蜂巢通訊跨刀　智慧型讀表系統躍居主流

智慧電網理念為整套先進技術，包括可再生能源、分散式電源等能源產生，負載管理、需求回應的傳輸與分配、民用、商用、工業用的智慧型讀表系統(Smart Meter)，以及電動車輛(充電站管理)。

本文將重點說明作為智慧電網願景重要組成之一的智慧型讀表系統。將對智慧型讀表系統在智慧電網中的推動因素和優勢進行探討，並研究蜂巢技術在這些項目中所發揮的作用。此外，還將討論智慧型讀表系統通訊基礎架構的重要成功因素，並詳細介紹在設計無線智慧型讀表系統解決方案時應考慮的最佳實踐。

部署智慧型讀表系統時勢所趨

ABI Research預計，到2014年前，全球將部署二億一千二百萬台智慧型讀表系統(截至2009年有七千六百萬台)。此外，到2020年，歐盟成員國須將80%的計量基礎架構更換為智慧型讀表系統。

2009年《美國恢復和再投資法案》(American Recovery and Reinvestment Act)計畫投資約110億美元用於智慧電網和智慧型讀表系統項目，其中71億美元將用於2010年。

據Berg Insights調查，亞太地區具備最多、增長速度最快的智慧型讀表系統數量，現已接近十億台。Berg Insights的調查又稱，覆蓋80%人口的電力機構--中國國家電網公司(SGCC)將在2020年前每年投資2,000億美元用於智慧電網基礎架構的建設。

智慧型讀表系統可透過更頻繁、更可靠地遠端監控和傳輸能耗及電能品質資訊來幫助實現電網的現代化。這樣一來，能源企業便可後台執行工作，與客戶一起更有效率地管理配電網路。透過收集即時能耗資訊，智慧型讀表系統基礎架構使供應商能夠遠端管理手動操作(儀表讀取、服務斷連等)，從而降低運營開支；改進預測能力，使能耗過程更順暢；透過概要分析和分段改進客戶服務；降低能源偷竊，這種狀況在某些市場是一個嚴重問題；簡化微發電監控，跟蹤產生和消耗的電力；此外，智慧型讀表系統還能透過節省能源、降低碳排放、提高服務可靠性，以及改善客戶服務品質和回應能力來惠及最終客戶。

但是，要讓所有這些優勢成為現實，能源企業需要一種安全靈活的雙向通訊基礎架構來連接智慧型讀表系統並與之通訊。市場上存在多種選擇，包括電力線通訊(PLC)、低功率無線射頻(RF)網解決方案，以及蜂巢無線廣域網路(WAN)技術。

智慧電網中無線通訊扮要角

能源供應商長期以來使用無線WAN解決方案與集中器進行通訊，從而監控鄰近區域網(NAN)中的大量儀表。目前，將蜂巢解決方案用於與單個儀表的點對點通訊的範例越來越多。因此，蜂巢技術正逐漸成為智慧型讀表系統部署及整個智慧電網的一個重要組成部分。

能源供應商具有第二代行動通訊(2G)和第三代行動通訊(3G)兩個主要的WAN/蜂巢技術選擇。如今，大多數蜂巢點對點智慧型讀表系統基礎架構都是全球行動通訊系統(GSM)網路的一部分，其使用一種低成本的2G解決方案：通用整體封包無線電服務(GPRS)資料服務。但是，新的2G蜂巢智慧型讀表系統基礎架構卻更有可能使用GPRS的演進版，即GSM演進版增強型資料速率(EDGE)。

與GPRS相比，EDGE技術可實現更高的頻寬和更高的連接速度，現在兩者的價格相當。此外，從營運商的角度看，EDGE也是首選的2G技術，因為其較高的帶寬允許在網路上連接更多的設備。在北美，特別是美國，分碼多重擷取1x無線傳輸技術(CDMA 1x RTT)同樣是一種非常流行、可靠、應用廣泛的2G連接選擇。

憑藉很高的帶寬和資料速率，3G技術在智慧型讀表系統部署中也扮演著重要的角色。3G解決方案過去僅為NAN級別預留--連接用於發送大量資料的無線集中器。對於包含極少量消息的點對點計量通訊，3G通常被視作一項不必要的額外開銷。但是，如今的行動服務供應商出於自身成本和容量的原因，正努力將更多的客戶轉往3G網路，因此他們目前更可能與能源供應商合作，使3G網路更具吸引力、更加經濟高效，以適應智慧型讀表系統專案的要求。因此，能源供應商的儀表部署中可能擁有多餘的可用無線帶寬，這為其他營利服務提供了機會，如面向消費者的HAN設備，甚至是將無線容量轉售給作為HAN部署一部分的其他能源企業。

與GPRS和EDGE一樣，供應商在3G網路方面有一系列資料服務選擇，包括寬頻CDMA (WCDMA)、高速下鏈封包存取(HSDPA)、演進資料優化(EVDO)修訂版A。現在，更新的HSDPA技術能以與WCDMA同等的價格獲得，已經成為首選解決方案。在CDMA網路中，EVDO設備比1x RTT技術的應用更廣，但1x RTT憑藉更低的價格以及資料速度一般沒必要太高的事實，仍然是智慧型讀表系統應用的首選。

成功部署須步步為營

不論採用何種通訊技術，智慧型讀表系統通訊基礎架構必須滿足若干核心要求。其中包括：

‧	高可靠性與長使用期限
	智慧型讀表系統以及支援這些儀表的通訊技術，應能夠在毋須更換或直接維護元件的情況下，維持10年、15年甚至20年的平穩運作。因此，儀表通訊技術必須高度可靠，並且在設計時將工業級規範考慮在內，以滿足撞擊、腐蝕、溫度、振動和濕度等極端環境條件。

‧	低維護需求
	在智慧型讀表系統通訊設備10～20年的使用期限中，通訊模組的韌體將很可能進行升級，例如添加新特性、增強安全性或與最新的無線通訊標準保持相容。能源企業須能夠利用自己或服務供應商可輕鬆部署的安全無線設備管理服務，以無線的方式對韌體進行遠端管理、配置、測試、驗證和升級。智慧型讀表系統解決方案還應該採用模組化設計，以便在毋須更換整個儀表的情況下進行WAN模組更改等操作。

‧	互操作性
	智慧型讀表系統解決方案須採用標準計量協定，以確保在儀表的整個使用期限內能與不斷變化的能源供應商設備及消費設備進行互操作。

‧	成本效益
	用於大規模部署的智慧型讀表系統通訊技術必須能夠最大限度地降低這些成本，並提供出色的價值。

‧	安全性
	圖1　智能嵌入模組 在將雙向命令和控制系統嵌入到能源管理系統中時，必須解決若干安全威脅(圖1)。這包括消費者隱私、資料完整性，以及保持整個電網的服務連續性。

‧	低功耗
	在模組化設計中，WAN或其他通訊模組將依賴於儀表提供的電力，也就是說必須滿足某些設計要求。首先，通訊模組必須設計用於能利用儀表所提供的較低電流運行。其次，出於成本方面的原因，供應商須要確保通訊系統具有極高的效能。最後，即使智慧型讀表系統及其通訊系統僅消耗相對較少的電能，但數百萬儀表點對點連接起來的總耗電量也十分可觀。

‧	低安裝成本
	Beecham預計安裝成本可占到任何智慧型讀表系統專案總系統成本的30%。供應商需要能夠簡化安裝並縮短部署智慧型讀表系統時間且減少技術知識的解決方案。例如，在低功耗射頻(RF)部署中，安裝技術人員須要用到一系列高級技能和多種設備來驗證智慧型讀表系統通訊系統和天線的部署是否合適、運行是否符合預期。事實上，眾多能源供應商目前使用蜂巢通訊的一個原因就是其安裝成本較低。蜂巢通訊模組可採用內建的網路分析技術設計，從而具備部署更快捷、更簡便的特點。

‧	支援家庭區域網
	能源供應商和分析師預期，將「智慧」調溫器、電器用品、電動汽車等連結到儀表基礎架構的家庭區域網路(HAN)，將在影響消費者行為方面發揮重要作用。有了HAN，消費者將能即時獲悉能源的價格變化，並以遠端方式在非高峰時段購入，此時的可用能源更多，價格也更低。但是，為實現這些優勢，智慧型讀表系統及其通訊系統必須能與HAN進行互操作。這意味著必須能夠支援多公用事業配置，即整合水、燃氣和其他服務，並具備IP路由功能。

蜂巢技術角色關鍵

過去，眾多能源企業都依賴蜂巢技術來連接集中器和工業站點，而經常使用其他通訊網路來連接儀表本身。現在，隨著蜂巢技術的發展，營運商採納更具吸引力的費率計畫，越來越多的供應商正在將無線WAN解決方案部署到儀表領域。

圖2　可遙控監視與控制的M2M閘道器

蜂巢WAN解決方案能為智慧型讀表系統部署帶來一系列的優勢。首先，能源企業選擇蜂巢通訊，即可依靠行動服務供應商來提供網路，毋須承擔自行部署、營運以及維護整個通訊基礎架構的成本。透過將通訊網路外包給行動供應商，能源供應商可大幅降低智慧型讀表系統專案的安裝成本並減少實施次數。此外，行動服務供應商逐漸將機器對機器(M2M)通訊視為一個重要且不斷發展的用戶市場，並且正在實施新型服務產品和計費方案，針對此業務中展開競爭(圖2)。因此，基於WAN的智慧型讀表系統通訊的資料速率現在極具競爭力。

如今，蜂巢通訊的覆蓋範圍幾乎在任何地方不斷擴展，覆蓋著智慧型讀表系統基礎架構中約99%的可定址用戶。事實上，大部分區域都在多個蜂巢網路的覆蓋之下，這使得能源企業能夠根據位置選擇最佳的蜂巢網路來部署智慧型讀表系統，並實現網路備份功能。

最後，蜂巢WAN現在已經是一項成熟的技術，而不只是能夠支援智慧型讀表系統基礎架構。蜂巢技術的存在時間已超過20年，無線通訊的安全性和靈活性毋庸置疑。事實上，如今已有十億台機器在使用蜂巢網路，一般基於IP的資料通訊現已占有全球所有蜂巢通訊的20%。

最佳實踐設計準則不可少

隨著越來越多的供應商將無線WAN技術納入其智慧電網計畫中，該行業正在為蜂巢智慧型讀表系統基礎架構設立一系列「最佳實踐」設計準則，接著將對此進行說明。遵照這些準則，能源公司、儀表製造商及其他利益相關者可幫助確保蜂巢智慧型讀表系統技術提供高性能、高價值和較長的服務期限。

智慧通訊模組居中協調

目前業內廣為認可的最基礎的最佳實踐，應該將智慧內建到通訊模組中，而不是儀表中。在該設計中，儀表僅負責計量。通訊模組負責處理與計量資訊管理有關的所有較為複雜的決策，例如打開與後端伺服器的連接、監控訊號強度、管理連接安全性、作為WAN和HAN間的閘道、檢測儀表上的干擾攻擊，以及當主路徑不可用時，選擇備用的通訊路徑。該模組可為能源供應商帶來一系列優勢。首先，它允許供應商使用這樣一種模組化架構，其中相同的儀表可用於任何通訊技術如蜂巢、電力線通訊(PLC)、RF網等。

此外，透過將智慧內建到通訊模組而非儀表，還能使解決方案更加面向未來。這樣，供應商便具備足夠的靈活性，日後毋須更換儀表便能更換通訊技術，甚至是整套的模組，例如將來從2G蜂巢技術遷移到3G時。透過避免在儀表本身對功能進行硬編碼，還能透過軟體更新來添加新功能或滿足新要求，如符合新的安全標準。為使通訊模組提供這一級別的適應性和智慧，該模組應內建有類似作業系統的處理功能，可能是一個實際的輕量作業系統。

訊息安全性不可輕忽

無線和蜂巢基礎架構必須包括強大、成熟的安全技術。它們不僅應整合目前關鍵的公共安全和政府無線應用所採用的成熟防禦機制，還應採取專門針對智慧型讀表系統制定的安全措施。這些安全措施包括以下幾項：

‧	安全連接和加密
	在任何通訊系統中，確保敏感資訊到達其目標接收者，且不會被嘗試截取該資訊的個人或設備竊取或識別，這是至關重要的。如果該資訊是用於計費的合約資料，更是如此。此外，還必須採取強有力的鑑定流程，以防止駭客查詢敏感資料、上傳惡意軟體或開關儀表。無線通訊系統應採用強大、成熟的加密協定，例如安全套接層(Secure Sockets Layer, SSL)已廣泛用於保護零售和基於全球資訊網(Web)的付款卡交易、Internet協定安全性(IPSec)加密已廣泛用於保護虛擬私人網路(VPN)連接的安全。

‧	干擾檢測
	在某些風險較高的環境中，須使用防禦性系統來阻攔蓄意網路攻擊。現代的智慧型讀表系統應配備一系列先進的無線技術，可快速檢測這類攻擊並採取適當的行動，如觸發警報，透過另一個通訊通道發送警報，記錄事件以供進一步調查等。

‧	自主運作
	一旦儀表與無線通訊網路失去連接，該儀表也必須能夠繼續正常運作。

其他最佳實踐設計考慮

其他成功實施智慧型讀表系統項目的最佳實踐，則包括以下幾點：

‧	軟體更新檔可升級性
	所有人都認同遠端升級韌體、軟體和容量對於任何智慧型讀表系統通訊技術都很關鍵的說法。但是，基本的韌體升級並不足以實現大規模部署。總之，如果能源企業必須更換數百萬台智慧型讀表系統上的整個1Mb大小的韌體檔來執行小規模升級，那麼蜂巢資料成本將很快地變得非常高昂。但是，如果能夠透過更新檔(Patch)的方式進行軟體更改，供應商便能利用大小僅幾Kb的套裝軟體僅對已更改的韌體程式碼部分進行升級。一般而言，軟體更新檔的大小通常僅為升級整個韌體包的規模的十分之一甚至更少。

‧	嵌入式SIM
	如今，用於某些蜂巢網路的可拆卸塑膠用戶識別模組(SIM)卡常見於行動電話市場，預期使用期限只有短短幾年。智慧型讀表系統通訊必須滿足工業級規範，應使用嵌入無線模組的SIM卡。

‧	強大而全面的開發平台
	為提供能源供應商所需的智慧通訊模組，蜂巢模組應該可以編程，並允許能源供應商和儀表製造商根據需求添加容量和價值。按照這個邏輯來說，蜂巢通訊廠商應提供成熟而全面的開發平台，整合構建客戶制定解決方案的所有必要元件。透過使用該平台，儀表製造商還應該能將經過實踐檢驗的成熟技術充分用於無線通訊和管理的各個方面，而毋須從頭開發這些功能。

‧	備份通訊路徑
	智慧型讀表系統通訊系統應提供在主要機制不可用的情況下，採用備用通訊路徑的能力和智慧。例如，如果GPRS IP通訊因故掉線，儀表則應能夠透過簡訊服務(SMS)進行通訊。

‧	網路品質分析功能
	若要簡化部署並降低安裝成本，通訊模組應能對無線網路品質進行分析，並將結果明確地傳達給安裝人員。例如，技術人員毋須像當今常見的那樣透過檢查蜂巢電話上的多個SIM卡來測量訊號強度，而是可以使用模組掃描並評估不同可用網路的訊號強度，並將此資訊傳達給技術人員。即使是這樣簡單的一款工具，都能讓安裝技術人員更快、更簡單地確定儀表的適當位置，最適合該位置的蜂巢網路，須使用外置天線的情況及天線的擺放位置等。

‧	低功耗
	通訊模組的設計應始終注重優化能效。例如，此類模組應包括一個低功耗模式，以便在不使用時關閉蜂巢通訊模組。這在通訊模組使用電池供電如在天然氣或水智慧計量部署時尤為重要。

‧	HAN互操作性
	通訊模組應能作為HAN閘道與其他家用設備通訊，從天然氣表和水表收集資訊，並將資料傳輸到家中的遠端顯示幕。為此，通訊模組必須具備對IP協定和路由的嵌入式支援，並且還應符合IEEE 802.15.4、ZigBee和無線計量匯流排(Wireless M-Bus)等通用低功耗無線通訊標準。

無線智慧電網前景無限

由於眾多原因，無線WAN技術正日益成為智慧型讀表系統通訊的一個極佳選擇，並將繼續在這些項目中發揮重要作用。有些供應商正在尋求更靈活、適應性更強、更為經濟高效的智慧型讀表系統部署，他們逐漸看到將網路營運外包給成熟的無線WAN營運商的價值，並且正將智慧蜂巢通訊基礎架構融入其智慧型讀表系統項目。

要充分利用無線解決方案安裝成本低、靈活、實施速度快等優勢，能源供應商和儀表製造商應對蜂巢技術在其智慧電網計畫中可提供最高價值的領域進行仔細評估。他們應該尋找能提供耐用的預包裝無線管理、配置和安全能力的解決方案，毋須自己從頭構建這些功能。此外，還應確保與能夠滿足現代無線智慧型讀表系統設計關鍵要求和最佳實踐的蜂巢技術合作夥伴進行合作。

(本文作者為Sierra Wireless行銷暨市場策略總監)