低功耗广域网在智慧城市中的应用

智慧城市强调广泛使用信息与通讯技术,感知各种人、事、物数据,并利用无缝的网络传输至云端进行数据分析等,以达到城市永续发展、改善人民生活质量与创造经济发展。然而,城市的智慧化需要倚赖各种物联网技术来协助数据传输,但目前的困扰是多数物联网采用WiFi、Zigbee等短距离传输,但这些技术覆盖范围小且组网复杂度高,不仅需要支付大量网关建设费用,还得负责多台设备维护成本。又或者选择利用蜂窝网络来做物联网M2M传输,但也不满足物联网设备低功耗、低成本的要求。

近年来各国智慧城市开始建设,推出适合城市物联网应用的低功耗广域网技术(Low Power Wide Area Network;简称LPWAN),可提供低功耗、长距离、易布建、低成本与高可靠的优化的解决方案,被视为城市物联网不可或缺的通讯技术。根据GSMA的预测,2022采用LPWAN连网的终端数将超过50亿台且物联网营运商市场可超过130亿美元,包含:连接费用与附加价值服务(如:系统整合、安全与数据分析等)。

智慧城市

新兴低功耗广域网的技术特性与应用
目前新兴低功耗广域网大约可分为两大阵营,其目标在于打造一个具备长距离、大连接、易布建、超低功耗与低成本的无线网络。其一为采用ISM(Industrial Scientific Medical)的免授权频谱阵营,如:Sigfox、LoRa、Weightless、Wi-Fi HaLow等新生态系统为代表,尤其是Sigfox、LoRa、Weightless等不仅技术已逐步成熟而且不乏国际大厂支持。其二为多数电信运营商拥护的NB-IoT,最大优势是基础设施已经布署完成,大部分的LTE基站可直接支持升级,因此多半电信商、电信设备商因技术平台迁移策略容易而乐于支持该技术。

此外,LPWAN亦具备低功耗特性,未来传感器采用此技术后电池寿命可达10年,可节约电源消耗与维护成本,避免需要时常更新设备电池问题,适合长时间使用与大规模布建的城市网络。而且LPWAN网络数据吞吐量通常为几百bit/s或更少,芯片架构主要支持小数据的传输为主,主要诉求转而朝向更简化、更低数据吞吐量、更小内存,因此具备低成本优势。上述的特性可打造众多新兴智慧城市应用,列举如下:

(一) 智慧农业服务
将NB-IoT模块嵌入土壤温湿度设备,设备亦结合太阳能板进行照度探测,此物联网设备就可以有效侦测可将农场的土壤、空气的湿度温度、土壤PH值、叶子湿度、农作物成熟状况、太阳面板侦测照明强度等数据,并回传至数据库进行分析,可达到农作物生长的历程全程监控。若是进一步搭配昆虫探测、天气预测、可视化的地图显示、农冻灾害侦测等,亦可以预防虫害、掌握农作物疾病的爆发过程,或是了解季节如何影响农作物生长等应用。

(二)智慧市停车管理
城市智慧停车管理,主要透过安置大量传感器于停车场进行停车位的状态侦测,再透过LoRa技术传送至云端,如此可掌握城市内所有停车场的空位信息,协助民众享受便利的车位查询服务,缩短不必要的时间浪费,同时政府单位亦可增加停车场管理效率,并增加停车位的利用率。

(三)智慧电网服务
如智慧电表系列产品,搭载LoRa技术可以提供长距离、小数据传输应用,有效降低人员抄表所产生的成本,也可避免人工抄表的错误率。更重要的是可以确保实时性的尖离峰用电的数据搜集,掌握城市各区域用电状况进行用电调度,并提供阶梯式计费。除了抄表服务之外,还可以透过远程设备监控,并故障排除服务确保电表正常运作。

电信运营商加快建设NB-IoT网络
目前NB-IoT标准已经获得全球主流营运商的支持,重点应用包含停车场感测、水表、农业温湿度传感器、宠物追踪等。NB-IoT随着垂直应用市场、智慧城市应用等催化下将可带来设备规模经济、更具成本效益等好处,将可进一步扩大其物联网业务范畴的影响力。

结论
新兴低功耗广域网的创新有机会实现真正的智慧城市应用,同时也开启系统整合商、电信商一个创造新服务的成长契机。现阶段市场上解决方案较领先的是采用ISM免授权频谱阵营,但ISM的阵营也并非没有缺点,由于众多技术共享相同频段,容易产生干扰与拥塞也意味着服务质量受限,且技术规格尚未统一,使得相对NB-IoT来说,产生全球规模经济需要更久时间。

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