萬物通訊時代來臨　M2M開創通訊新藍海

2009-02-03

Alexander Bufalino/Peter Gntzer

機器對機器通訊(Machine-to-machine, M2M)在過去數年已經發展成極有前景的全球市場，如市場研究機構ABI Research預測，M2M無線通訊模組市場將在2006～2012年間市場規模成長約31%。

垂直市場需求快速蔓延

成長的理由之一，是M2M應用正逐漸向垂直市場擴散，它對後勤物流車隊之管理(Logistics and Fleet Management)、機器與財產之遠端監控及資料記錄之遠端讀取產生重大影響。過去如電流與溫度之讀數、營建機具的作業時間(儀器讀數自動化)等工作必須人工處理，而M2M無線通訊應用在保全、遙測、保健以及人員物品追蹤方面也越來越重要，這項技術不再局限於企業對企業(B2B)市場--在遠端監控及控制消費性應用產品的需求上，也逐漸成為更具吸引力的技術選項。

越來越多過去僅以簡單電機系統操控的設備，現在都有微控制器(MCU)，這點可以從測量、調控、與位址查詢用的遠端資料傳輸技術，都逐漸被整合於過去並不強調無線通訊功能的應用中。例如須低溫儲藏之具敏感性醫療藥品的運輸容器，這些容器現在都配備有「黑盒子」，一個能夠連續記錄監控運輸途中即時溫度之小型控制裝置。全球行動通訊系統(GSM)無線技術是操作與管理門禁進出控制系統上越來越受歡迎的工具，此外，該項技術也可讓用戶藉由行動電話來證明身分，而這些系統也可以透過非當地的電信營運商進行遠端管理。

通訊應用微型化技術成熟

逐漸影響系統整合廠商、開發廠商與模組製造商的第二項趨勢是M2M通訊應用的微型化，這讓該技術被以前所未見的方式與位置運用，例如像火柴盒般大小的GSM、通用行動通訊系統(UMTS)、全球衛星定位系統(GPS)皆可以輕易放入口袋中。

開發商與系統整合商也正努力生產可靠且有彈性的應用產品，且具備保養簡單與自我診斷的特性。因此，系統必須被設計成有效使用頻寬傳輸資料，藉以降低資料傳輸成本。另外，具備能夠連結系統環境如運貨卡車之有彈性的軟硬體顯得越來越重要。

一方面由於這項趨勢，另一方面也因為M2M通訊市場的激烈競爭，業者對GSM、整體封包無線電服務(GPRS)模組的技術需求顯得越來越迫切。由於許多系統與應用軟體毋需人員操作、行動化或設置於現場維修成本所費不貲的獨立區域，因此高水準的可靠性、高水準的技術可用性以及產品的穩定性，將是最關鍵的要求。而所需要的是容易整合的硬體、適合產業用途、溫度承受範圍大及低耗電量等特性。

導入UMTS/HSDPA M2M傳輸率再升級

而M2M的演進，也使得資料傳輸率變得更加重要，包括下行鏈路與上行鏈路都是如此。在M2M應用中，資料經常是產生之後藉由行動裝置上傳，這也是與消費性應用產品技術的差異所在，消費性用品經常是資料下載多於資料上傳，而專業應用產品的傳輸速率越來越重要，是因為除了一般相對小量資料傳輸如溫度超限讀數或經緯度外，也有越來越多的服務項目需要較大的頻寬，可以用來上傳數位化聲音、即時影像、長時間完整的溫度變化讀數或完整的工作紀錄日報或週報傳輸。

圖1　目前已問世之M2M模組

一般來說，GSM/GPRS模組的56k～114kbit/s連線速率已達極限，而最新趨勢是傳輸速率理論值可達2Mbit/s的UMTS模組(圖1)；若再配合高速下鏈封包存取(HSDPA)，有可能達到更高頻寬與傳輸速率，理論上可達7.2Mbit/s之譜。不過回歸實務，使用UMTS模組的網路業者目前所提供的傳輸速率最高是384kbit/s。

有鑑於通訊設備在傳輸速率方面持續成長，UMTS與HSDPA在許多應用產品提供重大益處，並對行動通訊技術開啟新的發展可能。對使用者的好處主要來自更高的行動性，產品傳輸速率變得更快，對於過去不適合行動中使用的應用，HSDPA正是促進某些新興應用產品的關鍵。特別是需要即時資料傳輸的應用產品，UMTS與HSDPA也為其開啟全新的可能發展空間。

整合UMTS挑戰重重

近期開發廠商面臨的最大挑戰，是將無線通訊技術解決方案與現有通訊架構作完美的整合。事實上，傳輸技術細節與企業用戶並無關聯，企業用戶大多僅希望能夠在現有的資訊科技(IT)環境下輕易並可靠地使用記錄相關資料。舉例來說，當M2M使用這些技術時，就必須考量諸如網路涵蓋範圍與有無UMTS網路建置等各種規格問題，嚴格來說，UMTS並非建置於所有區域，甚至在最後上市階段亦然。

因此，客戶也經常會因為其應用產品所在位置或天線方向而無法使用，不像行動電話用戶若在鋼筋水泥建築物內撥接電話有困難時，可以靠近窗戶來改善通訊品質。因此，整個系統的專業配置並能同時使用GPRS系統就非常重要，讓其能夠有較大的涵蓋範圍，或若有需要，甚至數據調變資料傳輸(CSD)系統都能作為低速的備用系統。

對許多M2M應用產品來說，上傳扮演非常重要的角色，某些產品甚至比下載更重要，但上傳使用的頻寬通常窄許多，例如目前UMTS上傳的傳輸速率為128kbit/s，而下載的速率約為384kbit/s。當然，UMTS所提供的總頻寬又比GPRS高出許多。

德國公司CeTEC已經將GSM/GPRS應用產品轉換成UMTS技術，並為其客戶之一進行解決方案的發展。設計應用產品的挑戰在於，必須讓電力供應概念適合新模組較高的電力需求，而UMTS模組與主機軟體之間的通訊介面，也必須對所有資料傳輸之使用作最佳化處理。

由於使用GSM/GPRS以及現有天線兩倍甚或四倍頻寬的客戶愈來越多，CeTEC之整合外接天線也對新頻道範圍出現大量需求，在GPRS/UMTS模組控制系統中，UMTS與GPRS之間的無縫轉換因而出現新需求。

目前各種UMTS模組都在M2M通訊市場上具有能見度，其中一例是Telit UMTS/HSDPA模組UC864-E，在2,100MHz頻段下數據下載傳輸速率達7.2Mbit/s，它也能向下相容增強數據全球行動通訊系統(Enhanced Data Rates for GSM Evolution, EDGE)及GSM/GPRS四頻。

成本/傳輸效益為M2M兩大發展關鍵

圖2　袖珍型定位裝置

順著諸如UMTS等行動電話技術的發展，M2M通訊市場正逐漸出現一系列的其他趨勢。例如用戶越來越重視能否輕鬆地讓他們的產品符合多變的市場條件與產品規格，其中一種解決方案就是讓使用者透過遠端更新應用程式或模組軟體，而這些服務也讓M2M應用產品更加穩定且更加安全。

根據ABI Research的報告，因應M2M市場需求而逐漸增加的策略之一，是將額外的特色與功能整合至模組中，藉以提升其在客戶心目中的價值。例如整合GPS或提升處理器運算能力，讓用戶直接在模組上執行其應用程式(圖2)。

M2M應用市場的另一個趨勢，是短距無線傳輸技術的整合，例如ZigBee、無線區域網路(WiFi)或藍牙(Bluetooth)，它們都在低成本、節能、無線短距資料傳輸上扮演重要角色。目前已有廠商為客戶開發資料蒐集器、資料集中器與橋接器，將紅外線、藍牙、無線區域網路或類似技術來記錄周邊鄰近資料，並以GPRS傳輸資料(圖3)。ZigBee技術最主要的應用產品包括大樓監控與自動化，而且它們也被應用於醫學工程。如透過藍牙技術以行動通訊裝置讀取身體機能數據，再將該數據以GPRS直接寄送給醫護人員，貨櫃監控也是一例(圖4)。