物联网通讯芯片强化设计 性价比渐趋理想

LPWAN系统的传感网络覆盖面积广，因此所应用的通讯技术必须具备可靠与低功耗特色，目前LoRa与NB-IoT是其中两大指标性技术。图片来源：NETOP

随着技术突破与应用的不断浮现，物联网的产值越来越大，根据研究机构IDC的报告指出，2018年全球物联网支出金额预估将年增14.6%至7,725亿美元、2020年料将突破1万亿美元整数关卡，2021年进一步升至1.1万亿美元。

由于物联网的应用广泛，各领域所需的通讯技术也不尽相同，近年来就陆续有不同标准被制定出来，这些不同类型的通讯标准，也开启了通讯芯片的新纪元。

物联网可粗分为传感、通讯、云端、应用等4层，第一层的传感网络负责撷取现场端的数据，并将之往上传输到后端平台进行储存、运算与分析，由于上层云端平台的运算精准性取决于足量数据，因此第1层传感网络的传感节点数量必须尽可能广布，以累积出大量数据。

但大量设置的传感节点需要将测得的数据往上传送，这就对系统的通讯设计带来难题。在过去物联网未出现前，各类型系统的通讯设计相对简单，就其技术发展来看，通讯分为有线与无线，若有稳定度要求，大多会采用有线方式，不过布建范围广泛的传感网络，不只布线不易，缆线的成本也过高，因此无线通讯会是最佳应用技术。

目前的无线技术也分为长、中、短距离等3种，长距离为2G、3G、4G，中距离为WLAN的Wi-Fi、短距离则是蓝牙，这3种技术中，长距离通讯技术需要付费给电信营运商，若采用此技术，系统营运商必须将通讯成本纳入。

中短距离两种技术虽是免费，不过覆盖范围小，无法应用于在广域物联网系统中，在此状况下，近年来有组织纷纷提出LPWAN(Low-Power Wide-Area Network；低功耗广域网络)的各种标准，包括位于免授权频谱的LoRa、SigFox与须授权频谱的技术的NB-IoT、eMTC，而这两大类标准，目前也都已有芯片厂商推出相关产品。

LoRa部分，目前主要应用目标为水、电、瓦斯等智能表类或建筑物内的烟雾传感器等，这些领域中的设备体积不大，因此通讯芯片也必须同步缩小，另外LPWAN的主诉求是低功耗，目前LoRa的通讯芯片功耗大多在10mA以下，不过现在已有厂商将之降5mA以下。

在传输距离方面，其传输范围会受环境因素，一般设有室外闸道器的都市环境，其覆盖范围大约在2？3公里，农村可达5？7公里，另外LoRa的传输范围也与射频的直视性视距(Line-of-Sight；LOS)有关，在屋顶或山顶等高处，其传输范围就可最大化，其他如天线增益也会影响传输范围。

另外如果要增加中、短距离的无线涵盖范围，且有大量的收发信号装置需求，则可加入展频因子SF5(Separating Factor 5)，提升LoRa的传输速率，并同时增加闸道器的支持装置数量。

虽同为免授权频段，不过Sigfox与LoRa的做法不同，LoRa的开放性虽然较佳，不过底层技术必须由推动LoRa的芯片公司提供，另外再加上1组MCU才是完整的通讯模块，Sigfox则有相对简单的通讯协定，使用方式上也较为单纯。

目前市场上的Sigfox芯片做法有2种，第1种是将Sigfox芯片与MCU搭配的模块式解决方案，这种做法可让工程师自行选择适于应用的MCU，在设计上更具高弹性，且不必被单一厂商绑订，缺点则是体积较大，且成本较高。

第2种则是系统单芯片，系统厂商不必在通讯模块上投入太多研发时间，只要针对不同应用设计PCB版，就可满足客户需求，大幅降低产品上市时间，此外SoC的成本和体积也都较MCU＋芯片的组合更佳，至于缺点部分，系统单芯片的做法除了缺乏弹性外，也会有除错(Debug)方面的困扰，一旦芯片有程序错误，会难以厘清错误所在。

在须授权频谱的技术部分，eMTC又称为LTE Cat M1或者LTE-M，支持频段从450MHz到3.5GHz，带宽要求为1.4MHz，NB-IoT也是部署在450MHz到3.5GHz，带宽为180KHz，支持从2G/3G/4G网络透过软件升级的方式。

由于这两个技术的频段相同，技术也相似，因此被视为可互补的技术，目前多家芯片设计厂商也都推出双模或多模的产品，例如Qualcomm推出的MDM9206，就可支持eMTC/NB-IoT/GSM。

将芯片设计为NB-IoT与eMTC的双模做法有几个好处，首先是可易于整合到电信营运商所提供的端到端物联网平台，享受运营商与其合作夥伴的的技术支持，此外在全球化时代中，运营商都会提供全球无缝的漫游与无在线网，双模芯片的手机将可充分利用运营商的完整服务，第2个优势是NB-I0T与eMTC都强调低功耗，对移动设备的电源管理有其优势。

第3是成本优势，2017年大陆华为所提提供的单频单模NB-IoT芯片报价约为10美元，而高通的NB-IoT、eMTC多模模块批量价格在11元左右，再加上运营商的补贴，未来装置成本还会进一步下降。

第4是双模方式可将可同时满足室内无死角与户外大区域的覆盖需求，最后则是NB-IoT与eMTC都支持非IP数据传输，适合嵌入式物联网设备的少量传输，向是这两者都支持以用户数据报协定(UDP)协定的CoAP与TCP协定的MQTT。

相较于其他LPWAN标准，NB-IoT的优点在于可与LTE网络解耦，并使用独立的180KHz频段，与5G网络做出区隔，而对运营商来说，此频段取代传统2G网络中的物联网应用需求，之后2G频段资源将可释放给4G的LTE，大幅提升运营商的频谱利用效率。

就发展态势来看，NB-IoT与eMTC都将成为5G网络的一部分，由于这两者都属于蜂巢式技术，且两者可以互补，因此包括多数运营商在建设网络十，都是两者并进，eMTC的起步虽然较慢，不过其普及速度也不会比NB-IoT慢太多，因此对早期以LPWAN技术进行规划的企业而言，双模模块将有利于未来的产品与服务规划。

观察目前厂商的产品策略与出货状况，可以看出物联网的应用已经开始落地，不过技术虽以可用于各种领域，但芯片成本仍然是最大问题，以NB-IoT来说，业者认为芯片价格要下降到5美元甚至更低，才有机会达到大规模商用，2018年芯片价格已经降到8美元，预计2019年则有机会降到5美元，在技术成熟与价格下跌的状况下，物联网通讯芯片的性价比将再一步攀升，加速应用普及程度。