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NB-IoT設計的不簡單任務
實現低成本與低電源消耗

【作者: 王岫晨】   2019年07月17日 星期三

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在IoT應用的大架構之下,連網需求有增無減,並且針對不同屬性的連網需求,也必須對應不同的連網技術來提供最佳化的連線效率。通常來說,新標準的制定在釐清對於新標準的需求之後,會由一群專家組成技術委員會,討論與協商初步提案。完成草案制定後,便會交給更多會員群組審查,以尋求意見和最終審核。



圖一 : 為了能夠有效運用頻譜資源,NB-IoT的設計包含三種不同運作模式:獨立、頻段內和保護頻段。
圖一 : 為了能夠有效運用頻譜資源,NB-IoT的設計包含三種不同運作模式:獨立、頻段內和保護頻段。

提案的所有元素都會經過協商,包括範圍、主要定義和內容。現在有越來越多人將模擬軟體應用於新技術的研究,以加快制定標準,並減少硬體部署成本。NB-IoT就是在這樣的氛圍之下被制定而出的連網技術。


NB-IoT即為窄頻物聯網標準,是專為物聯網而設計的新型蜂巢式窄頻技術,源自於2014年的3GPP研究專案。第一個版本在2016年6月公布,並成為全球3GPP標準第13版內容的一部分。


此標準的主要目標大致如下:


●改善室內覆蓋範圍;


●增加對大量低傳輸速率裝置的支援;


●低延遲靈敏度;


●低裝置耗電量;


●超低的設備成本;


●建立於LTE無線介面和網路上的最佳化網路架構NB-IoT規格預計將支援新式5G NB-IoT標準群播和定位,以持續演進並超越第13版。


PHY規格

3GPP TS 36.211第13版,V13.2.0(2016-06)為NB-IoT提供了實體通道和調變規範。新的裝置類別Cat-NB1可支援數十kbps的速度與200kHz通道頻寬。


在此版本之前,eMTC(加強型機器類型通訊)資料速率支援高達1Mbps的可變速率,類型M1(Cat-M1)具1.4MHz的頻寬。窄頻實體鏈路共用通道提供兩種副載波間隔選擇,亦即15kHz與3.75kHz。


其中3.75 kHz的額外選擇,可為較具挑戰性的位置提供更大的覆蓋範圍,例如在建築物內部深處信號強度受限的位置。工程設計人員也可用二進位鍵控相移(BPSK)和正交鍵控相移(QPSK),再分別搭配π/2和π/4的相位旋轉,進行資料副載波調變。資源單位的副載波數量選擇可以是1、3、6或12,以支援單音頻與多音頻傳輸。


窄頻下行鏈路實體資源區塊具有12個副載波與15kHz間隔,可提供180kHz傳輸頻寬。只支援一種QPSK調變機制。為了簡化裝置下行鏈路傳輸解碼,選擇捨棄渦輪碼(turbo codes),而改用去尾迴旋編碼機制(tail biting convolutional coding scheme)。


無線電傳輸和接收

為了能夠有效運用頻譜資源,NB-IoT的設計包含三種不同運作模式:獨立、頻段內和保護頻段。獨立模式主要是將GSM載波替換成NB-IoT載波,頻段內運作是在一般LTE載波內利用資源區塊。而保護頻段運作模式則採用LTE載波的保護頻段。對LTE服務供應商來說,頻段內選項可提供最有效的NB-IoT部署。


舉例來說,因為NB-IoT全整合在現有LTE基礎設施內,所以如果沒有IoT訊務,便可能使用適合NB-IoT載波的實體資源區塊(PRB),而不做其他目的使用。如此即可讓基地台調度器能在同一頻譜中對LTE和NB-IoT訊務進行多工。


對深入參與3GPP標準化的企業來說,模擬不同操作情境下的NB-IoT和LTE共存是很常見的。例如在LTE系統為受干擾物,而NB-IoT為干擾源的情境下,頻段內和保護頻段運作模式的結果。考慮到NB-IoT下行鏈路副載波與LTE PRB正交,且兩者皆從同一基地台進行傳輸,因此僅針對上行鏈路的情況進行共存評估。在這個範例中,使用了是德科技SystemVue通訊實體層模擬軟體與其LTE-A參考資料庫來建立模擬環境。


各企業的模擬結果可能會因為建模方法有所不同。可能會因發生功率洩漏、調變和過濾而產生差異。但上述3GPP TR 36.802 V13.0.0模擬範例的基本結論是NB-IoT可與LTE共存。從中觀察到以下幾個重點:


●傳輸速率下降少於5%;


●NB-IoT在第一個相鄰LTE PRB造成一些干擾,但對其他PRB的干擾則微不足道或在可接受範圍內;


●保護頻段中的共存較頻段內運作模式略佳。


設計層面硬體考量

NB-IoT規格包括一系列設計目標:覆蓋範圍更大、裝置電池壽命更長,以及因資料傳輸較小且分散而使裝置成本更低。因峰值資料速率要求減少,因此得以在接收器鏈中採用簡單的無線電與基頻流程。


透過NB-IoT半雙工操作,便可以一個簡單的開關,搭配為數較少的振盪器來產生頻率,以取代常用LTE類型裝置的雙工濾波器。另外捨棄渦輪碼而採用簡單的下行鏈路迴旋通道編碼,也有利簡化基頻解碼過程。整個開發過程中投注了許多心血,才能實現所需的低成本、低電源消耗設計目標。


目前主要的架構競爭對象是零中頻和低中頻接收器,此類接收器將類比前端與數位基頻信號處理整合在單一晶片上。然而,每種架構都有一些結構性問題必須解決。LO洩漏和自混合造成的直流偏移會使零中頻接收機的所需信號降級。而對低中頻接收機來說,不理想的硬體則會造成I和Q信號路徑間的振幅與相位不符。因此會造成所需的信號降級及干擾信號洩漏。為了能夠更清楚的瞭解各種架構的缺點,可透過模擬軟體,以系統模型來對架構進行審視。


結語

第一個NB-IoT規格在3GPP第13版中完成。其目的是提供一種低成本設備,增加覆蓋區域,並提供更長的電池壽命與持續可達性。儘管NB-IoT應用已降低對性能的要求,並採用相同的LTE基礎設施,但開發這些新產品仍是一項艱難的任務,需要有精確的設計目標。


開發低成本設備應將所選系統規格的各種接收器拓樸結構、元件整合方法和性能評估都納入考量。在矽前處理期間,工程師應在虛擬環境中以精密的模擬工具進行設備測試,並執行矽後驗證。


解決方案

是德科技E6640A EXM無線測試儀


圖二 : 是德科技E6640A EXM無線測試儀
圖二 : 是德科技E6640A EXM無線測試儀圖片來源:keysight.com

台灣是德科技:「我們讓工程師擁有快速、精準的測試能力!」


客戶需要快速、準確的硬體裝置並聯測試,以提高產量和良率。EXM模組化設計提供擴充性,讓製造商能以最低成本擴展測試系統,因應下一代裝置要求並可完全支援IoT測試。EXM提供擴充性,為高度整合裝置提供160MHz頻寬、高達6GHz的頻率範圍,並且涵蓋最廣泛的無線標準,從蜂巢式LTE-A到11ac和MIMO無線連接標準。EXM的訊號品質和量測準確度,確保工程師能獲得更高的良率。EXM配備四核心處理器,更可大幅提高生產測試速率。


羅德史瓦茲CMW500寬頻通訊測試儀


圖三 : 羅德史瓦茲CMW500寬頻通訊測試儀
圖三 : 羅德史瓦茲CMW500寬頻通訊測試儀圖片來源:rohde-schwarz.com

台灣羅德史瓦茲:「這是集所有功能於一身的無線通訊測試儀!」


物聯網的網路架構中,通常伴隨著各種不同的無線通訊標準。R&S CMW500寬頻通訊測試儀,為全球唯一集合所有功能於一身的無線通訊測試儀,幫助企業以最少的經費達到最高的報酬保障。利用模組化的硬體擴充,以及軟體更新的方式,提供極大化的擴充彈性,滿足各種測試需求,適用於現今與未來的無線通訊產品設計。不論是從事晶片或是模組開發、製造、封裝與測試,或是系統整合應用的任一個階段,這部儀器均能提供工程師所需的各種量測解決方案。


國家儀器PXIe-5668R向量訊號分析器(VSA)


圖四 : 國家儀器PXI平台
圖四 : 國家儀器PXI平台圖片來源:ni.com

國家儀器:「PXI平台提供最佳的量測速度與效能!」


國家儀器PXIe-5668R向量訊號分析器(VSA)提供765MHz的頻寬,以及同級最佳的量測效能與速度。這款高效能微波訊號分析器可滿足某些嚴苛的應用需求,例如無線通訊、射頻積體電路(RFIC)特性測試、雷達測試、頻譜監控與訊號情報等。PXIe-5668R結合了RF量測效能、量測速度和靈活彈性。這款儀器的動態範圍與頻寬均領先業界,並可針對研發應用嚴苛的量測需求提供理想的解決方案。PXIe-5668R屬於PXI儀器的一種,優異的量測速度可滿足大量製造測試的需求。這款VSA還包含可透過LabVIEW設計程式的Xilinx Kintex-7 FPGA,只要新增觸發或訊號處理常式,就能客制化儀器行為,並提供許多豐富功能。


安立知ShockLine高性能4埠向量網路分析儀


圖五 : 安立知ShockLine高性能4埠向量網路分析儀
圖五 : 安立知ShockLine高性能4埠向量網路分析儀圖片來源:anritsu.com

安立知:「我們可有效降低測試成本並加快上市速度!」


ShockLine MS46524B 4埠向量網路分析儀系列,具備高價值與高性能,可提供同類產品中最佳的動態範圍,降低在多種測試應用 (最高92GHz) 中的測試成本並可加快上市速度。這些測試應用包括設計和製造多埠行動網路裝置、行動裝置、汽車電纜、高速資料互連與系統整合元件。MS46524B配置選項10、選項20及選項40,可具備射頻微波頻率功能;這些頻率選項搭配強大的ShockLine軟體,為被動元件量測提供最具成本效益的解決方案。


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