LPWAN新設計省錢「撇步」

作者 : John Koo,EEWeb

 LPWAN產品的開發涉及兩方面:一方面涉及產品性能,例如裝置運作速度和/或所需的功率;另一方面涉及LTE營運商所能提供的外部網路互通性。

低功耗廣域網路(LPWAN)技術近年來進展神速,如今最具競爭力的兩種LPWAN技術分別是LoRaWAN和LTE。LoRaWAN規格的幕後推動組織是LoRa聯盟,其成員數量近年不斷增加;AT&T和Verizon等LTE營運商也訂定了完整的LTE裝置認證計畫。

LPWAN最適合不需要人為干預且需要較長電池壽命的遠端應用;根據應用的不同,一些裝置在不更換電池的情況下號稱可運作長達10年。LPWAN應用範圍也不斷擴大,包括智慧停車、資產追蹤、動物健康監測和客服自動化等。

各種LPWAN應用

在繁忙的街道上尋找停車位既耗時又令人沮喪,智慧停車位配備了埋入地面的感測器;這些感測器與應用程式連線,讓使用者能夠掌握可用停車位確切位置,不用再漫無目的尋找車位。這些感測器連結到LPWAN網路,可以運作多年、無需人工維護。

利用LTE網路進行的即時資產追蹤既便利又節省成本。例如,配備了LTE裝置的貨櫃可將即時位置資料傳送至貨運公司及其客戶;能追蹤特別是高價值資產(如醫療物資等)的下落,確實可以讓人安心。

透過檢測活動模式來監測農場動物的健康,則是另一個受歡迎的LoRaWAN應用。健康的動物會更活躍;當動物生病時會躺下休息或減少四處走動,透過取得即時報告,農場主可以快速解決問題。

最後,LPWAN還可用於改善客戶服務。例如,一家需要丙烷材料的客戶位置可能距離丙烷供應商所在地很遠,但因為配備LPWAN裝置,供應商可以即時追蹤丙烷存量;當儲存水位下降到預設值,就會自動傳送訊號通知供應商前往補充,不需要打擾客戶,即時資料也可避免丙烷耗盡的情況發生。

 

LPWAN模組被應用於感測器和各種終端,有時也應用在閘道器裝置。

(圖片來源:Nimbelink

 

以LPWAN實現新設計

LoRaWAN使用免執照頻譜,因此使用者無需支付頻譜執照費;LTE使用者則需要為相關應用支付月租費給LTE營運商。在設計網路時,開發人員通常需要經過一些步驟,可以在公司內部進行,也可委託第三方業者進行,取決於專案要求和開發人員的經驗值。包括:

  • 定義產品規格和原型製作(通常在公司內部進行);
  • 根據產品規格進行初始產品性能測試(通常在公司內部進行);
  • 取得所需的認證(通常需要在公司內部和外部進行);
  • 最終測試和產品發表(通常在公司內部進行)。

取得認證的重要性

 LPWAN產品的開發涉及兩方面:一方面涉及產品性能,例如裝置運作速度和/或所需的功率;另一方面涉及LTE營運商所能提供的外部網路互通性。很多國家的營運商都要求裝置取得認證,以確保那些LPWAN裝置能按照營運商的網路規格運作,至少會要求裝置不能導入有害的電諧波,因為這種諧波會對網路造成電磁干擾。

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此外,營運商也會要確保設備的射頻(RF)正常運作,因此取得認證至關重要。某些政府法規也會規定,使用需執照頻譜的LPWAN裝置若未取得認證,就不能在市場上銷售。LoRaWAN (利用免執照頻譜)組織LoRa聯盟,也要求LPWAN裝置需取得認證以確保互通性。

目前針對LPWAN裝置有兩個層級的認證要求:在政府層級,包括美國聯邦通訊委員會(FCC)和歐盟CE認證;其次是各家網路營運商和聯盟所要求的行動電信通用認證,包括:

  • 美國行動電信產業協會(Cellular Telecommunications Industry Association,CTIA)的PTCRB認證,但非該協會會員的Verizon除外。
  • 歐洲與亞洲市場通用的全球認證論壇(Global Certification Forum,GCF)認證。

北美的CTIA於1997年啟動了PTCRB認證。PTCRB使用國際行動設備識別碼(IMEI)追蹤行動裝置、物聯網、M2M裝置和模組以進行認證,涵蓋AT&T、T-Mobile和加拿大網路的營運商認證要求;另外PTCRB認證亦確保裝置RF正確運作,以及SIM卡介面設計正確。

電信業者Verizon擁有自己的認證流程,該公司也非PTCRB成員;因此若需要取得Verizon認證的裝置得通過獨立的Verizon Open Development Initiative (ODI)認證程序。

GCF成立於1999年,提供包括物聯網(IoT)裝置在內的行動和蜂巢式通訊裝置認證,其目的是以3GPP技術確保主要是歐洲和亞洲地區的3GPP技術全球互通性,包括GERAN (GSM)、UTRAN (UMTS)和E-UTRAN (LTE)。

LPWAN模組大幅節省認證成本

影響認證總成本的因素有很多,裝置複雜性、開發人員經驗以及認證前的準備工作都很重要。以下的成本估計(單位:美元)僅供參考:

  • 側重於RF設計的FCC或同等機構測試,用於確保其輻射不會影響其他設備(2,000至6,000美元)。
  • PTCRB認證(2萬至5萬美元,取決於裝置類型)。
  • Verizon ODI認證(最高15萬美元)。
  • GCF認證(2萬至5萬美元,具體取決於裝置類別)。

如果裝置未一次通過認證測試,就會產生額外的成本;認證程序非常昂貴,因為設計一個新的網路有一個學習曲線,除非開發人員較早進行認證,否則很難預測會花費多少時間。

不過對模組供應商來說情況就不同了。模組通過認證後可以一再出售,投資報酬率要比獨立進行開發的公司高得多。對開發人員而言,使用預先認證的模組也可以節省大量的時間和精力,避免從頭開始進行認證過程;終端設備仍然需要取得認證,但過程要簡單得多。

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年9月號;責編:Judith Cheng

(參考原文 :Why Use an LPWAN Module in a New Design?;John Koon)

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