新增Cat.M/NB-IoT規(guī)格　LTE R13版強(qiáng)化MTC技術(shù)

　　機(jī)器類(lèi)型通訊(MTC)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)應(yīng)用，達(dá)成萬(wàn)物互連的關(guān)鍵技術(shù)，因此3GPP在今年將制定完成的第十三版LTE標(biāo)準(zhǔn)中，提出Cat.M與窄頻物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)兩項(xiàng)新規(guī)格，期讓LTE達(dá)到更低功耗、成本和資料率，滿(mǎn)足大量機(jī)器間的通訊需求。

　　現(xiàn) 今無(wú)線通訊發(fā)展飛快，全球4G無(wú)線通訊，發(fā)展得如火如荼，人們對(duì)于行動(dòng)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(wú)所不在，因此即便4G還再 持續(xù)擴(kuò)展布建時(shí)，5G的世代也宣告即將到來(lái)，當(dāng)中所含的商機(jī)更是無(wú)限，在國(guó)內(nèi)，經(jīng)濟(jì)部預(yù)計(jì)6年后，國(guó)內(nèi)通訊業(yè)產(chǎn)值可達(dá)2千億美元，因此為了迎接這龐大的通 訊藍(lán)海，各國(guó)無(wú)不積極的要搶先一步占得先機(jī)，紛紛投入許多資源及研究，對(duì)于下一代5G通訊進(jìn)行規(guī)劃和開(kāi)發(fā)，想掌握其中的關(guān)鍵技術(shù)及專(zhuān)利，以提高被 3GPP(3rd Generation Partnership Project)標(biāo)準(zhǔn)采納的機(jī)會(huì)，俾助國(guó)內(nèi)通訊相關(guān)產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展。

　　5G通訊性能大躍進(jìn)

　　在3GPP R12版本將標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)作LTE-A(LTE-Advanced)，在過(guò)去的3年大大地促進(jìn)了整個(gè)無(wú)線通訊產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，截至2015年9月，全球已經(jīng)建成 LTE-A網(wǎng)路達(dá)95張，1/3的LTE終端同時(shí)也支援LTE-A。而在今年2016將訂定完成的R13版本，3GPP將其標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)為L(zhǎng)TE- Advanced pro，被視為與未來(lái)5G的銜接版本，LTE-Advanced pro的目標(biāo)是為了保持與LTE/LTE-A的向后兼容性(圖1)，比先前的版本進(jìn)一步提高傳輸速度、擴(kuò)大系統(tǒng)容量及降低延遲等，作為進(jìn)入5G前的演進(jìn)版 本。

　　圖1　LTE各版本演進(jìn)

　　在 產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速的情況下，用戶(hù)端的各樣應(yīng)用也隨之增加，在面對(duì)全球用戶(hù)對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸與網(wǎng)路容量需求越來(lái)越高的狀況下，5G網(wǎng)路便因應(yīng)而生，5G提出低延遲、 高傳輸、低耗能、大連結(jié)等特性，5G行動(dòng)通訊預(yù)計(jì)在2020年全球?qū)⒂?00億個(gè)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1ms，因此下一代5G通訊的效能提升及技術(shù)挑戰(zhàn)勢(shì)必比先前更加嚴(yán)峻，與4G網(wǎng)路速度相比較，用5G網(wǎng)路下載一 部高清的電影約只需要1秒鐘上下，且隨著智慧型手機(jī)、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(lái)越多的工作和生活都需要透過(guò)智慧終端 來(lái)解決，因此，對(duì)大流量的資料傳遞以及高密度的連結(jié)需求變得越來(lái)越大，必要有新的技術(shù)來(lái)因應(yīng)這樣的需求，5G網(wǎng)路不僅擁有更快的傳送速率，高傳輸、低延 遲、高可靠、低功耗等特點(diǎn)，皆讓其擁有更高的性能表現(xiàn)。最重要的是，它是基于未來(lái)發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)的網(wǎng)路技術(shù)。

　　5G關(guān)鍵技術(shù)剖析

　　5G的標(biāo)準(zhǔn)制定預(yù)計(jì)將在2016進(jìn)行，在2020年預(yù)估相關(guān)產(chǎn)品將可步入 商用階段，各國(guó)也已經(jīng)開(kāi)始提出各樣技術(shù)，要滿(mǎn)足未來(lái)5G世代的通訊需求，其中的關(guān)鍵技術(shù)如LTE輔助授權(quán)接入(Licensed assisted access, LAA)、LTE機(jī)器類(lèi)型通訊(Machine type communication, MTC)、Massive MIMO(Multiple input multiple output)、3D/FD-MIMO(FD, Full Dimension)、FDD/TDD混頻載波聚合(Carrier aggregation, CA)等，都是為了5G所提出的關(guān)鍵技術(shù)，使其可以達(dá)到高傳輸、大連結(jié)、低延遲等特性，在3GPP標(biāo)準(zhǔn)也陸續(xù)訂定這些技術(shù)的規(guī)范，其中MTC更是在未來(lái)進(jìn) 入5G通訊不可或缺的技術(shù)(圖2)。

　　圖2　5G系統(tǒng)概況

　　MTC搶攻物聯(lián)藍(lán)海

　　在5G未來(lái)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(wàn)物皆聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，知名諮詢(xún)機(jī)構(gòu)麥肯錫指出，2025年物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用產(chǎn)值將達(dá)到11.1兆美元，因此在LTE專(zhuān)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的機(jī)器類(lèi)型通訊(MTC)便是一個(gè)相當(dāng)重要的議題。

　　MTC 為機(jī)器對(duì)機(jī)器之間的通訊，不同的裝置間能夠互相溝通進(jìn)行資料的傳輸交換，能夠在設(shè)備之間作更有效的控制，比起傳統(tǒng)方式，能夠給予更高效率且低出錯(cuò)率的設(shè)備 管控，MTC不只是單單的數(shù)據(jù)在機(jī)器和機(jī)器之間的傳輸，更重要的是，它是機(jī)器和機(jī)器之間的一種智能化、互動(dòng)式的通信。也就是說(shuō)，即使人們沒(méi)有發(fā)出信號(hào)，機(jī) 器也會(huì)根據(jù)既定程式主動(dòng)進(jìn)行通信，并根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)去作分析，對(duì)相關(guān)設(shè)備發(fā)出相對(duì)應(yīng)的指令。

　　在MTC中為了發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的特性，因此在設(shè)計(jì)時(shí)有幾項(xiàng)主要的項(xiàng)目：

　　.更低的設(shè)備成本

　　對(duì) 于將來(lái)萬(wàn)物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，必須有非常大量的終端設(shè)置，因此成本便是相當(dāng)大的考量，過(guò)去由于追求高品質(zhì)的網(wǎng)路服務(wù)，在手機(jī)上要觀看更高清的影片或更高效的運(yùn)算 速度，使得終端設(shè)計(jì)必須更加的復(fù)雜，來(lái)解決大量的運(yùn)算處理，以至于在終端設(shè)備上需要更昂貴的成本，但在設(shè)備之間的通訊，并不在意這么高的傳輸速率，只要幾 kbps甚至幾百bps即可滿(mǎn)足需求，所以在終端晶片上，便不需要這么復(fù)雜的設(shè)計(jì)，進(jìn)而降低終端設(shè)備的成本。

　　.更長(zhǎng)的電池壽命

　　在 目前手機(jī)或者平板的耗電量是相當(dāng)驚人的，通常使用不到一天就必需充電，但在設(shè)備之間的通訊，并不適用這么高的耗電量，不僅提高維護(hù)上的困難，在用電成本上 也是一大考量，且在物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備中，必須長(zhǎng)期保持在運(yùn)行的狀態(tài)，如果因電力中斷，而導(dǎo)致設(shè)備停止，將造成不可預(yù)期的損失，因此在電力配置上，都希望其設(shè)備 可以使用相當(dāng)長(zhǎng)久的時(shí)間，甚至十年以上都不需更換電池。

　　.更大的覆蓋率

　　改善覆蓋率在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中為相當(dāng)重要的 議題，因?yàn)閼?yīng)用的終端通常都不在可視的范圍內(nèi)，例如智慧電表，一般設(shè)置在地下室或隱蔽的地方，在工業(yè)的應(yīng)用里，像在物件的輸送帶上，也都常在許多被遮蔽的 位置，在這些地方，通常訊號(hào)衰減的快，強(qiáng)度較弱，所以在覆蓋率的表現(xiàn)勢(shì)必要得到提升，設(shè)備必需要能夠容忍更低的訊號(hào)強(qiáng)度。

　　.支援大量的設(shè)備連線

　　在未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)成長(zhǎng)的速度相信會(huì)大過(guò)一般的行動(dòng)網(wǎng)路，因此在基地臺(tái)端必須要能夠承載相當(dāng)大量的終端設(shè)備，在后端的核心網(wǎng)路必須要能夠同時(shí)應(yīng)付許多的終端連結(jié)，所以在排程設(shè)計(jì)上也會(huì)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

　　在 3GPP標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于UE能夠支援的傳輸?shù)燃?jí)稱(chēng)作UE-Category，在R11以前分為1~10共10個(gè)等級(jí)，其中Cat.1-5為R8所定 義，Cat.6-8為R10定義，Cat.9-10為R11定義，而在R12時(shí)，為了因應(yīng)MTC所要的需求，更低的傳輸速率及更低的功耗，因此又再新增 Cat.0的等級(jí)，相關(guān)的速率及配置如表1所示，Cat.0及Cat.1都是能夠支援MTC的配置，對(duì)于將來(lái)行動(dòng)穿戴裝置或智慧家電等都是其可應(yīng)用的范 圍，而在R13版本的Cat.M或NB-IoT(Narrow Band–Internet of things)，更是降低其傳輸?shù)馁Y料上限及頻寬，目的就是為了要再降低設(shè)備成本及功耗。

　　對(duì) 于降低終端設(shè)備成本，在LTE中提出幾項(xiàng)方法，其中一個(gè)是半雙工(Half Duplex)的設(shè)計(jì)，在MTC的環(huán)境中，不需要這么高的傳輸速度，因此可以使用半雙工的方式來(lái)減少設(shè)備的成本，在半雙工的使用上只需要多一個(gè)切換器去改 變發(fā)送或接收的模式，比起全雙工(Full Duplex)所需的元件，使用半雙工的成本更為低廉，并且也能夠降低電力的消耗，無(wú)疑是在MTC需求下有效降低成本的方法。

　　半雙工 模式在3GPP R8時(shí)就有定義，而在R12時(shí)對(duì)于半雙工分別列出type A 與type B兩種類(lèi)型，其中Type B為專(zhuān)為Cat.0所用，如表2所示，其兩種差別在于type A下，UE在發(fā)送上行訊號(hào)時(shí)，其前面一個(gè)子訊框(Subframe)的下行訊號(hào)中最后一個(gè)符元(Symbol)不接收，用來(lái)作為保護(hù)區(qū)間(Guard Period, GP)，而在type B下，UE在發(fā)送上行訊號(hào)時(shí)，其前面的子訊框與后面的子訊框都不接收下行訊號(hào)，使得保護(hù)區(qū)間加長(zhǎng)，對(duì)于設(shè)備的要求更加得降低，并且也使訊號(hào)的可靠度上 升。

　　另 外可以注意到的一個(gè)新技術(shù)為NB-IoT，NB-IoT為R13所提出的標(biāo)準(zhǔn)，其目的是朝向一個(gè)更低復(fù)雜度和低吞吐量所設(shè)計(jì)的新無(wú)線接入系統(tǒng)，來(lái)解決蜂巢 式物聯(lián)網(wǎng)(Cellular IoT)的需求，其下行訊號(hào)使用NB-OFDMA系統(tǒng)(圖3)，上行使用FDMA的接入系統(tǒng)，在NB-OFDMA下，使用72個(gè)頻寬為2.5KHz的子載 波(Subcarrier)傳輸，使頻譜有更高的使用效率，并在同一個(gè)蜂巢網(wǎng)路允許大量的設(shè)備同時(shí)使用，提供更廣的覆蓋范圍，其能夠使用在一個(gè)LTE的資 源區(qū)塊(Resource Block, RB)內(nèi)(180kHz頻寬)，或者是在沒(méi)有使用到之RB旁的保護(hù)區(qū)間(GP)，亦或是使用獨(dú)立出來(lái)的一個(gè)專(zhuān)用頻譜，而在上行使用的是FDMA的系統(tǒng)搭配 GMSK(Gaussian-shaped Minimum Shift Keying)或者是PSK(Phase Shift Keying)的調(diào)變，其可以提高頻譜的使用效益，并且降低元件的復(fù)雜度，可以發(fā)現(xiàn)NB-IoT為一個(gè)不同以往LTE系統(tǒng)的一種新設(shè)計(jì)規(guī)格，可說(shuō)是為了物 聯(lián)網(wǎng)而獨(dú)立出來(lái)的一個(gè)系統(tǒng)。

　　圖3　NB-OFDMA頻譜

　　在Cat.1及Cat.0或更低的UE等級(jí)中，其最大傳輸速度也限制在1Mbps以下，并且只支援一根天線，目的也是減少元件成本及不使用過(guò)于復(fù)雜的演算法。

　　而 在延長(zhǎng)使用電力方面，在3GPP R12標(biāo)準(zhǔn)中定義一種電力節(jié)省模式(Power Saving Mode, PSM)，PSM為一種特殊的終端狀態(tài)，可以最小化電力的消耗，一般認(rèn)為比空閑模式(Idle Mode)下更省電，終端在PSM下，可以決定要多長(zhǎng)的時(shí)間去啟動(dòng)傳送或接收資料，終端就不用維持在開(kāi)機(jī)狀態(tài)，相當(dāng)于休眠的模式，因此終端的電力使用便獲 得大幅的降低，無(wú)疑是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)終端的一項(xiàng)重要技術(shù)。

　　若UE支援PSM，在Attach或TAU(Tracking Area Update)的程序中時(shí)，會(huì)向網(wǎng)路申請(qǐng)一個(gè)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器(Active Timer)，這個(gè)計(jì)時(shí)器決定UE要保持多久時(shí)間去監(jiān)聽(tīng)傳呼(Paging)訊號(hào)，當(dāng)超過(guò)計(jì)時(shí)器的時(shí)間，UE便會(huì)進(jìn)入省電模式，在此期間不再監(jiān)聽(tīng)呼叫訊 號(hào)，近似于關(guān)機(jī)的狀態(tài)，但UE還是注冊(cè)在網(wǎng)路中，因此不需要重新連結(jié)或建立數(shù)據(jù)封包網(wǎng)路(Packet Data Network, PDN)的連線，直到UE要再對(duì)外傳送資料，或者TAU的周期到了，才會(huì)回復(fù)到連線的狀態(tài)，于表3可以看到若是TAU周期為1小時(shí)，而1個(gè)星期發(fā)送一次資 料，兩個(gè)2A電池可以使用超過(guò)136個(gè)月，相當(dāng)于11年左右。

　　而 在R13標(biāo)準(zhǔn)，也定義改進(jìn)非連續(xù)接收模式(Enhanced Discontinuous Reception, eDRX)，其為延長(zhǎng)原本DRX的時(shí)間，使UE在DRX的次數(shù)及頻率上可以減少，以達(dá)到更省電的目的，但UE在進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的DRX周期后，本身的計(jì)時(shí)器可 能會(huì)發(fā)生不準(zhǔn)確的情況，就會(huì)讓UE與核心網(wǎng)路之間發(fā)生不同步的情況，因此基地臺(tái)必須時(shí)常與UE進(jìn)行同步，而在UE離開(kāi)eDRX模式時(shí)，也要發(fā)出多筆傳呼訊 號(hào)，讓UE在時(shí)間不同時(shí)依舊可以收到傳呼訊號(hào)(圖4)。

　　圖4　PSM與eDRX示意圖

　　在 提升覆蓋率的部分，3GPP于R13版本中，定義其能夠提高15至20dB的覆蓋率，主要使用提高數(shù)據(jù)及參考訊號(hào)的能量、錯(cuò)誤重傳及降低系統(tǒng)性能的要求 等，在基地臺(tái)發(fā)送訊號(hào)給MTC終端時(shí)，透過(guò)提高發(fā)送的能量(Power Boosting)，使終端在更遠(yuǎn)處或被遮蔽時(shí)依舊能夠收到訊號(hào)，或者是給定一個(gè)功率水平，但將其集中發(fā)送在某一頻寬，以提高其功率頻譜密度(PSD Boosting)，而要使用提高功率或提高PSD取決于所考慮的信道或信號(hào)上，由于不需要過(guò)高的性能表現(xiàn)，因此在傳送資料時(shí)可以考慮更低的調(diào)變指數(shù)，如 BPSK，以及使用更短的CRC，而在MTC架構(gòu)下的UE，也可以透過(guò)組合的PSS和SSS多次累積能量，來(lái)做同步訊號(hào)的處理，雖然會(huì)增加同步處理的時(shí) 間，但卻可以使接收范圍更廣，而在基地臺(tái)接收PRACH的部分，可以透過(guò)降低其門(mén)檻值(Threshold)和提高誤警率(False Alarm Rate)來(lái)使UE更容易與基地臺(tái)連線，進(jìn)而改善系統(tǒng)覆蓋率。

　　而要應(yīng)付大量的終端連線，核心網(wǎng)路的排程設(shè)計(jì)也相當(dāng)重要，其主要透過(guò)幾 項(xiàng)來(lái)使核心網(wǎng)路更符合物聯(lián)網(wǎng)的要求，一為使用容忍高延遲的通訊(High Latency Communications)在一般行動(dòng)通訊，為了達(dá)到高傳輸速度及效能，對(duì)于其傳輸延遲有相當(dāng)高的要求，但在MTC通訊中，僅限于低資料量傳輸，因此 能夠容忍更高的傳輸延遲，這里面就必須在核心網(wǎng)路中各項(xiàng)協(xié)議中去作調(diào)整，另外可能也會(huì)有專(zhuān)為MTC架構(gòu)所設(shè)計(jì)的MME(Mobility Management Entity)系統(tǒng)，在核心網(wǎng)路中能夠承載更多的終端設(shè)備。

　　5G通訊的雙面發(fā)展

　　在未來(lái)萬(wàn) 物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，終端連上網(wǎng)路的數(shù)目相信是比現(xiàn)在要大上好幾倍，從前的無(wú)線通訊總是追求要更大的傳輸頻寬與更快的資料傳輸，但在未來(lái)卻可能是要更低的傳輸速 度，更低的電力消耗，更簡(jiǎn)易的硬體設(shè)計(jì)，在將來(lái)5G的行動(dòng)通訊，一方面勢(shì)必會(huì)提高傳輸效能，透過(guò)如LAA或Massive MIMO等技術(shù)，以達(dá)到5G所期望超過(guò)10Gbps的傳輸需求，使用戶(hù)能夠使用到更高品質(zhì)的數(shù)位行動(dòng)通訊服務(wù)。

　　另一方面，也為了要使 智慧終端應(yīng)用能夠廣泛實(shí)現(xiàn)，在MTC這塊的發(fā)展也為將來(lái)5G通訊不可或缺的技術(shù)，在目前已經(jīng)看見(jiàn)諸多標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)在制定，都是為了以后物聯(lián)網(wǎng)的需求，而在晶片 商，也積極在推出LTE MTC規(guī)格的Cat.0或Cat.1，可望利用其低成本、低功耗、小尺寸等優(yōu)勢(shì)，進(jìn)攻物聯(lián)網(wǎng)的市場(chǎng)，而在R13版本提出更低復(fù)雜度及更省電的Cat.M及 NB-IoT類(lèi)型，期望也在不久的將來(lái)也能夠商品化，使LTE能夠搶進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。