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5G发展引领通讯革命 窄带物联网成热点

供稿:中国工控网 2016/7/11 13:52:28

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   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。

审核编辑(郑益文)
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