NB-LTE與NB-CIoT誰(shuí)更能討得5G的歡心?
發(fā)布時(shí)間:2016-09-20 責(zé)任編輯:wenwei
【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(qiáng)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(wèn)題……
現(xiàn)今無(wú)線通訊發(fā)展飛快,全球無(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還在持續(xù)擴(kuò)展布建時(shí),5G的時(shí)代也宣告即將到來(lái),當(dāng)中所含的商機(jī)更是無(wú)限。
為了迎接這龐大的通訊藍(lán)海,各國(guó)無(wú)不積極地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)及專利,以提高被第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)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通訊性能大耀進(jìn)
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(duì)全球用戶對(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,3GPP的5G相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)預(yù)計(jì)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(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(圖1)。
圖1 5G發(fā)展趨勢(shì)
知名咨詢機(jī)構(gòu)麥肯錫指出,2025年物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的應(yīng)用產(chǎn)值將達(dá)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(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(shì)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(lái)越多的工作和生活都須要透過(guò)智慧終端來(lái)解決,對(duì)此,高密度的連結(jié)及降低終端成本需求變得越來(lái)越大,必要有新的技術(shù)來(lái)因應(yīng)這樣的需求。
5G關(guān)鍵技術(shù)剖析
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,在3GPP首先提出機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)/機(jī)器類型通訊( Machine Type Communication, MTC),其設(shè)計(jì)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(rèn)為這只是一個(gè)過(guò)渡階段的版本,因?yàn)槠涔暮徒ㄖ贸杀具€是過(guò)高,對(duì)于需要更低功耗及更大量的連結(jié)數(shù)的應(yīng)用來(lái)說(shuō),其還是不夠?yàn)橐豢墒褂玫募夹g(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(yíng)運(yùn)商無(wú)不極力支持此技術(shù)(表1)。
NB-IoT搶進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)藍(lán)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(qiáng)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(wèn)題,這變成在使用上非常不可靠,因此全球各大電信營(yíng)運(yùn)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(duì)營(yíng)運(yùn)商而言便可以節(jié)省布建成本及快速整合原有長(zhǎng)程演進(jìn)計(jì)畫(LTE)網(wǎng)路,因此可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)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(diǎn)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(guò)10年以上,每個(gè)NB-IoT載波最多可支援二十萬(wàn)個(gè)連結(jié),而且根據(jù)容量需求,可以透過(guò)增加更多載波來(lái)擴(kuò)大規(guī)模,使單一基地臺(tái)便能支援?dāng)?shù)百萬(wàn)個(gè)物聯(lián)網(wǎng)連結(jié)。
在NB-IoT的設(shè)計(jì)上有幾項(xiàng)目標(biāo),一為提升涵蓋率,可以藉由降低編碼率(Coding Rate)來(lái)提升訊號(hào)的可靠性,進(jìn)而使訊號(hào)強(qiáng)度微弱時(shí),依舊能夠正確解調(diào),達(dá)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(yùn)作于飽和區(qū)間,讓傳送端有更好的使用效率,在實(shí)體層設(shè)計(jì)上,也可以簡(jiǎn)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(jì)在200kHz,因?yàn)樵谖锫?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(gè)重要設(shè)計(jì)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(shí)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(dú)布建(Standalone),此種布建方式為使用獨(dú)立或全球行動(dòng)通訊系統(tǒng)(GSM)的頻譜,彼此不會(huì)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(hù)頻段(Guard Band)來(lái)布建,利用LTE頻譜邊緣保護(hù)頻段,訊號(hào)強(qiáng)度較弱的部分布建,優(yōu)點(diǎn)是不需要一段自己的頻譜,缺點(diǎn)是可能發(fā)生與LTE系統(tǒng)干擾問(wèn)題。
而第三種是在現(xiàn)行運(yùn)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?yàn)樵诘皖l段能有更廣的覆蓋率,并且有較好的傳波特性,對(duì)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(lái)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(xiàng)不同的技術(shù),目前主要可分為兩個(gè)方向,一為由諾基亞(Nokia)、愛(ài)利信(Ericsson)和英特爾(Intel)等陣營(yíng)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(duì)于營(yíng)運(yùn)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(shuō)是一個(gè)重新設(shè)計(jì)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(gè)技術(shù)可說(shuō)各有千秋,下面將對(duì)兩個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(yíng)運(yùn)商在布建時(shí)能夠減少設(shè)備升級(jí)的成本,在建置上也能夠沿用原有的蜂巢網(wǎng)路架構(gòu),達(dá)到快速布建的目的。
以下行部分來(lái)看,在同步訊號(hào)(PSS/SSS)、實(shí)體廣播通道(PBCH)及實(shí)體下行控制通道(PDCCH)等須要去做調(diào)整或重新設(shè)計(jì),并且在原來(lái)一些控制通道,如實(shí)體控制格式指示通道(PCFICH)和實(shí)體混合自動(dòng)重傳請(qǐng)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(shí)間周期拉長(zhǎng),所以在NB-LTE定義一種新的時(shí)間單位,稱作M-subframe,其為原有LTE系統(tǒng)連續(xù)六個(gè)Subframe所構(gòu)成,因此其時(shí)間長(zhǎng)度為6毫秒,而六個(gè)M-subframe構(gòu)成一個(gè)M-frame(圖3),在一個(gè)M-subframe,最小的調(diào)度單位為一個(gè)實(shí)體層無(wú)線資源區(qū)塊(Physical Resource Block,PRB),代表一個(gè)M-subframe中最多能夠支援六個(gè)終端。
圖3 NB-LTE下行封包設(shè)計(jì)圖片來(lái)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(gè)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(hào),而且時(shí)間延遲可能會(huì)很大,由于每個(gè)終端要與基地臺(tái)做時(shí)間的對(duì)齊,其時(shí)間的誤差要小于循環(huán)字首(Cyclic Prefix,CP),所以在CP的設(shè)計(jì)上必須要更加地拉長(zhǎng),因此在子載波頻寬的設(shè)計(jì)上為原來(lái)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(jì)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(gè)頻寬為3.75 kHz的子載波,并使用六十四點(diǎn)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(shí)間單位上,NB-CIoT一個(gè)封包由八個(gè)子封包組成,而在每個(gè)子封包可在分為三十二個(gè)時(shí)隙,每個(gè)時(shí)隙又分為十七個(gè)符元(圖4)。
圖4 NB-CIoT下行封包設(shè)計(jì)圖片來(lái)源:3GPP TR 45.820
其在各個(gè)訊號(hào)通道也重新設(shè)計(jì),如同步訊號(hào)(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(huì)復(fù)制兩次傳送,為的是增加偵測(cè)的可靠度,而在實(shí)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(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)及復(fù)雜度,提高系統(tǒng)應(yīng)對(duì)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(gè)子載波間不需要正交,因此并不需要精確的時(shí)間及頻率校準(zhǔn),而在頻率使用上,NB-CIoT使用三十六個(gè)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(yùn)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(jì)上和以往LTE系統(tǒng)有非常大的不同,不僅在封包時(shí)間的架構(gòu)上,在各個(gè)使用的通道也重新設(shè)計(jì),因此對(duì)于營(yíng)運(yùn)商來(lái)說(shuō),必須要重新設(shè)計(jì)晶片模組,對(duì)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(xiàng)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(jì)規(guī)格。
對(duì)于營(yíng)運(yùn)商來(lái)說(shuō),NB-LTE能夠與舊有的系統(tǒng)直接套用,無(wú)須耗費(fèi)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(jì)、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(jì)的規(guī)格,因此它在各樣應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的特性上,會(huì)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(huì)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(zhǎng),便更能夠抵抗時(shí)間的延遲,使傳輸距離可以更遠(yuǎn),所以NB-LTE與NB-CIoT都各有不同的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì),因此最后定案的技術(shù)與運(yùn)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(gè)版本中選擇一個(gè),或是兩個(gè)技術(shù)盡量融合成一個(gè)版本,但有幾項(xiàng)技術(shù)原則必須要存在,包括:NB-IoT要同時(shí)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(shì)在必行
在未來(lái)進(jìn)入萬(wàn)物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)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(shí)現(xiàn),以及營(yíng)運(yùn)商要如何在這當(dāng)中分得其中一塊大餅,NB-IoT無(wú)疑是一個(gè)必要推行的技術(shù),由于如SIGFOX或LoRa,其使用免授權(quán)頻段,對(duì)于資料可靠性和安全性是一大考量,重要的是營(yíng)運(yùn)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(chǎng),對(duì)于未來(lái)一日千里的通訊發(fā)展及需求,建置及部署的速度無(wú)疑是非常關(guān)鍵的考量,并且其使用的是授權(quán)頻段,對(duì)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(wèn)題,在今年(2016)的年中預(yù)計(jì)會(huì)定出一版NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,屆時(shí)便能夠看見(jiàn)將來(lái)的窄頻物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。
推薦閱讀:
特別推薦
- 兆易創(chuàng)新GD32F30x STL軟件測(cè)試庫(kù)獲得德國(guó)萊茵TüV IEC 61508功能安全認(rèn)證
- 芯科科技第三代無(wú)線開(kāi)發(fā)平臺(tái)引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展
- MSO 4B 示波器為工程師帶來(lái)更多臺(tái)式功率分析工具
- 艾為電子推出新一代高線性度GNSS低噪聲放大器——AW15745DNR
- 瑞薩發(fā)布四通道主站IC和傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器, 以推動(dòng)不斷增長(zhǎng)的IO-Link市場(chǎng)
- e絡(luò)盟現(xiàn)貨供應(yīng) Abracon 新推出的 AOTA 系列微型鑄型電感器
- 加賀富儀艾電子推出支持Wi-Fi 6和藍(lán)牙的無(wú)線局域網(wǎng)/藍(lán)牙組合模塊
技術(shù)文章更多>>
- 讓汽車LED照明無(wú)死角,LED驅(qū)動(dòng)的全面進(jìn)化
- 開(kāi)關(guān)模式電源問(wèn)題分析及其糾正措施:晶體管時(shí)序和自舉電容問(wèn)題
- 熱電偶的測(cè)溫原理
- 【泰克先進(jìn)半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室】 遠(yuǎn)山半導(dǎo)體發(fā)布新一代高壓氮化鎵功率器件
- ADALM2000實(shí)驗(yàn):變壓器
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
電容器公式
電聲器件
電位器
電位器接法
電壓表
電壓傳感器
電壓互感器
電源變壓器
電源風(fēng)扇
電源管理
電源管理IC
電源連接器
電源濾波器
電源模塊
電源模塊
電源適配器
電子書(shū)
電阻測(cè)試儀
電阻觸控屏
電阻器
電阻作用
調(diào)速開(kāi)關(guān)
調(diào)諧器
鼎智
動(dòng)力電池
動(dòng)力控制
獨(dú)石電容
端子機(jī)
斷路器
斷路器型號(hào)