新增Cat.M/NB-IoT规格 LTE R13版强化MTC技术

现今无线通讯发展飞快，全球4G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，各国无不积极的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3GPP(3rd Generation Partnership Project)标准采纳的机会，俾助国内通讯相关产业未来的发展。  
5G通讯性能大跃进  

在3GPP R12版本将标准称作LTE-A(LTE-Advanced)，在过去的3年大大地促进了整个无线通讯产业的高速发展，截至2015年9月，全球已经建成LTE-A网路达95张，1/3的LTE终端同时也支援LTE-A。而在今年2016将订定完成的R13版本，3GPP将其标准称为LTE-Advanced pro，被视为与未来5G的衔接版本，LTE-Advanced pro的目标是为了保持与LTE/LTE-A的向后兼容性(图1)，比先前的版本进一步提高传输速度、扩大系统容量及降低延迟等，作为进入5G前的演进版本。  


图1　LTE各版本演进
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，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1ms，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，与4G网路速度相比较，用5G网路下载一部高清的电影约只需要1秒钟上下，且随着智慧型手机、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需要透过智慧终端来解决，因此，对大流量的资料传递以及高密度的连结需求变得越来越大，必要有新的技术来因应这样的需求，5G网路不仅拥有更快的传送速率，高传输、低延迟、高可靠、低功耗等特点，皆让其拥有更高的性能表现。最重要的是，它是基于未来发展物联网(Internet of Things, IoT)的网路技术。  

5G关键技术剖析  

5G的标准制定预计将在2016进行，在2020年预估相关产品将可步入商用阶段，各国也已经开始提出各样技术，要满足未来5G世代的通讯需求，其中的关键技术如LTE辅助授权接入(Licensed assisted access, LAA)、LTE机器类型通讯(Machine type communication, MTC)、Massive MIMO(Multiple input multiple output)、3D/FD-MIMO(FD, Full Dimension)、FDD/TDD混频载波聚合(Carrier aggregation, CA)等，都是为了5G所提出的关键技术，使其可以达到高传输、大连结、低延迟等特性，在3GPP标准也陆续订定这些技术的规范，其中MTC更是在未来进入5G通讯不可或缺的技术(图2)。  


图2　5G系统概况
MTC抢攻物联蓝海  

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，知名谘询机构麦肯锡指出，2025年物联网的应用产值将达到11.1兆美元，因此在LTE专为物联网设计的机器类型通讯(MTC)便是一个相当重要的议题。  

MTC为机器对机器之间的通讯，不同的装置间能够互相沟通进行资料的传输交换，能够在设备之间作更有效的控制，比起传统方式，能够给予更高效率且低出错率的设备管控，MTC不只是单单的数据在机器和机器之间的传输，更重要的是，它是机器和机器之间的一种智能化、互动式的通信。也就是说，即使人们没有发出信号，机器也会根据既定程式主动进行通信，并根据所得到的数据去作分析，对相关设备发出相对应的指令。  

在MTC中为了发展物联网的特性，因此在设计时有几项主要的项目：  

．更低的设备成本  

对于将来万物联网的时代，必须有非常大量的终端设置，因此成本便是相当大的考量，过去由于追求高品质的网路服务，在手机上要观看更高清的影片或更高效的运算速度，使得终端设计必须更加的复杂，来解决大量的运算处理，以至于在终端设备上需要更昂贵的成本，但在设备之间的通讯，并不在意这么高的传输速率，只要几kbps甚至几百bps即可满足需求，所以在终端晶片上，便不需要这么复杂的设计，进而降低终端设备的成本。  

．更长的电池寿命  

在目前手机或者平板的耗电量是相当惊人的，通常使用不到一天就必需充电，但在设备之间的通讯，并不适用这么高的耗电量，不仅提高维护上的困难，在用电成本上也是一大考量，且在物联网的设备中，必须长期保持在运行的状态，如果因电力中断，而导致设备停止，将造成不可预期的损失，因此在电力配置上，都希望其设备可以使用相当长久的时间，甚至十年以上都不需更换电池。  

．更大的覆盖率  

改善覆盖率在物联网的应用中为相当重要的议题，因为应用的终端通常都不在可视的范围内，例如智慧电表，一般设置在地下室或隐蔽的地方，在工业的应用里，像在物件的输送带上，也都常在许多被遮蔽的位置，在这些地方，通常讯号衰减的快，强度较弱，所以在覆盖率的表现势必要得到提升，设备必需要能够容忍更低的讯号强度。  


．支援大量的设备连线  
在未来物联网成长的速度相信会大过一般的行动网路，因此在基地台端必须要能够承载相当大量的终端设备，在后端的核心网路必须要能够同时应付许多的终端连结，所以在排程设计上也会是一个挑战。  

在3GPP标准，对于UE能够支援的传输等级称作UE-Category，在R11以前分为1~10共10个等级，其中Cat.1-5为R8所定义，Cat.6-8为R10定义，Cat.9-10为R11定义，而在R12时，为了因应MTC所要的需求，更低的传输速率及更低的功耗，因此又再新增Cat.0的等级，相关的速率及配置如表1所示，Cat.0及Cat.1都是能够支援MTC的配置，对于将来行动穿戴装置或智慧家电等都是其可应用的范围，而在R13版本的Cat.M或NB-IoT(Narrow Band–Internet of things)，更是降低其传输的资料上限及频宽，目的就是为了要再降低设备成本及功耗。  


对于降低终端设备成本，在LTE中提出几项方法，其中一个是半双工(Half Duplex)的设计，在MTC的环境中，不需要这么高的传输速度，因此可以使用半双工的方式来减少设备的成本，在半双工的使用上只需要多一个切换器去改变发送或接收的模式，比起全双工(Full Duplex)所需的元件，使用半双工的成本更为低廉，并且也能够降低电力的消耗，无疑是在MTC需求下有效降低成本的方法。  

半双工模式在3GPP R8时就有定义，而在R12时对于半双工分别列出type A 与type B两种类型，其中Type B为专为Cat.0所用，如表2所示，其两种差别在于type A下，UE在发送上行讯号时，其前面一个子讯框(Subframe)的下行讯号中最后一个符元(Symbol)不接收，用来作为保护区间(Guard Period, GP)，而在type B下，UE在发送上行讯号时，其前面的子讯框与后面的子讯框都不接收下行讯号，使得保护区间加长，对于设备的要求更加得降低，并且也使讯号的可靠度上升。  


另外可以注意到的一个新技术为NB-IoT，NB-IoT为R13所提出的标准，其目的是朝向一个更低复杂度和低吞吐量所设计的新无线接入系统，来解决蜂巢式物联网(Cellular IoT)的需求，其下行讯号使用NB-OFDMA系统(图3)，上行使用FDMA的接入系统，在NB-OFDMA下，使用72个频宽为2.5KHz的子载波(Subcarrier)传输，使频谱有更高的使用效率，并在同一个蜂巢网路允许大量的设备同时使用，提供更广的覆盖范围，其能够使用在一个LTE的资源区块(Resource Block, RB)内(180kHz频宽)，或者是在没有使用到之RB旁的保护区间(GP)，亦或是使用独立出来的一个专用频谱，而在上行使用的是FDMA的系统搭配GMSK(Gaussian-shaped Minimum Shift Keying)或者是PSK(Phase Shift Keying)的调变，其可以提高频谱的使用效益，并且降低元件的复杂度，可以发现NB-IoT为一个不同以往LTE系统的一种新设计规格，可说是为了物联网而独立出来的一个系统。  


图3　NB-OFDMA频谱
在Cat.1及Cat.0或更低的UE等级中，其最大传输速度也限制在1Mbps以下，并且只支援一根天线，目的也是减少元件成本及不使用过于复杂的演算法。  

而在延长使用电力方面，在3GPP R12标准中定义一种电力节省模式(Power Saving Mode, PSM)，PSM为一种特殊的终端状态，可以最小化电力的消耗，一般认为比空闲模式(Idle Mode)下更省电，终端在PSM下，可以决定要多长的时间去启动传送或接收资料，终端就不用维持在开机状态，相当于休眠的模式，因此终端的电力使用便获得大幅的降低，无疑是对物联网终端的一项重要技术。  

若UE支援PSM，在Attach或TAU(Tracking Area Update)的程序中时，会向网路申请一个启动计时器(Active Timer)，这个计时器决定UE要保持多久时间去监听传呼(Paging)讯号，当超过计时器的时间，UE便会进入省电模式，在此期间不再监听呼叫讯号，近似于关机的状态，但UE还是注册在网路中，因此不需要重新连结或建立数据封包网路(Packet Data Network, PDN)的连线，直到UE要再对外传送资料，或者TAU的周期到了，才会回复到连线的状态，于表3可以看到若是TAU周期为1小时，而1个星期发送一次资料，两个2A电池可以使用超过136个月，相当于11年左右。  


而在R13标准，也定义改进非连续接收模式(Enhanced Discontinuous Reception, eDRX)，其为延长原本DRX的时间，使UE在DRX的次数及频率上可以减少，以达到更省电的目的，但UE在进行长时间的DRX周期后，本身的计时器可能会发生不准确的情况，就会让UE与核心网路之间发生不同步的情况，因此基地台必须时常与UE进行同步，而在UE离开eDRX模式时，也要发出多笔传呼讯号，让UE在时间不同时依旧可以收到传呼讯号(图4)。  


图4　PSM与eDRX示意图
在提升覆盖率的部分，3GPP于R13版本中，定义其能够提高15至20dB的覆盖率，主要使用提高数据及参考讯号的能量、错误重传及降低系统性能的要求等，在基地台发送讯号给MTC终端时，透过提高发送的能量(Power Boosting)，使终端在更远处或被遮蔽时依旧能够收到讯号，或者是给定一个功率水平，但将其集中发送在某一频宽，以提高其功率频谱密度(PSD Boosting)，而要使用提高功率或提高PSD取决于所考虑的信道或信号上，由于不需要过高的性能表现，因此在传送资料时可以考虑更低的调变指数，如BPSK，以及使用更短的CRC，而在MTC架构下的UE，也可以透过组合的PSS和SSS多次累积能量，来做同步讯号的处理，虽然会增加同步处理的时间，但却可以使接收范围更广，而在基地台接收PRACH的部分，可以透过降低其门槛值(Threshold)和提高误警率(False Alarm Rate)来使UE更容易与基地台连线，进而改善系统覆盖率。  

而要应付大量的终端连线，核心网路的排程设计也相当重要，其主要透过几项来使核心网路更符合物联网的要求，一为使用容忍高延迟的通讯(High Latency Communications)在一般行动通讯，为了达到高传输速度及效能，对于其传输延迟有相当高的要求，但在MTC通讯中，仅限于低资料量传输，因此能够容忍更高的传输延迟，这里面就必须在核心网路中各项协议中去作调整，另外可能也会有专为MTC架构所设计的MME(Mobility Management Entity)系统，在核心网路中能够承载更多的终端设备。  

5G通讯的双面发展  

在未来万物联网的时代，终端连上网路的数目相信是比现在要大上好几倍，从前的无线通讯总是追求要更大的传输频宽与更快的资料传输，但在未来却可能是要更低的传输速度，更低的电力消耗，更简易的硬体设计，在将来5G的行动通讯，一方面势必会提高传输效能，透过如LAA或Massive MIMO等技术，以达到5G所期望超过10Gbps的传输需求，使用户能够使用到更高品质的数位行动通讯服务。