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低功耗广域网在智慧城市中的应用

导读: 城市伴随着经济与科技发展历经多次变革,现今所谈论的智慧城市内涵相较于早期信息城市(Information City)、数字城市(Digital City)及无所不在城市(Ubiquitous City)的概念早已大不相同。

低功耗广域网在智慧城市中的应用

一、各国智慧城市开始发起城市物联网实验计划

城市伴随着经济与科技发展历经多次变革,现今所谈论的智慧城市内涵相较于早期信息城市(Information City)、数字城市(Digital City)及无所不在城市(Ubiquitous City)的概念早已大不相同。今日的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。又或者选择利用传统2G/3G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发起城市物联网实验计划,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。2014年英国的米尔顿凯恩斯发起全球第一次基于LPWAN大规模的物联网专属网络,吸引英国电信(BT)、华为、Samsung等大厂加入实验计划。2015年4月瑞士的Swisscom于苏黎世、日内瓦也成功建设LPWAN来寻求最佳能源效率的物联网基础设施。身为亚洲科技重镇的台北也于2016年打造亚太第一个基于LPWAN城市级物联网实验平台,提供新创或开发团队来申请利用,进行连接传感器、创新实验等,加速智慧城市应用的创新。根据GSMA的预测2018年采用LPWAN连网的终端数将达10亿台,2022年则成长至超过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)。

二、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,其一为采用ISM(Industrial Scientific Medical)的免授权频谱阵营,如:Sigfox(NTT Docomo、SK Telecom、GDF Suez、Air Liquide、Elliott Management等投资)、LoRa联盟(IBM、Semtech、Actility、Cisco等组成)、Weightless(Accenture、ARM等组成)、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,如:AT&T、Vodafone、Deutsche Telekom、Etisalat、华为、中国移动、LG Uplus、Telefonica、Ericsson、Nokia、Qualcomm等。

上述两大阵营瞄准的价值的目标在于打造一个具备长距离、大连结、易布建、超低功耗与低成本的无线网络,而且采用的频段多锁定在Sub-1GHz,例如:LoRa锁定支援频段为150 MHz、433 MHz、850-1GHz,Sigfox锁定支持频段为902 MHz(美国)、868 MHz(欧洲),Weightless锁定支持频段为White Space(700 MHz),IEEE 802.11ah锁定支援频段为900 MHz,Narrowband IoT(简称NB-IoT)锁定3GPP所订定的LTE频段(1GHz以下为主),传输距离则可达5-40公里,主要依据实际场域、建筑物及地形高低起伏等情况而有所差距;根据IBM的建设LoRa经验,曼哈顿下城区(Lower Manhattan)范围约为30平方公里,仅需要7个基地台就可覆盖全区,若是以整个台北市为例,仅需要12个基地台即可达100%覆盖,而且具备大连结的特性使得1个基地台最多可支持上百万个节点,因此相较于传统的短距离传输方案可大幅降低布建成本。

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(Throughput)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,预期Radio芯片成本未来有机会降至2美元以下。上述的特性可打造众多新兴智慧城市应用,列举如下:

(一) 精准式农业服务

德国Deutsche Telekom提出精准式农业物联网服务,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。

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