【導(dǎo)讀】物聯(lián)網(wǎng)已發(fā)展多年，各式的應(yīng)用及技術(shù)都相繼被提出，如LoRa和SIGFOX，也都強調(diào)低功耗以及廣大覆蓋率的需求，但由于LoRa及SIGFOX使用非授權(quán)頻譜，因此代表不管任何人皆可使用此頻段，也形成許多不可控制的干擾問題……
現(xiàn)今無線通訊發(fā)展飛快，全球無線通訊，發(fā)展得如火如荼，人們對于行動通訊、影音傳輸或終端應(yīng)用的需求日與俱增，所到之處網(wǎng)路無所不在，因此即便4G還在持續(xù)擴展布建時，5G的時代也宣告即將到來，當(dāng)中所含的商機更是無限。
為了迎接這龐大的通訊藍海，各國無不積極地要搶先一步占得先機，紛紛投入許多資源及研究，對于下一代5G通訊進行規(guī)劃和開發(fā)，想掌握其中的關(guān)鍵技術(shù)及專利，以提高被第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)標(biāo)準(zhǔn)采納的機會，俾助國內(nèi)通訊相關(guān)產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展。
5G通訊性能大耀進
在產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速的情況下，用戶端的各樣應(yīng)用也隨之增加，在面對全球用戶對于數(shù)據(jù)傳輸與網(wǎng)路容量需求越來越高的狀況下，5G網(wǎng)路便因應(yīng)而生，3GPP的5G相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)預(yù)計將在2016定案，在2020年預(yù)估相關(guān)產(chǎn)品將可步入商用階段。在其未來發(fā)展，不僅需要大的傳輸速率，并且還要比現(xiàn)今大以數(shù)倍的連結(jié)數(shù)，全球?qū)⒆呷肴f物皆聯(lián)網(wǎng)的時代(圖1)。
圖1 5G發(fā)展趨勢
知名咨詢機構(gòu)麥肯錫指出，2025年物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的應(yīng)用產(chǎn)值將達到11.1兆美元，5G提出低延遲、高傳輸、低耗能、大連結(jié)等特性，5G行動通訊預(yù)計在2020年全球?qū)⒂?00億個終端產(chǎn)品具備上網(wǎng)功能，整體系統(tǒng)容量(Capacity)需求也較4G增加1000倍以上，并且其傳輸延遲必須小于1毫秒(ms)，因此下一代5G通訊的效能提升及技術(shù)挑戰(zhàn)勢必比先前更加嚴(yán)峻。
隨著智慧電表、智慧家電、智慧工廠、可穿載設(shè)備這些應(yīng)用型終端的大量出現(xiàn)，越來越多的工作和生活都須要透過智慧終端來解決，對此，高密度的連結(jié)及降低終端成本需求變得越來越大，必要有新的技術(shù)來因應(yīng)這樣的需求。
5G關(guān)鍵技術(shù)剖析
在5G未來發(fā)展，不僅需要大的傳輸速率，并且還要比現(xiàn)今大以數(shù)倍的連結(jié)數(shù)，全球?qū)⒆呷肴f物皆聯(lián)網(wǎng)的時代，在3GPP首先提出機器對機器(M2M)/機器類型通訊( Machine Type Communication, MTC)，其設(shè)計的目標(biāo)主要有更低的設(shè)備成本、更低的功耗、更大的覆蓋率和支援大量的設(shè)備連線，但外界多數(shù)認為這只是一個過渡階段的版本，因為其功耗和建置成本還是過高，對于需要更低功耗及更大量的連結(jié)數(shù)的應(yīng)用來說，其還是不夠為一可使用的技術(shù)，因此3GPP在R13提出一種更低傳輸資料量，更低的設(shè)備成本、更廣覆蓋率的技術(shù)，稱做NB-IoT(Narrowband-Internet of Thing)，其最大的傳輸資料量為200kbit/s，頻寬也降至200kHz，并且其覆蓋率可在提升數(shù)倍，因此各主流電信營運商無不極力支持此技術(shù)(表1)。
NB-IoT搶進物聯(lián)網(wǎng)藍海
物聯(lián)網(wǎng)已發(fā)展多年，各式的應(yīng)用及技術(shù)都相繼被提出，如LoRa和SIGFOX，也都強調(diào)低功耗以及廣大覆蓋率的需求，但由于LoRa及SIGFOX使用非授權(quán)頻譜，因此代表不管任何人皆可使用此頻段，也形成許多不可控制的干擾問題，這變成在使用上非常不可靠，因此全球各大電信營運商傾向支持3GPP所提出之NB-IoT的技術(shù)，由于其使用授權(quán)頻段，并且可以在原本的蜂巢式網(wǎng)路設(shè)備上快速部署NB-IoT的建置，對營運商而言便可以節(jié)省布建成本及快速整合原有長程演進計畫(LTE)網(wǎng)路，因此可以預(yù)見未來NB -IoT將為全球主流電信商所推行的方向。
NB-IoT為一低功耗廣域網(wǎng)路(Low Power Wide Area,LPWA)的技術(shù)，其特點便是極低的功耗和廣大的覆蓋率及龐大的連結(jié)數(shù)，其裝置覆蓋范圍可以提升20dB，并且電池壽命可以超過10年以上，每個NB-IoT載波最多可支援二十萬個連結(jié)，而且根據(jù)容量需求，可以透過增加更多載波來擴大規(guī)模，使單一基地臺便能支援?dāng)?shù)百萬個物聯(lián)網(wǎng)連結(jié)。
在NB-IoT的設(shè)計上有幾項目標(biāo)，一為提升涵蓋率，可以藉由降低編碼率(Coding Rate)來提升訊號的可靠性，進而使訊號強度微弱時，依舊能夠正確解調(diào)，達到提高覆蓋率的目的，另外為要大幅提升電池使用周期，其發(fā)送的能量最大為23dBm，約為200毫瓦(mW)，還有為降低終端的復(fù)雜度，因此其調(diào)變上使用恒定包絡(luò)(Constant Envelope)的方式，可以使功率放大器(Power Amplifier, PA)運作于飽和區(qū)間，讓傳送端有更好的使用效率，在實體層設(shè)計上，也可以簡化部分元件，使復(fù)雜度降低，還有為減少系統(tǒng)頻寬，其頻寬設(shè)計在200kHz，因為在物聯(lián)網(wǎng)上不需要這么高的傳輸速率，所以便不需要這么大的頻譜，在使用上也能夠更彈性地分配，而還有一個重要設(shè)計目標(biāo)就是要大幅的提升系統(tǒng)容量，使得大量的終端能夠同時連結(jié)，其中一種方法為可以使子載波區(qū)間更小，使得在頻譜資源分配上能夠更加的彈性，切出更多子載波分配給更多的終端。
NB-IoT在頻譜上有三種布建方式，第一種為單獨布建(Standalone)，此種布建方式為使用獨立或全球行動通訊系統(tǒng)(GSM)的頻譜，彼此不會互相干擾，是最單純的布建方式，但需要一段自己的頻譜。第二種是使用保護頻段(Guard Band)來布建，利用LTE頻譜邊緣保護頻段，訊號強度較弱的部分布建，優(yōu)點是不需要一段自己的頻譜，缺點是可能發(fā)生與LTE系統(tǒng)干擾問題。
而第三種是在現(xiàn)行運作頻段內(nèi)布建(In Band)，部署情境如圖2所示，在使用的頻譜則選擇在低頻段上，像是700MHz、800MHz、900MHz等，因為在低頻段能有更廣的覆蓋率，并且有較好的傳波特性，對于室內(nèi)環(huán)境可以有更深的滲透率。
圖2 NB-IoT三種部署情境圖片來源：NB-IoT enabling new business opportunities, 華為
然而，目前3GPP所提出之NB-IoT也包含各項不同的技術(shù)，目前主要可分為兩個方向，一為由諾基亞(Nokia)、愛利信(Ericsson)和英特爾(Intel)等陣營支持的NB -LTE(Narrowband-LTE)以及華為和Vodafone支持的NB-CIoT(Narrowband-Cellular IoT)，兩種技術(shù)對于營運商最大的差別在于其可以在現(xiàn)有的LTE環(huán)境中，有多少可以重新使用于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中。
在NB-LTE幾乎可與目前現(xiàn)行的LTE設(shè)備相容，但NB-CIoT可說是一個重新設(shè)計的技術(shù)，須要建構(gòu)新的晶片，但在其涵蓋率可望更加地提升，設(shè)備成本也更為降低，因此兩個技術(shù)可說各有千秋，下面將對兩個技術(shù)做一概述。
NB-LTE向后兼容降成本
在NB-LTE使用的頻寬為200KHz，在下行使用的是正交分頻多工存取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)的技術(shù)，子載波頻寬為15kHz，而在正交頻分多工(OFDM)符元(Symbol)以及時隙(Time Slot)和子訊框(Subframe)的區(qū)間，與原有的LTE規(guī)范相同。
NB-IoT上行使用的是單載波分頻多重存取(Single-carrier Frequency-Division Multiple Access, SC-FDMA)，子載波頻寬為2.5kHz，是原本LTE子載波頻寬的六分之一，而在符元以及時隙和子封包的區(qū)間為原有LTE的六倍。NB-LTE最主要希望能夠使用舊有的LTE實體層部分，并且有相當(dāng)大的程度能夠使用上層的LTE網(wǎng)路，使得營運商在布建時能夠減少設(shè)備升級的成本，在建置上也能夠沿用原有的蜂巢網(wǎng)路架構(gòu)，達到快速布建的目的。
以下行部分來看，在同步訊號(PSS/SSS)、實體廣播通道(PBCH)及實體下行控制通道(PDCCH)等須要去做調(diào)整或重新設(shè)計，并且在原來一些控制通道，如實體控制格式指示通道(PCFICH)和實體混合自動重傳請求指示通道(PHICH)，則省略去給資料做傳送。而在NB-LTE中，為了將頻寬縮減至200kHz，為原本LTE最小頻寬1.4MHz的六分之一，因此將傳送的時間周期拉長，所以在NB-LTE定義一種新的時間單位，稱作M-subframe，其為原有LTE系統(tǒng)連續(xù)六個Subframe所構(gòu)成，因此其時間長度為6毫秒，而六個M-subframe構(gòu)成一個M-frame(圖3)，在一個M-subframe，最小的調(diào)度單位為一個實體層無線資源區(qū)塊(Physical Resource Block,PRB)，代表一個M-subframe中最多能夠支援六個終端。
圖3 NB-LTE下行封包設(shè)計圖片來源：3GPP TR 45.820
在上行部分，使用的是SC-FDMA，終端能夠彈性的使用各個單載波資源，在NB-IoT的應(yīng)用上，接收端必須要能夠容忍非常弱的訊號，而且時間延遲可能會很大，由于每個終端要與基地臺做時間的對齊，其時間的誤差要小于循環(huán)字首(Cyclic Prefix,CP)，所以在CP的設(shè)計上必須要更加地拉長，因此在子載波頻寬的設(shè)計上為原來的六分之一，到2.5kHz，這么做也可以使終端設(shè)備在頻譜上做更彈性的配置。
NB-CIoT新設(shè)計大應(yīng)用
在NB-CIoT中，下行使用的是OFDMA，與以往的LTE系統(tǒng)不同，NB-CIoT使用四十八個頻寬為3.75 kHz的子載波，并使用六十四點的快速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)，其取樣頻率240kHz，也與舊有的LTE系統(tǒng)不同。在時間單位上，NB-CIoT一個封包由八個子封包組成，而在每個子封包可在分為三十二個時隙，每個時隙又分為十七個符元(圖4)。
圖4 NB-CIoT下行封包設(shè)計圖片來源：3GPP TR 45.820
其在各個訊號通道也重新設(shè)計，如同步訊號(PSS/SSS)，雖也像LTE系統(tǒng)使用固定振幅(Constant Amplitude)的ZC序列(Zadoff-Chu Sequence)，但其會復(fù)制兩次傳送，為的是增加偵測的可靠度，而在實體下行分享通道(PDSCH)原本使用渦輪碼(Turbo Coding)的編碼，也改為適合小資料傳輸?shù)木矸e編碼(Convolution Coding)，可更加簡化系統(tǒng)架構(gòu)及復(fù)雜度，提高系統(tǒng)應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)需求的能力。
在上行部分，采用的是分頻多重存取(Frequency Division Multiple Access,FDMA)系統(tǒng)，與OFDM系統(tǒng)相比，每個子載波間不需要正交，因此并不需要精確的時間及頻率校準(zhǔn)，而在頻率使用上，NB-CIoT使用三十六個5kHz頻寬的子載波，而其支援GMSK(Gaussian-shaped Minimum Shift Keying)的調(diào)變，GMSK為恒定包絡(luò)的調(diào)變并且有PSK(Phase Shift Keying)的特性，可提供較高的頻譜效益，并且可以使PA運作在飽和區(qū)間，得到更有效率的表現(xiàn)。
可以發(fā)現(xiàn)在NB-CIoT在整體設(shè)計上和以往LTE系統(tǒng)有非常大的不同，不僅在封包時間的架構(gòu)上，在各個使用的通道也重新設(shè)計，因此對于營運商來說，必須要重新設(shè)計晶片模組，對于成本及建置的速度上便是一大需要顧及的地方。
NB-LTE與NB-CIoT各有千秋
NB-LTE與NB-CIoT各項技術(shù)的比較如表2所示，在NB-LTE中，大部分與原有LTE系統(tǒng)相同，如使用的接取技術(shù)和FFT與取樣頻率的大小等，但NB -CIoT，卻是截然不同的設(shè)計規(guī)格。
對于營運商來說，NB-LTE能夠與舊有的系統(tǒng)直接套用，無須耗費太大的成本，并且能夠快速度布建在原有的蜂巢式網(wǎng)路基站中，而NB-CIoT中，不論在封包設(shè)計、取樣頻率或子載波頻寬大小上，都與原本LTE不同，但正由于其是專為物聯(lián)網(wǎng)所重新設(shè)計的規(guī)格，因此它在各樣應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的特性上，會比NB- LTE更加地適合，如在取樣頻率上，NB-LTE依舊是1.92MHz，這在設(shè)備的成本上依舊會是一大考量，而NB-CIoT的取樣頻率就降至240kHz，便可以大幅降低設(shè)備成本以及耗電量。
NB-CIoT的CP也較NB-LTE更加地長，便更能夠抵抗時間的延遲，使傳輸距離可以更遠，所以NB-LTE與NB-CIoT都各有不同的優(yōu)勢與劣勢，因此最后定案的技術(shù)與運作模式可能要等到3GPP所訂出之標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范后才能明朗化。
最終的NB-IoT的版本可能是這兩個版本中選擇一個，或是兩個技術(shù)盡量融合成一個版本，但有幾項技術(shù)原則必須要存在，包括：NB-IoT要同時支援Standalone、Guard Band及In Band的三種布建方式；使用180kHz的頻寬；在下行鏈路使用OFDMA的系統(tǒng)；在上鏈?zhǔn)褂肎MSK或SC-FDMA系統(tǒng)；在L2以上的技術(shù)與通信規(guī)范，要盡量與原有LTE系統(tǒng)重用。
NB-IoT勢在必行
在未來進入萬物聯(lián)網(wǎng)的時代，各種后端應(yīng)用相繼產(chǎn)生，因此要如何使這些應(yīng)用徹底地實現(xiàn)，以及營運商要如何在這當(dāng)中分得其中一塊大餅，NB-IoT無疑是一個必要推行的技術(shù)，由于如SIGFOX或LoRa，其使用免授權(quán)頻段，對于資料可靠性和安全性是一大考量，重要的是營運商如何在其中獲取利益也是須要考量的部分，而NB-IoT由既有的LTE網(wǎng)路架構(gòu)，再更新其部分設(shè)備元件，便能夠快速地打入物聯(lián)網(wǎng)市場，對于未來一日千里的通訊發(fā)展及需求，建置及部署的速度無疑是非常關(guān)鍵的考量，并且其使用的是授權(quán)頻段，對于資料的安全性及可靠度便大大的提升，且可以減少許多不必要的干擾問題，在今年(2016)的年中預(yù)計會定出一版NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，屆時便能夠看見將來的窄頻物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。
推薦閱讀：
