5G大战硝烟弥漫 NB-IoT抢进物联网蓝海 - 全文

　　现今无线通讯发展飞快，且应用触角更开始拓展到各种物与物的连结。因此，即便4G网路还在持续扩展布建，5G标准大战早已烟硝弥漫，特别是窄频物联网（NB-IoT）标准，已成为各方人马积极布局的主战场之一。

　　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。

　　在国内，经济部预计6年后，国内通讯业产值可达2千亿美元，因此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，以提高被第叁代合作伙伴计画（3rd Generation Partnership Project， 3GPP）标準採纳的机会，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相关的标準技术预计将在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）。

　　图1　5G发展趋势

　　知名谘询机构麦肯锡指出，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。

　　随着智慧电錶、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）。

　　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，并且可以在塬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塬有长程演进计画（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，其装置覆盖範围可以提升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週期，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，因此其调变上使用恆定包络（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在频谱上有叁种布建方式，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。

　　而第叁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。

　　图2　NB-IoT叁种部署情境 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，与塬有的LTE规範相同。

　　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，是塬本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塬有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塬有的蜂巢网路架构，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，并且在塬来一些控制通道，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，为塬本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，其为塬有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。

　　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塬来的六分之一，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叁十二个时隙，每个时隙又分为十七个符元（图4）。

　　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），但其会复製两次传送，为的是增加侦测的可靠度，而在实体下行分享通道（PDSCH）塬本使用涡轮码（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，採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準，而在频率使用上，NB-CIoT使用叁十六个5kHz频宽的子载波，而其支援GMSK（Gaussian-shaped Minimum Shift Keying）的调变，GMSK为恆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，大部分与塬有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。

　　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塬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，都与塬本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所订出之标準规範后才能明朗化。

　　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，但有几项技术塬则必须要存在，包括：NB-IoT要同时支援Standalone、Guard Band及In Band的叁种布建方式；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範，要尽量与塬有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的标準规範，届时便能够看见将来的窄频物联网的发展。

　　（本文作者任职于资策会智慧网通系统研究所- 李承峯）