition)來累積訊號的能量進行解調，若基地台的用戶多處於CE2的狀況會因為需要占用更多的資料來傳送資料，進而造成整體的系統容量下降(圖4)。
圖4 NB-IoT CE Levels
為了要擴展系統容量可能需要去布建成本較高的大型基地台(Marco Cell)，這種情況就可以利用成本較低的NB-IoT小基站，NB-IoT相較LTE-M其布建方式較為彈性可支援獨立組網(Standalone)的操作模式，利用成本較低的Standalone NB-IoT小基地台搭配無線3G/4G網路的後傳網路(Backhaul)，可達到隨插即用彈性部署，以低成本的方式機動擴充NB-IoT的系統容量(圖5)。
圖5 行動物聯網小基站運行架構
行動物聯網企業專網
另一個NB-IoT/LTE-M小基站的運作模式是由應用服務商，經由頻譜管理單位取得專屬的頻譜，並且自行組網進行維運，由於相較其它的寬頻系統，NB-IoT/LTE-M僅需要占用較小的頻寬，在新的R15規範中NB-IoT即可支援分時多工(TDD)的模式，對連續頻譜的利用性更佳，更適合物聯網專網頻譜的取得及應用，在台灣，依據「電信法」第四十七條第三項，主管機關需訂定專用電信設置、使用及連接公共通訊系統核准原則之管理辦法，國家通訊傳播委員會依此條文修訂「專用電信設置使用及連接公共通訊系統管理辦法」，並將使用專用頻率(839~847MHz)之智慧讀表系統歸類為專用電信類別之中，公眾使用之智慧讀表系統可依照管理辨法申請頻譜自行架設物聯網網路，在此種情境NB-IoT小基地搭配3G/4G無線回傳網路來部署網路就非常適合。
除了自行建置專有網路，或以租用的方式存取由電信營運商所部署的現有行動物聯網網路之外，行動物聯網基礎通訊網路還可透過網路共享(Network Sharing)的方式降低建設成本。依3GPP TS 23.251分類，網路共享的架構可分為「閘道核心網路(Gateway Core Network, GWCN)」，如圖6所示，和「多業者核心網路(Multi-Operator Core Network, MOCN)」，如圖7所示，此兩種技術模式也是一般實現「虛擬行動網路服務業者(Mobile Virtual Network Operator, MVNO)」的營運方式。
圖6 GWCN架構圖
圖7 MOCN架構圖
GWCN是共享無線存取網路(Radio Access Network)和部分核心網路元件，因此行動物聯網尚需自行部署其他剩餘的網路元件，如SGW或PGW等。
MOCN是只有共享無線存取網路，核心網路則需物聯網服務商自行建置完成，因此具有獨立的HSS用戶資料庫、QoS控制管理系統，與物聯網應用服務平台等。以圖7的架構舉例來說，CN Operator A可為電信營運商的LTE網路，而CN Operator B則可為電力物聯網。雖然相對於GWCN的架構需付出較高的建置成本，但由於NB-IoT具有Data over NAS的特性，對於企業內部的資訊安全較有保障。此外，3GPP於Release 13中也制定了「專用核心網路(Dedicated Core Networks, DCN)」相關標準，將網路共享的概念更適用於物聯網中。
3GPP TR 23.711中提出了10種DCN的選擇方式，其中一種是將UE Usage Type(為0~255的整數)預先配置於HSS中，在終端設備附著的過程(Attach Procedure)中，MME會得知自己是否為此終端設備的DCN，若否，則啟動重新導向至正確DCN的程序，如圖8。
圖8 重新導向NAS訊息程序
與電信營運商共構共站的建置方式可節省無線存取網路的成本，包括了實體站點與天線桅杆的布建，以及無線電頻率使用費，並可加速服務提供的時程，此外也保有了核心網路的管理權限，表2將GMCN和MOCN做了綜合的比較。
表2 GWCN vs MOCN比較
國際上有許多應用MVNO來實現M2M、IoT，NB-IoT等行動物聯網路的應用案例(表3)，預期未來此發展風潮將會持續擴張。
表3 物聯網MVNO應用案例
(本文由台灣資通產業標準協會提供，作者為工研院資通所寬頻網路系統整合測試技術部技術副理)