现今无线通讯发展飞快,全球无线通讯,发展得如火如荼,人们对于行动通讯、影音传输或终端应用的需求日与俱增,所到之处网路无所不在,因此即便4G还再持续扩展布建时, 5G的世代也宣告即将到来,当中所含的商机更是无限。

为了迎接这庞大的通讯蓝海,各国无不积极地要抢先一步占得先机,纷纷投入许多资源及研究,对于下一代5G通讯进行规划和开发,想掌握其中的关键技术及专利,以提高被第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)标准采纳的机会,俾助国内通讯相关产业未来的发展。

5G通讯性能大耀进

在产业发展迅速的情况下,用户端的各样应用也随之增加,在面对全球用户对于数据传输与网路容量需求越来越高的状况下,5G网路便因应而生,3GPP的5G相关的标准技术预计将在2016定案,在2020年预估相关产品将可步入商用阶段。在其未来发展,不仅需要大的传输速率,并且还要比现今大以数倍的连结数,全球将走入万物皆联网的时代(图1)。

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图1 5G发展趋势

知名咨询机构麦肯锡指出,2025年物联网(IoT)的应用产值将达到11.1兆美元,5G提出低延迟、高传输、低耗能、大连结等特性,5G行动通讯预计在2020年全球将有500亿个终端产品具备上网功能,整体系统容量(Capacity)需求也较4G增加1000倍以上,并且其传输延迟必须小于1毫秒(ms),因此下一代5G通讯的效能提升及技术挑战势必比先前更加严峻。

随着智慧电表、智慧家电、智慧工厂、可穿载设备这些应用型终端的大量出现,越来越多的工作和生活都须要透过智慧终端来解决,对此,高密度的连结及降低终端成本需求变得越来越大,必要有新的技术来因应这样的需求。

5G关键技术剖析

在5G未来发展,不仅需要大的传输速率,并且还要比现今大以数倍的连结数,全球将走入万物皆联网的时代,在3GPP首先提出机器对机器(M2M)/机器类型通讯( Machine Type Communication, MTC),其设计的目标主要有更低的设备成本、更低的功耗、更大的覆盖率和支援大量的设备连线,但外界多数认为这只是一个过渡阶段的版本,因为其功耗和建置成本还是过高,对于需要更低功耗及更大量的连结数的应用来说,其还是不够为一可使用的技术,因此3GPP在R13提出一种更低传输资料量,更低的设备成本、更广覆盖率的技术,称做NB-IoT(Narrowband-Internet of Thing),其最大的传输资料量为200kbit/s,频宽也降至200kHz,并且其覆盖率可在提升数倍,因此各主流电信营运商无不极力支持此技术(表1)。

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NB-IoT抢进物联网蓝海

物联网已发展多年,各式的应用及技术都相继被提出,如LoRa和SIGFOX,也都强调低功耗以及广大覆盖率的需求,但由于LoRa及SIGFOX使用非授权频谱,因此代表不管任何人皆可使用此频段,也形成许多不可控制的干扰问题,这变成在使用上非常不可靠,因此全球各大电信营运商倾向支持3GPP所提出之NB-IoT的技术,由于其使用授权频段,并且可以在原本的蜂巢式网路设备上快速部署NB-IoT的建置,对营运商而言便可以节省布建成本及快速整合原有长程演进计画(LTE)网路,因此可以预见未来NB -IoT将为全球主流电信商所推行的方向。

NB-IoT为一低功耗广域网路(Low Power Wide Area,LPWA)的技术,其特点便是极低的功耗和广大的覆盖率及庞大的连结数,其装置覆盖范围可以提升20dB,并且电池寿命可以超过10年以上,每个NB-IoT载波最多可支援二十万个连结,而且根据容量需求,可以透过增加更多载波来扩大规模,使单一基地台便能支援数百万个物联网连结。

在NB-IoT的设计上有几项目标,一为提升涵盖率,可以藉由降低编码率(Coding Rate)来提升讯号的可靠性,进而使讯号强度微弱时,依旧能够正确解调,达到提高覆盖率的目的,另外为要大幅提升电池使用周期,其发送的能量最大为23dBm,约为200毫瓦(mW),还有为降低终端的复杂度,因此其调变上使用恒定包络(Constant Envelope)的方式,可以使功率放大器(Power Amplifier, PA)运作于饱和区间,让传送端有更好的使用效率,在实体层设计上,也可以简化部分元件,使复杂度降低,还有为减少系统频宽,其频宽设计在200kHz,因为在物联网上不需要这么高的传输速率,所以便不需要这么大的频谱,在使用上也能够更弹性地分配,而还有一个重要设计目标就是要大幅的提升系统容量,使得大量的终端能够同时连结,其中一种方法为可以使子载波区间更小,使得在频谱资源分配上能够更加的弹性,切出更多子载波分配给更多的终端。

NB-IoT在频谱上有三种布建方式,第一种为单独布建(Standalone),此种布建方式为使用独立或全球行动通讯系统(GSM)的频谱,彼此不会互相干扰,是最单纯的布建方式,但需要一段自己的频谱。第二种是使用保护频段(Guard Band)来布建,利用LTE频谱边缘保护频段,讯号强度较弱的部分布建,优点是不需要一段自己的频谱,缺点是可能发生与LTE系统干扰问题。

而第三种是在现行运作频段内布建(In Band),部署情境如图2所示,在使用的频谱则选择在低频段上,像是700MHz、800MHz、900MHz等,因为在低频段能有更广的覆盖率,并且有较好的传波特性,对于室内环境可以有更深的渗透率。

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图2 NB-IoT三种部署情境图片来源:NB-IoT enabling new business opportunities, 华为

然而,目前3GPP所提出之NB-IoT也包含各项不同的技术,目前主要可分为两个方向,一为由诺基亚(Nokia)、爱利信(Ericsson)和英特尔(Intel)等阵营支持的NB -LTE(Narrowband-LTE)以及华为和Vodafone支持的NB-CIoT(Narrowband-Cellular IoT),两种技术对于营运商最大的差别在于其可以在现有的LTE环境中,有多少可以重新使用于物联网的应用中。

在NB-LTE几乎可与目前现行的LTE设备相容,但NB-CIoT可说是一个重新设计的技术,须要建构新的晶片,但在其涵盖率可望更加地提升,设备成本也更为降低,因此两个技术可说各有千秋,下面将对两个技术做一概述。

NB-LTE向后兼容降成本

在NB-LTE使用的频宽为200KHz,在下行使用的是正交分频多工存取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)的技术,子载波频宽为15kHz,而在正交频分多工(OFDM)符元(Symbol)以及时隙(Time Slot)和子讯框(Subframe)的区间,与原有的LTE规范相同。

NB-IoT上行使用的是单载波分频多重存取(Single-carrier Frequency-Division Multiple Access, SC-FDMA),子载波频宽为2.5kHz,是原本LTE子载波频宽的六分之一,而在符元以及时隙和子封包的区间为原有LTE的六倍。NB-LTE最主要希望能够使用旧有的LTE实体层部分,并且有相当大的程度能够使用上层的LTE网路,使得营运商在布建时能够减少设备升级的成本,在建置上也能够沿用原有的蜂巢网路架构,达到快速布建的目的。

以下行部分来看,在同步讯号(PSS/SSS)、实体广播通道(PBCH)及实体下行控制通道(PDCCH)等须要去做调整或重新设计,并且在原来一些控制通道,如实体控制格式指示通道(PCFICH)和实体混合自动重传请求指示通道(PHICH),则省略去给资料做传送。而在NB-LTE中,为了将频宽缩减至200kHz,为原本LTE最小频宽1.4MHz的六分之一,因此将传送的时间周期拉长,所以在NB-LTE定义一种新的时间单位,称作M-subframe,其为原有LTE系统连续六个Subframe所构成,因此其时间长度为6毫秒,而六个M-subframe构成一个M-frame(图3),在一个M-subframe,最小的调度单位为一个实体层无线资源区块(Physical Resource Block,PRB),代表一个M-subframe中最多能够支援六个终端。

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图3 NB-LTE下行封包设计图片来源:3GPP TR 45.820

在上行部分,使用的是SC-FDMA,终端能够弹性的使用各个单载波资源,在NB-IoT的应用上,接收端必须要能够容忍非常弱的讯号,而且时间延迟可能会很大,由于每个终端要与基地台做时间的对齐,其时间的误差要小于循环字首(Cyclic Prefix,CP),所以在CP的设计上必须要更加地拉长,因此在子载波频宽的设计上为原来的六分之一,到2.5kHz,这么做也可以使终端设备在频谱上做更弹性的配置。

NB-CIoT新设计大应用

在NB-CIoT中,下行使用的是OFDMA,与以往的LTE系统不同,NB-CIoT使用四十八个频宽为3.75 kHz的子载波,并使用六十四点的快速傅立叶转换(FFT),其取样频率240kHz,也与旧有的LTE系统不同。在时间单位上,NB-CIoT一个封包由八个子封包组成,而在每个子封包可在分为三十二个时隙,每个时隙又分为十七个符元(图4)。

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图4 NB-CIoT下行封包设计图片来源:3GPP TR 45.820

其在各个讯号通道也重新设计,如同步讯号(PSS/SSS),虽也像LTE系统使用固定振幅(Constant Amplitude)的ZC序列(Zadoff-Chu Sequence),但其会复制两次传送,为的是增加侦测的可靠度,而在实体下行分享通道(PDSCH)原本使用涡轮码(Turbo Coding)的编码,也改为适合小资料传输的卷积编码(Convolution Coding),可更加简化系统架构及复杂度,提高系统应对物联网需求的能力。

在上行部分,采用的是分频多重存取(Frequency Division Multiple Access,FDMA)系统,与OFDM系统相比,每个子载波间不需要正交,因此并不需要精确的时间及频率校准,而在频率使用上,NB-CIoT使用三十六个5kHz频宽的子载波,而其支援GMSK(Gaussian-shaped Minimum Shift Keying)的调变,GMSK为恒定包络的调变并且有PSK(Phase Shift Keying)的特性,可提供较高的频谱效益,并且可以使PA运作在饱和区间,得到更有效率的表现。

可以发现在NB-CIoT在整体设计上和以往LTE系统有非常大的不同,不仅在封包时间的架构上,在各个使用的通道也重新设计,因此对于营运商来说,必须要重新设计晶片模组,对于成本及建置的速度上便是一大需要顾及的地方。

NB-LTE与NB-CIoT各有千秋

NB-LTE与NB-CIoT各项技术的比较如表2所示,在NB-LTE中,大部分与原有LTE系统相同,如使用的接取技术和FFT与取样频率的大小等,但NB -CIoT,却是截然不同的设计规格。

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对于营运商来说,NB-LTE能够与旧有的系统直接套用,无须耗费太大的成本,并且能够快速度布建在原有的蜂巢式网路基站中,而NB-CIoT中,不论在封包设计、取样频率或子载波频宽大小上,都与原本LTE不同,但正由于其是专为物联网所重新设计的规格,因此它在各样应用于物联网的特性上,会比NB- LTE更加地适合,如在取样频率上,NB-LTE依旧是1.92MHz,这在设备的成本上依旧会是一大考量,而NB-CIoT的取样频率就降至240kHz,便可以大幅降低设备成本以及耗电量。

NB-CIoT的CP也较NB-LTE更加地长,便更能够抵抗时间的延迟,使传输距离可以更远,所以NB-LTE与NB-CIoT都各有不同的优势与劣势,因此最后定案的技术与运作模式可能要等到3GPP所订出之标准规范后才能明朗化。

最终的NB-IoT的版本可能是这两个版本中选择一个,或是两个技术尽量融合成一个版本,但有几项技术原则必须要存在,包括:NB-IoT要同时支援Standalone、Guard Band及In Band的三种布建方式;使用180kHz的频宽;在下行链路使用OFDMA的系统;在上链使用GMSK或SC-FDMA系统;在L2以上的技术与通信规范,要尽量与原有LTE系统重用。

NB-IoT势在必行

在未来进入万物联网的时代,各种后端应用相继产生,因此要如何使这些应用彻底地实现,以及营运商要如何在这当中分得其中一块大饼,NB-IoT无疑是一个必要推行的技术,由于如SIGFOX或LoRa,其使用免授权频段,对于资料可靠性和安全性是一大考量,重要的是营运商如何在其中获取利益也是须要考量的部分,而NB-IoT由既有的LTE网路架构,再更新其部分设备元件,便能够快速地打入物联网市场,对于未来一日千里的通讯发展及需求,建置及部署的速度无疑是非常关键的考量,并且其使用的是授权频段,对于资料的安全性及可靠度便大大的提升,且可以减少许多不必要的干扰问题,在今年(2016)的年中预计会定出一版NB-IoT的标准规范,届时便能够看见将来的窄频物联网的发展。

(本文来源:新电子)