5G发展引领通讯革命 窄带物联网成热点

   为了满足物联网时代各式各样的应用，LTE-A网路系统架构已针对M2M业务的需求进行系统最佳化，如考虑LTE-A网路接取机制所面临的困难与挑战：随着机器型态通讯装置的巨量增加，随机接取通道(PhysicalRandomAccessChannel,PRACH)的不足，造成资料传输拥塞、系统负载过于沉重，导致延迟过长及连线失败。

    5G发展引领通讯革命 窄带物联网成热点 　　

    如何设计随机接取机制来满足巨量装置连结，且不影响人类型态通讯的品质，M2M技术发展上的一个重大议题。 　　LTE-A随机接取机制包含竞争式及非竞争式的接取过程，当中竞争式随机接取透过随机接取前置码(Preamble)、随机接取回覆、连线要求及竞争解决，四个步骤来完成RRC连线;因应机器型态通讯系统不同应用的需求，随机接取机制的改良可从接取成功机(AccessSuccessProbability)、前置码碰撞比率(PreambleCollisionRate)、及接取延迟(AccessDelay)等指标来做为设计目标，目前文献中针对随机接取机制改良的方法有：限制存取层级机制(AccessClassBarring,ACB)、回避机制(Back-off)、分离RACH、RACH动态调整等方法。 　　然而，现行LTE-A系统需要严格的同步处理以保有子载波间的正交性，当中牵扯许多基站与终端之间复杂的运算，不适用于MTC各式各样应用情景的需求，特别是MassiveMTC及Mission-criticalMTC，其要求如下： 　　 　　MassiveMTC 　　要求‘大量’的低成本、低耗能的终端连接上网路，这类型的业务通常具有传输量小、移动性小、使用性小、覆盖率高及容忍传输延迟等特性，例如：公共设施的监控与管理、环境监测、智慧城市等。 　　 　　Mission-criticalMTC 　　要求高可靠度、高可用性及即时的网路通讯能力，这类型的业务通常需要极高可靠、极低延迟的特性，例如：无人车自动巡航、智慧工厂自动化控制、虚拟实境或增广实境的应用等 　　 　　新波型技术与新多重接取技术亦被广泛研究，期以满足5G技术指标，如基于滤波器组多载波技术(FilterBankMulti-Carrier,FBMC)、通用滤波器多载波技术(UniversalFilteredMulti-Carrier,UFMC)、广义分频多工技术(GeneralizedFrequencyDivisionMultiplexing,GFDM)及滤波/适应性的正教分频多工技术(Filtered/FlexibleOFDM,F-OFDM)，说明如下： 　　 　　FBMC 　　相较于OFDM技术，FBMC在每个子载波上使用单独的滤波器，消除子载波(Sub-carrier)间的干扰，即使彼此间没有正交性;另外，也不需要循环前置码(CyclicPrefix,CP)来克服符元间干扰(Inter-symbolInterference,ISI)，来达到更高的频谱效率;可透过Off-QAM调变及滤波器设计达到5G情景中高延迟到低延迟广泛性的应用，但硬体成本过高，特别是在MIMO传输及突发性讯号传输的情景中。 　　 　　UFMC 　　相较于FBMC，UFMC是对一组连续的子载波滤波;另外，可提供不同子载波带宽(Bandwidth)及符元(Symbol)的选择，支援不同的服务需求。但面临大尺度多路径延迟(Large-scaleMultipathDelay)的通道时，需要更高阶的滤波器设计，并增加收发机的复杂度;而且，缺少CP将产生ISI。 　　 　　GFDM 　　GFDM兼具UFMC的灵活性，并提供更好的带外辐射(Out-of-bandemission)抑制技术，减少讯号的峰均功率比(Peak-to-AveragePowerRatio,PAPR)。 　　 　　F-OFDM 　　相较于OFDM，F-OFDM提供灵活的参数配置，如CP、子载波宽度、符元长度及保护区间(GuardBand)，提供更广泛的应用。 　　 　　在多重接取技术方面，目前值得关注的技术有非正交多址接取(Non-OrthogonalMultipleAccess,NOMA)及稀疏码多址接取技术(SparseCodeMultipleAccess,SCMA)。搭配以使用者为主轴发起Grant-free的资源配置技术或新的媒体存取控制(MediumAccessControl)通讯协定设定，让新的5G行动通讯系统更广泛地支援MTC的不同服务与应用。 　　 　　NB-IoT成MTC/M2M讨论热点 　　窄频物联网(NarrowBandIoT,NB-IoT)通讯技术规格为近一两年新兴的概念，在2016年世界行动大会(MobileWorldCongress,MWC)有许多智慧应用的展出;在标准规格上，2015年的3GPP会议中被提出讨论，并预计在2016年的3GPP会议将其纳入R13标准规格中;另外，多家国际大厂的联合下，如中国移动、华为、诺基亚(Nokia)、爱立信(Ericsson)、英特尔(Intel)、Vodafone、高通(Qualcomm)等积极投入与推动下，加速NB-IoT的发展。 　　 　　NB-IoT主要特色是低功耗，希望可维持十年之久;成本低廉，希望一个终端设备定价可在5美元以下;更宽广的覆盖范围，希望可传输距离可达20公里;大量布建，每平方公里的范围内可达到一百万个终端设备。 　　 　　虽然在3GPPR12的规范里已定义了LTEMTC终端Cat.0标准，但Cat.0的传输率、功耗与成本仍偏高，更重要的是其单一通道频宽仍达20MHz，与标准LTE相同。在R13上也有另一个LTE-M通讯规格的推行，主要是频宽降至1MHz及降低传输功率，此三种的MTC终端规格比较如下： 　　 　　当中每个规格各有它的适当应用，Cat.0主要用于穿戴式电子与能源管理，如健身类智慧手表、居家用电控制等;LTE-M则希望用于物品追踪，例如：水电瓦斯等公用事业抄表、连线型健康诊断监督、城市基础建设(即停车投币机记录、路灯管理)等;而NB-IoT则偏向产业应用，如环境监督、智慧建筑。 　　 　　NB-IoT另一个相关技术专有名词─低功耗广域网路(LowPowerWideAreaNetwork,LPWAN)，强调覆盖范围大且待机时间长特点，目前主流通讯技术有LoRa、Sigfox、EC-GSM/EC-EGPRS等，与NB-IoT的比较如下： 　　 　　LoRa及Sigfox的主要特色是能在未授权的ISM频段，以极低电力传送小量资料做智慧联网的应用;EC-GSM/EC-EGPRS则是使用原GSM频段，具体规范仍在制定中，但相较于LoRa及Sigfox阵营，物联网解决方案则相对成熟，预计2016年底送案，将率先带动智慧化城市的应用。NB-IoT因为使用申请频段，可减少其他服务所产生的干扰;另一个特征是频宽设定为200kHz，与GSM相同，有利原持有GSM的业者切入NB-IoT。 　　 　　NB-IoT问世代表营运商正式加入提供IoT服务，未来NB-IoT这类相对低廉的基础建设，让企业更愿意尝试IoT的应用，加速智慧化的发展。 　　 　　导入机器型态通讯5G设计必须更灵活 　　 　　不同于人类型态通讯技术，机器型态通讯面临各式各样的应用情景，为了满足各种情景的需求，可以预期的是系统设计上将更加复杂且更具弹性化;目前没有统一化的方针或准则可满足5G应用的所有要求;因此，弹性化的设计方法，因应不同情景的要求，做出最佳的系统配置，为未来5G系统设计的方向。