物聯網(IoT)泛指一種連結實體物件的互聯網路概念，包括機器、車輛、建築及許多其他種類的裝置。這些聯網的「萬物」能在家裡、公司、城市等場所提供各種新型服務，並跨越許多產業。全球物聯網市場的規模預估在未來十年蓬勃成長，預計2020年前將會有250到500億個聯網裝置出現，於各個關鍵市場推動數兆美元的經濟成長。物聯網不只是讓人們和萬物互聯，更延伸現有的網路，讓機器與裝置能彼此協調合作，將效率提升至更高的水準。
物聯網涵蓋眾多類型的應用，橫跨多項產業，這些裝置的運算與聯網需求差異甚大。在一些使用情境中，裝置可能僅需要短距通訊技術連結網路基地台，例如布建在聯網家庭的裝置；而其他應用可能需要更廣泛且零死角的訊號覆蓋率(圖1)。
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| 圖1 用於物聯網的不同無線連接技術 |
物聯網的聯網需要異質性的連接技術，並提供不同層級的最佳化以因應各種極大的需求差異。比方像辦公室的智慧照明，適合運用像Wi-Fi這類短距無線技術，因為燈具通常裝設在合理的Wi-Fi接收範圍內(像是室內)。反之，布建在智慧城市各處的停車收費器則適合採用廣域網路，這類應用需要的通訊技術必須能同時在戶外(像是路邊停車)與室內(像是停車場)等位置提供零死角的訊號覆蓋率。
在廣域物聯網方面，蜂巢式網路逐漸成為具吸引力的平台，滿足持續成長的聯網需求。蜂巢式網路目前服務全球超過70億個聯網裝置，幾乎所有大都市、市郊、以及郊外地區都廣泛布建，遍及各區。蜂巢式解決方案不僅全面覆蓋戶外與室內地點，它們還帶來許多附加優勢。便利性高的網路設計讓物聯網裝置能隨時可靠地存取各種應用服務；此外，經由實證發現，有效的蜂巢式網路能滿足對安全性需求最嚴格的使用單位，像是政府機關與金融機構等端對端傳輸需求。
最重要的是，成熟的生態系統以全球化標準作為後盾，確保各地區與裝置之間無縫的互通能力。蜂巢式技術未來勢必持續演進，提供快速成長的物聯網市場更好的服務，物聯網/機器對機器(M2M)使用的蜂巢式連線總數在2025年預估將超過50億(圖2)。
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| 圖2 蜂巢式物聯網路在垂直市場中提供更多元化的服務 |
LTE為了全球行動寬頻存取能力而開發，並提供超越3G世代的效能躍進。LTE核心技術之後並持續演進，以因應不斷變遷的市場需求，確保網路永續力(圖3)。LTE Advanced(3GPP Release 10、11、12等版本)持續優化提供更佳的行動寬頻體驗，並藉由像是載波聚合與高階多重輸入多重輸出(MIMO)等先進技術達到Gigabit等級的處理量。雖然有些物聯網應用能受益於LTE Advanced帶來的功能進步(像是高解析度安全監控攝影機)，許多物聯網裝置仍需要透過最佳化提供大幅簡化後的功能組合。
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| 圖3 LTE是一個可擴充的平台且可滿足大範圍的聯網需求 |
3GPP標準的Release 13版納入一系列針對物聯網最佳化的新窄頻技術，這些統稱為「LTE IoT」的技術能把LTE簡化，以便能更有效率地支援資料傳輸率較低的應用。LTE IoT是整體LTE藍圖的一部分，帶來無縫銜接的管道，讓業者在現有的網路架構上提供物聯網服務；LTE不僅能向上擴充，為各種高效能應用提供Gigabit等級的資料傳輸率，還能簡化以支援要求高度省電的應用。
隨著物聯網應用數量持續成長，各種支援物聯網的連結技術也會不斷浮現，其中某些新技術能因應廣域訊號覆蓋的需求，但它們在其他方面的性能可能比不上增強型通訊(eMTC)與窄頻物聯網(Narrow Band Internet of Thing, NB-IoT)等3G標準化技術。
LTE IoT能夠運用現有的LTE網路，而不需要核心網路重疊覆蓋。目前全球已有超過500個LTE網路布建於160多個國家，未來也計畫增設更多個點。
LTE IoT屬於統一的平台，能配合各種應用的效能需求。LTE不只能輕易向上擴充以支援各種物聯網使用情境，滿足它們對高頻寬與低延遲的要求；還能向下延伸，針對各種低效能要求的應用進行最佳化─而且全部採用相同的網路基礎設施。
LTE IoT能相容於現有與規畫中的LTE網路及頻譜，能和一般LTE傳輸同時運作，不會和其他裝置或服務相互干擾。
LTE IoT有全球3GPP標準提供支援，3GPP擁有升級至5G的完備藍圖。裝置與網路也設計成能夠和不同廠商與各地區訊號標準完全互通。
LTE最重要的好處之一就是能運用授權頻段，這讓網路營運商能藉由有效分配網路資源以及控管、紓解各種干擾與壅塞的狀況，以確保通訊服務品質良好。備援式網路設計亦有助於確保服務可用性，讓停機時間減至最少。
LTE IoT將承襲LTE發展已久且廣受信賴的安全與驗證功能，符合許多高安全性應用最嚴格的安全要求。3GPP Release 13推出兩種新的終端設備(UE)類別，能透過簡化功能提升物聯網效率。
兩種全新LTE IoT窄頻技術
由eMTC標準定義的LTE Cat-M1提供最廣泛的物聯網功能，資料傳輸率最高可達1Mbit/s，並僅耗用1.4MHz的裝置頻寬(1.08MHz頻段內傳輸6個資源區塊)，使用現有的LTE FDD/TDD頻譜，它設計成能夠和一般LTE流量完全並存的模式(Cat-0與以上)。此外，Cat-M1還支援語音(VoLTE)及全方位到有限制(Full-to-limited)的行動性，在增強覆蓋率模式下，能提供15dB的額外連結空間，讓LTE訊號能穿透更多牆壁與樓層，與布建在室內更深處或偏僻地區的裝置連接(圖4)。
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| 圖4 Cat-M1及Cat-NB1裝置在效能及覆蓋率的異同 |
LTE Cat-NB1，或稱NB-IoT則進一步降低裝置的複雜度，並擴大訊號覆蓋範圍，以因應各種低階物聯網使用情境的需求。Cat-NB1運用窄頻作業，在LTE FDD模式下使用200kHz裝置頻寬(180kHz頻段內傳輸一個資源區塊)，提供數10Kbit/s的處理量。NB-IoT支援更具彈性的布建選項：包括LTE頻段內、LTE保護頻段，以及獨立頻段。為進一步提升覆蓋率，它以頻譜效率(例如資料傳輸率)與功能性(例如沒有行動力或語音支援功能)的調整，以得到比Cat-M1多5dB以上的附加增益。
Cat-M1與Cat-NB1都能布建在現有的LTE Advanced基礎設施與頻譜上，能和現今各種行動寬頻服務有效率並存。Cat-M1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。Cat-M1裝置未來能使用舊有的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，能支援各種低頻作業。支援Cat-M1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各個LTE頻段的資源(圖5)。
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| 圖5 Cat-M1可在各個一般的LTE頻段下運作 |
除了LTE頻段內，Cat-NB1裝置能布建在LTE保護頻段或單獨載波。然而，新型200kHz裝置規格/參數(使用一個LTE資源區塊或180kHz的RB)需用到新的窄頻控制與資料通道。不同於Cat-M1頻段內，Cat-NB1不允許重新調校頻率或跳頻，而且會占用固定頻譜。在布建保護頻段方面，NB-IoT運用未使用的資源區塊且不會干擾鄰近載波。在獨立模式下，Cat-NB1裝置能布建在重組(Re-farmed)的2G/3G頻段(圖6)。
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| 圖6 Cat-NB1(NB-IoT)的彈性布建選擇 |
針對物聯網最佳化新窄頻技術
新型LTE IoT窄頻技術正為邁向窄頻5G鋪路，並帶來四個主要層面的改進，更完善地支援物聯網，包括降低複雜度、改進電池續航力、提升訊號覆蓋率、促成更密集的布建。
物聯網的興起，將會帶給各個不同產業及其相關應用諸多明顯的效益。許多物聯網使用情境皆有潛力推升單次平均營收(Average Revenue Per Connection, ARPC)，如現今許多寬頻服務(像是智慧型手機與平板)。大多數的使用情境需要大幅降低裝置與網訂戶的成本，才能合乎大量布建的投資，例如，智慧型手機的硬體與服務成本和每天量測幾次溫度的遠端感測器相比，就會有極大的差別。為此，Cat-M1與Cat-NB1裝置將會把複雜度等級往下調降，以更低的成本因應物聯網應用需求(圖7)。
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| 圖7 兩種新LTE IoT使用者設備的複雜性差異 |
Cat-M1與Cat-NB1裝置都將降低尖峰資料傳輸率，速度會低於一般的LTE裝置(例如Cat-1)。Cat-M1在下行與上行方向的處理量上限為1Mbit/s，而Cat-NB1的尖峰資料傳輸率更進一步降低至數10Kbit/s，降低尖峰資料傳輸率以節省裝置硬體的處理與記憶體資源。
LTE運用6至100個資源區塊，支援從1.4MHz至20MHz的可擴充載波頻寬。在LTE Cat-M1方面，裝置頻寬受限於1.4MHz(1.08MHz加上頻段內6RB保護頻段)，以配合較低的資料傳輸率。另一方面，Cat-NB1進一步把裝置頻寬降低到200kHz(180kHz加上一個RB的保護頻段)。降低Cat-M1的頻寬需要用到一個新的控制通道(亦即M-PDCCH9)來取代舊有的控制通道(亦即PCFICH、PHICH、PDCCH10)，因為較窄頻寬對它們已不適用。在Cat-NB1方面，則推出新的NB-IoT同步、控制及資料通道以因應更窄的頻寬。
多重天線支援MIMO與分集接收最初是在LTE規格中推出，目的是要改進頻譜效率。對於LTE IoT應用而言，提升資料傳輸率的需求不高，更重要的是降低複雜度。對於Cat-M1與Cat-NB1而言，接收端射頻(RF)可縮減為一個天線，藉以簡化RF前端的設計。另外有些RF降階則是因為缺乏接收分集，訊號靈敏度的衰減可用其他先進的覆蓋率提升技術加以補強。
物聯網資料傳輸因為頻率較低且容許延遲的特性，LTE IoT裝置可透過支援半雙工通訊模式，降低複雜性，在同一時間內僅啟用傳輸或接收通道。Cat-M1裝置能支援半雙工FDD與TDD模式，而Cat-NB1裝置僅支援半雙工FDD。這讓裝置能採用較為簡化的射頻交換器，取代較複雜且昂貴的全雙工器(Duplexer)。
在兩種新的LTE IoT終端裝置類別中，最高上行功率從LTE的23dBm(200毫瓦)縮減至20dBm(100毫瓦)，如此一來功率放大器(PA)便能進行整合，藉以降低裝置成本。
其他降低複雜度的技術，包括Cat-NB1對語音(VoLTE或電路交換服務)與行動性(沒有連接量測或通知功能)僅提供有限的支援。
許多物聯網裝置皆以電池供電，故希望能提供單次充電後最長的使用時間，畢竟相關維護工作所衍生的成本高得驚人，尤其是在大量布建的情況下。
除了定期維護所增加的營運支出，實際要找到這些行動裝置(像是遍布在全球各地的資產追蹤器)也是一場噩夢。因此，盡可能延長電池續航力成為LTE IoT最重要的推動方向之一。除了藉由降低裝置複雜度來節省電力，業界還發展出兩種新的低功耗技術：省電模式(PSM)與改進非連續接收模式(eDRx)-兩項技術皆能運用至Cat-M1與Cat-NB1裝置之中。
PSM這種新的省電模式，讓裝置能略過資料傳輸作業時的週期性監測，讓裝置切換至休眠模式延長待機時間。然而，當PSM模式啟動時，系統即無法與裝置進行連接，因此最好的作法是採用裝置啟動或排程的方式，由裝置來主導與網路間的通訊。此外，這種作法能更有效率地進行低功耗模式的啟動/解除，因為能讓裝置在切換至省電模式時仍維持在網路登入的狀態，因此，每次脫離省電模式後無須再花額外的時間來重設登入/連結。相關應用包括智慧儀表、感測器，以及所有週期性向網路推播資料的物聯網裝置等都可藉由PSM獲得更佳效益。
eDRx藉由延長聯網模式下從網路接收資料的最大時間間隔到10.24秒來延長電池壽命，而在閒置模式下，週期性監測與區域追蹤的更新時間間隔則可延長到40分鐘以上。這種模式能同步網路與裝置的休眠週期，故裝置可減少檢查網路訊息的頻率，但缺點是延遲會增加，因此eDRx特別針對各種裝置的終端應用進行最佳化。實際使用情境包括資產追蹤與智慧電網等應用皆能受益於更長eDRx週期帶來的低功耗特性(圖8)。
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| 圖8 PSM和Edrx優化裝置的電池壽命 |
許多物聯網使用情境能受益於更高的網路覆蓋率，尤其像包括瓦斯、水電儀表等這類裝置經常裝設在人員不易到達的位置。在許多狀況下，犧牲上行頻譜效率與延遲可有效提高覆蓋率，且輸出功率不須提高，避免影響到裝置的電池續航力(圖9)。
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| 圖9 能夠深化覆蓋率的進階技術 |
透過連續子訊框(連續時間間隔集束)多次傳送相同的傳輸區塊，或在一段時間內重複傳送相同資料(重複傳輸)，能提高接收端(基地台或裝置)正確解碼傳送訊息的機率。
現有的基地台僅須提高下行的傳輸功率即可輕易延伸覆蓋範圍，但裝置也可以匯集所有功率在一些降低頻寬(例如Cat-NB1能在3.75kHz的子載波使用新的間隔數據進行傳輸，對照Cat-M1與LTE使用的15kHz)的頻段，有效提高傳輸功率密度。
同樣的，Cat-NB1裝置能運用單音頻上行(3.75kHz或15kHz子載波間隔)進一步延伸覆蓋範圍，但必須同時調整尖峰資料傳輸率(上限為數10Kbit/s)。
以QPSK取代16QAM，載波訊號與干擾及噪音比(SINR)門檻就能大幅降低，但同時調變效率(每符元位元數較低)也需進行調整。藉由這些改善的覆蓋率，Cat-M1裝置的通訊連線預算提高到155.7dB，比一般LTE高出15dB，而Cat-NB1更進一步提升至164dB。
IoT帶來數量龐大的聯網裝置，將提升現有LTE網路的功能極限。與行動寬頻服務大相徑庭，想要支援更多低階物聯網裝置(例如儀表)的限制因素並非來自頻寬，因為LTE IoT的傳輸量僅占整體功能的極小比重，但須應付數量日增的訊息傳遞作業。大多數物聯網裝置都是分散地傳送少量資料，而非大型資料封包；因此，LTE核心網路必須進行改善，才能更妥善地支援物聯網流量，提供更有效率的傳訊與資源管理。
如延伸存取限制(EAB)等新的存取控制技術，能防止裝置在網路壅塞時產生存取要求，進而消除不必要的訊號發送。此外，網路還運用群組呼叫與傳訊模式，和多個下行裝置進行更有效率的通訊。
網路能允許大量裝置共用網路資源，讓資源與裝置的管理作業能加以整合。舉例來說，於智慧城市中集中管理、控制及計費一組水錶。
LTE核心網路可針對物聯網流量進行最佳化，讓業者更有效率地運用各種資源，並將移動管理單元(MME)、服務閘道(S-GW)、以及封包資料網路閘道(P-GW)匯整成一個簡化核心網路。營運商可運用現有的LTE核心網路來支援LTE IoT，以優化整體營運成本或最小化資金支出。
要使LTE IoT成功運行，整個生態系統必須一起投入，簡化LTE IoT服務的整體布建與管理。各界已透過許多途徑推動這方面的工作，硬體製造商正加速裝置研發，推出許多通過驗證的模組，新的嵌入式SIM(eUICC)計畫也已加速進行，目標是更有彈性地管理手機服務。物聯網軟體研發方面，通訊協定的標準化將確保資料傳輸效率以及跨廠商產品的互通性；舉例來說，oneM2M正推動多項通訊協定的標準化，以加快產品上市時程並達到可靠端對端(End-to-End)的安全性。
邁向5G藍圖 物聯網商機滾滾來
5G將成為統一式且功能強大的聯網平台，連結許多新的產業，促成新型服務樣態，以及打造嶄新的使用者經驗。物聯網將是5G發展的一部分，業界將藉此發展出許多以往4G LTE無法成就的新類型物聯網服務與效率。5G的願景已經成熟，預定在2020年之前就要商業化，將進一步強化行動寬頻，更有效率地支援物聯網大量部署，並促成各種新型關鍵任務服務(圖10)。
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| 圖10 ITU-R IMT-2020對新一代5G網路的願景 |
Release 15版本與之後的3GPP標準將定義新的5G平台，但許多基礎技術早已納入在LTE Advanced Pro中。NB-IoT在3GPP的Release 13版本之後將持續演進，進一步朝窄頻5G邁進，促成規模無比龐大的物聯網。Release 14版本中一些改革提案將包括但不限於語音/行動性、定位服務，以及廣播支援更有效率的空中介面傳輸(OTA)韌體更新。
5G將改進LTE IoT的能力，提供一種新的上行多重存取模式，名為資源分散多重存取(Resource Spread Multiple Access, RSMA)，以支援更高的節點密度。RSMA是一種非同步、非正交、競爭資源式的存取協定，將進一步降低裝置的複雜度以及傳遞訊息時的資源負荷，因為它允許「萬物」無須先進行網路排程就能開始傳送資料。
為擴大網路覆蓋率，讓物聯網裝置布建在最極端的位置(像是超偏僻與極深的地底)，5G將支援多點跳躍網路，允許超出覆蓋區域的裝置和能夠將資料送回存取網路的裝置直接連結。這樣一來，基本上就是建立一個無邊界的網路，能將覆蓋區域延伸至一些手機網路存取設備(例如基地台和小型基地台)所在位置。更重要的是，5G核心網路將運用廣域網路(WAN)管理機制，管理在存取覆蓋區域內的裝置，以及用透過裝置轉接的裝置(圖11)。
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| 圖11 能夠實現大規模物聯網的嶄新5G功能 |
LTE IoT能有效向下延伸，不僅針對頻率與容許延遲的通訊進行最佳化，還滿足各種低階物聯網應用的需求，像是儀表與感測器，而另一種類別的物聯網應用則需要較高的效能。像是關鍵任務服務，除了要求端至端傳輸延遲必須維持在1毫秒之內，在進行極低耗損率的傳輸時必須維持高穩定度，以及透過多重鏈路來提高可用性，以支援容錯轉移與行動性，此外，穩定的端對端安全性也無法妥協。在設計5G關鍵任務控制技術時，這些需求都必須納入考量，像是無人機與工業機器人這些創新使用情境就是推升這些極端需求的實例(但並非所有服務同時需要上述所有特性)。
新型且具彈性的5G網路將帶來極致的效能與效率，並運用虛擬化網路功能來建構最佳化的網路區段，以支援同一實體網路中的各種服務(例如增強型行動寬頻、關鍵任務服務，以及大規模物聯網)。每個網路區段可單獨設定，以提供端至端的連結功能，針對各種應用的需求進行最佳化。這對物聯網特別有利，因為它多樣化的需求可為同一網路中支援的各種使用情境配合不同服務協議(Service Level Agreement)。除了允許更有效率的資源分配與使用外，增強型5G網路還支援彈性化的服務訂購模式，以及機動建立/控制服務的能力。
物聯網正掀起一波智慧聯網裝置的熱潮，在各個產業造就新型服務與更高的效率。物聯網將帶動各事業的轉型，改變人們的生活，在未來激發各界的創新。
蜂巢式技術將扮演重要角色，為各種「事物」(Things)提供聯網功能；LTE逐漸演進成為一個提供統一的可擴充物聯網平台，帶來許多利益，遠遠超越其他非3GPP低功耗廣域網路(Low Power Wide Area, LPWA)解決方案。LTE不僅透過現有的全球網路提供無死角的覆蓋率，還帶來前所未有的可靠度、安全性，以及效能，滿足各種要求最嚴格的物聯網應用。
LTE Advanced Pro正推出許多新LTE IoT窄頻技術，將能降低複雜度、提高電池續航力、加深訊號覆蓋率，以及促成高密度布建模式。在Release 13版本的3GPP標準中，LTE IoT納入兩種新的終端設備(UE)類別(Cat-M1與Cat-NB1)，讓LTE向下延伸，支援更有效率的物聯網通訊。Cat-M1將提供範圍最廣的物聯網功能，支援更多先進功能，像是行動性與VoLTE，而Cat-NB1則是進一步提供更低的成本與功率，支援各種容許延遲的低處理量使用情境。
建構在LTE IoT窄頻技術之上的5G將為物聯網帶來更多機會。窄頻5G將透過各種新功能強化大規模物聯網，包括像無需網路授權即可傳輸的RSMA，以及進一步擴大網路覆蓋率的多點跳躍網路。此外，5G還將支援各種關鍵任務服務，提供超低延遲的通訊功能，也為系統可靠度、服務可用性及端至端安全性帶來顯著的改進。
全新的高彈性網路架構對於在新一代5G網路上運行的所有服務，提供完整的效能與效率。總歸而言，連結物聯網將是5G的一部分，這個功能更多元的統一連結平台在未來十年甚至之後將是舞台的主角。