隨著IoT追蹤裝置市場的快速成長，以及各種利用衛星定位和蜂巢式通訊技術的使用案例日漸增加，也推動了IoT追蹤解決方案的持續演進。
多樣化追蹤應用需多元解決方案
常見的追蹤使用案例可分為車隊管理、資產追蹤、汽車服務、以及動物追蹤四大類，而每一類型都涵蓋了各類應用。以車隊管理為例，包括物流貨車、租賃汽車、計程車、救護車、網路叫車(Ride-hailing)和微移動車(Micro-mobility)等，不同情境都需要用到追蹤技術。資產追蹤則涵蓋貨櫃卡車、棧板、昂貴設備的追蹤，人和動物追蹤可用在老人、孩童、寵物、野生動物、以及獨立工作人員的定位。
面對多元的追蹤需求，市場上已有各種不同的解決方案可供選擇。過去，IoT追蹤解決方案通常是由完全獨立的模組所組成，其中包括具獨立RF前端和天線的GNSS接收器，並與亦具有獨立RF前端和天線的蜂巢式數據機組合在一起。但是，為了減小尺寸和材料清單(BOM)，硬體供應商往往會削減一些元件，再把所有元件整合到一顆系統單晶片(SoC)設計中。
然而，對GNSS定位接收器和蜂巢式數據機的效能來說，這是有代價的。在大多數的這類解決方案中，GNSS接收器和蜂巢式數據機需共享一個RF前端，這意味著不可能同時接收GNSS和蜂巢式訊號。此外，有些解決方案把蜂巢式數據機的最大發射功率降低3dB，以減少其材料清單，但這會造成需要重新傳輸、延遲更長、功耗增加，而且在室內等嚴苛環境中，覆蓋範圍會變小。
為了因應IoT追蹤市場對精巧、成本效益方案的需求，但又無法接受採用SoC架構造成的效能犧牲，廠商如u-blox提出了一種替代方法，稱為組合式(Combo)解決方案。以SARA-R510M8S為例，這是市場上基於精簡晶片設計(Chip-down Design)的組合式追蹤方案，在單一模組中提供完全整合的GNSS定位和蜂巢式通訊功能，無須為了減小產品尺寸，在效能方面妥協。
雖然組合式解決方案可滿足多樣化IoT追蹤市場中的部分需求，但它們無法完全取代分立式(Stand-alone)解決方案(圖1)。對於需要高度設計靈活性或優異效能的應用來說，分立式解決方案仍是首選的硬體架構。由於沒有一體適用的解決方案，因此開發人員必須權衡不同架構的優缺點，為其特定應用選擇最適切的硬體架構。
設計要求取得平衡
要在功能性、效能、功耗、尺寸和成本之間找到最佳平衡不是一件容易的事。對設計開發人員來說，必須整體考慮以下因素，才能找到最佳的硬體解決方案：
・GNSS效能/準確度：
近年來，GNSS效能已獲得顯著提升，能符合嚴苛的應用需求。最新一代的多頻GNSS接收器還可同步接收多個定位系統的訊號，使準確度達到公尺以內的等級。若再採用GNSS校正服務，更可以進一步提升到公分級的精準度。
・GNSS可用性：
在隧道、停車場、以及大樓林立的都會區，GNSS接收器會因為訊號微弱而無法準確定位。透過採用整合蜂巢式技術的混合定位方案以及慣性導航技術，能夠擴大覆蓋範圍，並提升在嚴苛環境的執行效能。
・蜂巢式網路可用性：
即時追蹤服務推升了對蜂巢網路覆蓋範圍的需求。以車隊管理為例，需要能隨時掌握車輛的定位並與其互動。因此，蜂巢式模組最好能提供最大範圍的服務可用性。透過利用5G就緒的低功耗廣域(LPWA)蜂巢式技術(LTE-M/NB-IoT)，或是提供與既有技術的向後相容性，可達到此一目標。
・同步運作能力：
受限於尺寸、成本的要求，有些追蹤裝置會採用整合式LTE和GNSS解決方案。但是，這類方案通常採用共享的RF前端設計，使其無法同步接收蜂巢式和GNSS訊號。這會造成無法在需要時取得GNSS定位修正，以及延遲和耗電等多項缺點。
・安全性：
為防止各種詐欺，例如逃避以路程計算的過路費、把共享汽車開到地理圍欄以外的區域、或使追蹤資產消失等行為，GNSS安全性已日益重要。此外，對於利用蜂巢式網路傳輸重要商業或個人資訊，特別是追蹤重要資產時，安全防護機制也同樣重要。對此，需要強韌的端到端安全防護機制，以確保從GNSS接收器到雲端的數據安全。
此外，針對各種電池供電，以及成本敏感的IoT追蹤應用，功耗、尺寸和成本更是選擇方案時的重要考量。
兩種解決方案之比較
為滿足市場對更小、更具成本效益追蹤解決方案的需求，廠商如u-blox開發了結合LTE和GNSS的組合式追蹤模組，採用LPWA技術，適用於尺寸、價格受限，以及效能要求不高的IoT應用(圖2)。
在尺寸和成本降低方面，透過把蜂巢式和GNSS晶片整合在單一模組中，與分立式方案相比，尺寸可減少14%，而且成本也更低，但這並不意味著需要犧牲效能。利用專用的LTE RF前端，此模組能充分發揮LTE晶片組的效能，並提供23dBm的傳輸功率，比目前市場上的標準SoC解決方案更理想。
組合式模組中的GNSS接受器採用完整的精簡晶片設計，其中包含最佳化效能所需的所有元件(天線介面、LNA、SAW濾波器、被動濾波器)，因此在靈敏度、準確性、首次定位時間等方面，可提供良好的效能。此外，與目前市場上的標準SoC解決方案不同，該組合式模組為GNSS和LTE提供兩個獨立的專用RF前端，消除了兩個RF元件之間的訊號干擾，使GNSS和LTE可以同步運作。
在安全防護機制和通訊服務方面，此組合式模組具備基於信任根(Root of Trust)的Secure Cloud功能，提供完整端到端安全防護機制的安全即服務(Security-as-a-service, SaaS)，使得此輕量、低功耗模組能確保從晶片到雲端平台的安全性。
儘管組合模組已可滿足大部分IoT應用，但是，還是有一些使用案例需要更低功耗、更高效能、更強的設計靈活性，以及技術之間的獨立性。在此情況下，包含GNSS模組和單獨LTE模組的分立式解決方案可能是最合適的。
相較於組合式模組，分立式解決方案的優勢包含：
・採用功率最佳化的GNSS接收器，具低功耗特性。
・採用慣性導航技術，在訊號微弱條件下仍能進行定位。
・採用多頻和高精準度解決方案，可實現公尺以下的定位準確度。
・GNSS模組容易升級，以支援先進裝置的需求。
根據需求選擇模組
針對特別嚴苛要求的應用，可能需要自訂GNSS和LTE的組合方式。廠商GNSS解決方案能以晶片組或模組形式供應，包括：單頻和雙頻GNSS接收器、標準精準度和高精準度GNSS接收器、超低功耗接收器、以及慣性導航解決方案。藉由此完整的產品組合，才能全方位滿足不同的應用需求。
從本文的說明可知，沒有一種單一硬體架構可以滿足多樣化IoT追蹤市場的全部需求。無論是整合GNSS和LTE的組合式模組，或是分立式模組，都各自有其適用的使用案例。圖3提供了基本的選用準則，可協助產品開發人員依據使用案例選擇最適切的技術方案。
除了功耗、尺寸和成本之外，產品開發人員應根據GNSS效能/準確度/可用性、蜂巢式網路可用性、同步運作能力、以及安全性等面向，詳細了解各種硬體架構的特性，才能選用適合的技術方案，實現最佳的IoT追蹤應用。
(本文作者皆任職於u-blox)
