窄頻物聯網(Narrow Band Internet of Thing, NB-IoT)為第三代合作夥伴計畫(3GPP)組織在低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network, LPWAN)領域中所制定的標準，其特點包括廣覆蓋、大量連結、低功耗以及低成本。
本文將說明在NB-IoT中，覆蓋範圍為何較原先全球行動通訊系統(GSM)/長程演進計畫(LTE)系統還遠，為何系統能支援大量的用戶設備(User Equipment, UE)，以及功率是如何大幅的降低來延長電池壽命。
覆蓋範圍擴大 遠超過GSM/LTE
要了解NB-IoT的覆蓋範圍為何能遠大於GSM/LTE，必須先決定要使用哪一個指標(Metric)來衡量系統的覆蓋。
根據3GPP的定義，最大耦合損失(Maximum Coupling Loss, MCL)已經是一個衡量系統覆蓋的重要指標，其定義為在傳送端與接收端之間，不考慮傳送和接收天線增益，且系統還能正常工作的情況下，能容忍的最大無線鏈路損失(Radio Link Loss)，故MCL可被定義為公式1。
......................................................公式1
其中PTX[dBm]為上行輸出功率，B[Hz]為頻寬，174[dBm/Hz]為在溫度300K的理想熱雜訊，NF[dB]為雜訊指數，SNR[dB]為訊雜比。
此外，在3GPP TR 45.820中有明確定義MCL的計算方式如表1，包括144dB、154dB和164dB三個不同的MCL。
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| 表1 MCL計算方式說明 |
資料來源：3GPP TR 45.820
為何NB-IoT可以比現有GSM和寬頻LTE等網路覆蓋增強20dB？主要有以下三點原因：一、NB-IoT頻寬變窄進而提高功率頻譜密度；二、透過重複傳送機制獲得額外的增益；三、接收端天線個數。以下分別詳細說明。
關於第一個原因，NB-IoT可以將能量載在較窄的頻寬上，以提升功率頻譜密度(Power Spectral Density, PSD)。受限於用戶設備的發射功率不若基地台(Cell)可調配較大的範圍，下列討論皆以上行為例。公式2為NB-IoT與GSM上行的PSD增益計算公式：
......................................................公式2
假設NB-IoT和GSM的用戶設備發射功率分別為200mW(23dBm)以及2W(33dBm)，且NB-IoT上行載波使用3.75kHz，GSM上行載波使用180kHz，代入公式2計算之後可得到約7dB的增益。圖1為GSM和NB-IoT的PSD示意圖。
第二個原因是，每重傳一次資料，速率會降低一半，但覆蓋可獲得
的增益。根據3GPP TS. 36.213，可知上行重傳次數最大可達128次，但考慮傳輸速率和基地台容量，上行重傳次數最大一般為16次，意味著可得到
的增益。
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| 圖1 GSM和NB-IoT的PSD示意圖 |
第三個原因為，上行傳輸的時候，NB-IoT用戶設備的接收端天線個數比GSM多兩倍，如圖2所示，因此多了
的天線增益。
綜合上述所提及的功率頻譜密度、重傳增益，與天線增益，NB-IoT大約可以獲得較GSM/LTE多。
經由以上說明可知，NB-IoT可透過一些傳輸機制來增加覆蓋範圍，於是3GPP將其分為CE Level 0、CE Level 1以及CE Level 2三種等級，分別對應到的就是144dB、154dB以及164dB。在這三種覆蓋等級下，用戶設備接入和傳輸機制會有些許差異。以下針對不同的覆蓋等級，說明隨機接入(Random Access, RACH)的程序。
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| 圖2 GSM和NB-IoT的天線增益示意圖 |
基地台會根據定義好的兩個參考訊號接收功率(Reference Signal Received Power, RSRP)的臨界值(Threshold)，將覆蓋範圍分為三個等級(圖3)，再透過系統資訊區塊-窄頻(System Information Block-Narrow Band, SIB-NB)攜帶無線電資源控制(RRC)的資訊，以將包含三種CE Level對應的窄帶物理隨機接入通道(NB-IoT Physical Random Access Channel, NPRACH)的配置告知用戶設備，而用戶設備則會根據測量到的RSRP，找出自己是處於哪一個CE Level，再使用相對應的NPRACH配置進行隨機接入程序。
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| 圖3 NPRACH配置與RSRP臨界值 |
舉例來說，在基地台發射功率20W(43dBm)配置下，RSRP Threshold 1、2分別為-118dBm與-130dBm。若用戶設備量測到的RSRP為-120dBm，則會採用NPRACH Configuration 1的配置接入基地台，若量測到的RSRP大於-118dBm，則採用NPRACH Configuration 0的配置。
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| 圖4 基地台發射功率vs. RSRP |
上述說明了基地台如何決定CE Level的兩個RSRP臨界值，而對RSRP有著最直接關係的就是基地台發射功率，圖4為基地台發射功率vs. RSRP的測試結果，可觀察到的是，CE Level的兩個RSRP臨界值與基地台發射功率有著線性的關係，並且當基地台發射功率變大時，RSRP臨界值也跟著變大。
調度相當有彈性 支援大量用戶設備
為了滿足大量連結的需求，NB-IoT在上行資源的調度相當有彈性。上行的時頻域(Time-frequency Domain)資源是以Resource Unit(RU)為單位(表2~3)，分別表示子載波間隔(Subcarrier Spacing)15kHz與3.75kHz的RU分配方式，其子載波的數量(NSC)可以是1(Single-tone)與3、6、12(Multi-tone)個，由此可知上行有多種頻寬可以選擇。
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| 表2 15kHz子載波間隔的RU分配方式 |
根據公式3的Shannon Channel Capacity公式可知，當某個用戶位於訊號非常差的環境時(SNR1)，此用戶的Capacity(單位bit/s)將不會隨著頻寬的增加而上升。
......................................................公式3
也就是說，弱訊區用戶的傳輸速率並不會隨著分配更多的頻寬而增加，因此從頻譜效率(Spectral Efficiency)的角度來看，基地台應該要分配小頻寬，如Single-tone 3.75kHz給弱訊區的用戶，如此一來可以節省頻域的資源，這也說明了表3的RU為何只有Single-tone的傳輸模式而沒有Multi-tone。另一方面，則適合分配大頻寬，如Multi-tone 180kHz給訊號佳的用戶。
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| 表3 3.75kHz子載波間隔的RU分配方式 |
由此可知，如果RU子載波的數量(NSC)越小，也就是頻域(Frequency Domain)的資源越少的話，RU時槽(Slot)的數量(NSlots)就越多，也就是時域(Time Domain)資源越長。例如使用Single-tone 3.75kHz時，時域的資源最長，有16個時槽共32毫秒(ms)。透過這種有效率的分配上行RU資源，NB-IoT的一個基地台可以服務的用戶設備個數預估可達到5萬個以上。
功率消耗大幅降低 延長電池使用壽命
省電模式(Power Saving Mode, PSM)是3GPP Rel-12中一項新增的省電技術，可用於一些不常發送數據封包，並偶爾接收來自網路側資料的物聯網(IoT)裝置。以火災警示用戶設備為例，當溫度感測器偵測到溫度變化時才會上傳資料，並且偶爾接收軔體更新或Keepalive訊息即可。當用戶設備進入PSM之後，從網路側雖然無法聯繫(Reachable)，但用戶設備在核心網路仍是註冊狀態。
PSM運作模式如圖5所示，T3412為週期性執行Tracking Area Update(TAU)的定時器(Timer)，在PSM機制下，T3412 Extended Timer最長可設定9,920(320×31)小時，其省電效果更加顯著。
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| 圖5 PSM功率消耗示意圖(以TAU為例) |
此外，也引入了另外一個定時器Active Timer，也稱為T3324，是進入PSM前的週期，在這段時間內，用戶設備將執行現有的DRX聽取Paging訊息。Active Timer於3GPP標準定義中最長可設定為186(6×31)分鐘，最短可為0分鐘，表示用戶設備會立刻進入PSM階段。這兩個定時器皆可於移動管理實體(MME)中調整，但Active Timer保留了與用戶設備協商的可能性。
接著說明Active Time和T3412在信令(Signaling)中的呈現方式。當用戶設備送出的Attach Request或TAU Request中的NAS訊息內若帶有「T3324 value」的訊息元件(Information Element, IE)時(圖6)，MME將得知此UE支援並要求PSM的機制。
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| 圖6 信令中的Active Timer |
Active Timer在標準定義中為GPRS Timer，以8個位元(Bit)表示，Bits 6至8為時間單位，包括有2秒、1分鐘以及6分鐘。Bits 5至1則為數值。舉例來說，若UE想送出10秒的Active Timer，則可設定為「000(表示時間單位為2秒)00101(表示數值為5)」，詳細設定方式可參考表4。
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| 表4 GPRS Timer訊息元件 |
3GPP TS 24.008, 2017
若用戶設備送出的Attach Request或TAU Request中的NAS訊息內若帶有「T3412 extended value」的訊息元件時(圖7)，則核心網路會以此為參考設定T3412的定時器，可能亦會加上一個隨機值以避免大量的用戶設備同時執行TAU程序。
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| 圖7 信令中的T3412 extended value |
T3412 Extended Value在標準定義中為GPRS Timer 3，同樣以8個位元表示，Bits 6至8為時間單位，從2秒至320小時不等。Bits 5至1則為數值，舉例來說，若UE想送出10小時的T3412 Extended Value，則可設定為「010(表示時間單位為10小時)00001(表示數值為1)」，詳細設定方式可參考表5。
另外一個在Rel-13中針對NB-IoT所新增的省電技術為改進非連續接收模式(Extended Discontinuous Reception, eDRX)，是對現有DRX功能的增強技術，使得用戶設備的睡眠週期，也就是eDRX Cycle，最長可達10,485.76秒(約175分鐘)，其運作模式如圖8所示。而在進入長期睡眠前的一段時間為Paging Time Window(PTW)，這段期間內用戶設備同樣執行現有的DRX以接收來自MME的Paging訊息。另外Paging Preparation Time則是用於用戶設備載入資料，或將資料寫入記憶體的時間。
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| 圖8 eDRX功率消耗示意圖 |
MME可從Attach Request或TAU Request訊息中的「Extended DRX Parameters」訊息元件判斷用戶設備是否要求eDRX功能(圖9)，其參數包括了Paging Time Window和eDRX Cycle Length Duration，皆可以透過核心網路與用戶設備協商最終的數值。
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| 圖9 信令中的eDRX參數 |
Extended DRX Parameters在3GPP TS 24.008中以8個位元表示，Bits 8至5為PTW的值，從2.56秒至40.96秒不等，Bits 4至1則為eDRX Cycle的值，從20.48秒至10,485.76秒不等。舉例來說，若想設定如圖9中的PTW=20.48s以及eDRX Value=81.92s，則Extended DRX Parameters可設定為「0111(表示PTW為20.48秒)0101(表示eDRX value為81.92秒)」，其他數值配置方式可參考3GPP TS 24.008的第10.5.5.32節。您可以在http://www.taics.org.tw/獲取更多關於NB-IoT更詳細技術細節。
(本文由台灣資通產業標準協會提供；作者皆任職於工研院資通所)