加快低功耗物聯網應用起步　NB-IoT實體層標準持續挺進

3GPP的無線通訊標準從Rel-13開始，特別針對LPWAN的應用情境，設計了一個全新的窄頻(Narrow-band)無線通訊技術，也就是NB-IoT技術。主要的應用場景是低耗電、低傳輸需求的機器與機器間通訊。例如智慧電表、智慧停車系統等。其技術面的需求也因此和以人與人間通訊為主的LTE有很大的不同，以無線終端設備來說低成本、低耗電、低維護成本、超長電池壽命(10年以上不需更換)，而以系統面或網路面來說基地台涵蓋率廣，所能服務的無線終端設備的數量多，是主要需要解決的需求。針對以上的需求，3GPP Rel-13的NB-IoT技術規範提供了如表1所列出的技術。

本篇文章將著重在實體層(Physical Layer, PHY)的標準技術。首先介紹終端設備開機後，一直到連上基地台所經過的程序，而後再依序介紹相關的實體層通道或訊號，最後簡短地介紹Rel-14、Rel-15的技術演進。

NB-IoT終端設備聯網程序

在LTE蜂巢式無線通訊系統中的終端設備(User Entity, UE)在開機之後，就會開始一連串相當繁複的標準作業程序，來建立與基地台間的通訊，完成之後，才可以開始撥電話、接電話或上網。此過程稱為與蜂巢式系統基地台的連接(Cell Access)。以下就以NB-IoT終端設備作為例子，來說明其與基地台建立連接的過程。

在NB-IoT終端設備開機後，它首先會在預先設定好的頻率上搜尋訊號，一旦發現訊號之後，就會試著去接收並讀取系統資訊(System Information, SIB)，之後再根據系統資訊所得到的訊息，發送隨機存取(Random Access)訊號並建立與基地台間的RRC連結(RRC Connection)。一旦與基地台成功建立RRC連結，即成功聯網，就可以開始傳送或接收資料。在這過程中，需要各種特殊設計的NB-IoT實體層訊號或通道(表2)。

NB-IoT實體通道設計

為節省標準發展及產品開發的時間，NB-IoT的實體層設計是以LTE的標準為基礎，並且簡化不需要的部分，降低軟硬體的複雜度，藉以達到省電以及壓低產品價格的目的。在開始介紹NB-IoT的實體層通道之前，先看看NB-IoT所使用的無線電波頻段以及主要的實體層訊號參數。

NB-IoT可支援三種頻段運行模式(圖1)，分別為在獨立頻帶運行模式、在LTE頻帶內運行模式、在保護頻段運行模式。說明如下：

・在獨立頻帶運行模式(Stand-alone)：在一個與LTE系統不相同的頻帶內運行

・在LTE頻帶內運行模式：與LTE系統在相同的頻帶內運行

・在保護頻段運行模式(Guardband)：在LTE系統頻帶邊緣的保護頻帶運行

由圖1可見，為支援In-band模式，NB-IoT的頻寬與LTE的一個基本資源單位資源區塊(Resource Block, RB)相同，即180kHz。沿用LTE的實體層設計，NB-IoT的下行(Downlink；由基地台發送訊號而由終端設備接收)訊號調變方式也採用正交頻分多工(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM)，一個OFDM符元(Symbol)由12個子載波(Subcarrier)組成，相鄰子載波之間的間距(Subcarrier Spacing)為15kHz，因此在頻域(Frequency-domain)所占頻寬為12×15kHz=180kHz(圖2)。

在時域(Time-domain)上，7個OFDM符元組成一個時槽(Time-slot)，時間為0.5毫秒(ms)。2個時槽組成一個1毫秒的子訊框(Subframe)，10個子訊框組成一個10毫秒的訊框(Radio Frame)(圖3)。系統會依序給訊框0~1,023的循環(Cyclic)編號，一個循環週期是10.24秒。與LTE不同的是，為因應NB-IoT的某些服務可能需要比LTE更長的時間，NB-IoT另外定義了超訊框(Hyper Frame)，由1,024個訊框組成，同樣的也依照0~1,023循環標號，因此就NB-IoT系統來說，最長可以標示的時間就是1,024×10.24秒，也就是2.91小時。

上行(Uplink；終端設備發送訊號而由基地台接收)的訊號也同樣沿用LTE的單載波頻分多址(Single-carrier Frequency-Division Multiple Access, SC-FDMA)，子載波間距有兩種15kHz或3.5kHz。同樣的，為了符合In-band運行模式的要求，頻寬也必須是180kHz。因此，若子載波間距是15kHz，則一個SC-FDMA符元由12個子載波組成；若子載波間隔是3.5kHz，則一個SC-FDMA符元由48個子載波組成。同樣的，7個SC-FDMA符元組成一個時槽，時間為0.5毫秒(子載波間距15kHz)，或是2毫秒(子載波間距3.5kHz)。2個時槽組成一個子訊框，10個子訊框組成一個訊框。

接下來就分別針對下行及上行的實體層通道或訊號做說明。

下行(Downlink)

下行通道的訊號調變模式是四相移鍵控調變(QPSK)，最多可支援2個天線埠(Antenna Port)，若採用2個天線埠，則其多重天線傳輸模式採用空頻區塊編碼(Space Frequency Block Coding, SFBC)。天線埠是實體層中的一個邏輯概念，指的是通道估測對應的端點。簡而言之，天線埠對應的是通道估測數學模型上的天線端，因此天線埠與實體天線並沒有一定的對應。窄頻物理廣播通道(NPBCH)、實體下行控制通道(NPDCCH)、窄頻實體下行共用通道(NPDSCH)三個通道皆採用相同數量的天線埠。

・窄頻同步訊號：NPSSS、NSSS

下行OFDM訊號使用了採用循環字首(Cyclic Prefix, CP)來降低因無線通道多路徑的特性所造成的符元間干擾(Inter Symbol Interference, ISI)，因此無線終端(在3GPP的標準中的正式名稱是UE(User Entity))在接收時必須知道每個OFDM符元的起始，才能準確地移除循環字首。而這個任務就是藉由同步訊號來達成。

NB-IoT系統的同步訊號使用與LTE相同的架構，分為主同步訊號(Narrowband Primary Synchronization Signal, NPSS)及次級同步訊號(Narrowband Secondary Synchronization Signal, NSSS)。NPSS使用長度11的Zadoff-Chu序列，並在第6個子訊框(SF5)傳送，UE藉由NPSS可以偵測出訊框的邊界。NSSS同樣是使用Zadoff-Chu序列，但長度是131。然後根據NB-IoT基地台的實體細胞辨識碼(NCellID)等參數，將序列做循環位移(Cyclic Shift)等處理。因此，UE在成功接收NSSS後除了可進一步偵測出子訊框的邊界之外，也可取得傳送同步訊號的基地台之NCellID。NSSS是傳輸在偶數訊框的第10個子訊框(SF9)。因此基地台每10毫秒會傳送一次NPSS，每20毫秒會傳送一次NSSS。

圖4為NPSS及NSSS的示意圖，前3個符元沒有使用的原因是因為在接收同步訊號時，UE並不知道目前所在的NB-IoT系統是運行在哪種頻段模式，因此必須先假設系統是運行在In-band模式，而在In-band模式中，LTE的下行控制通道PDCCH最多會使用每個子訊框的前3個符元，所以NB-IoT的同步訊號就不使用這3個可能會被LTE系統使用的符元。另外，在In-band模式中，必須傳輸CRS的資源單元(圖4中的黑色區塊)，則會以LTE的CRS優先，而不傳輸該RE的NPSS或NSSS，這種作法在3GPP中稱為CRS在NPSS或NSSS上打洞(Puncture)。

・窄頻參考訊號：NRS

如上所述，UE在成功接收到PSSS後，即可取得基地台的NCellID。到這個步驟，UE就取得基地台所傳送的參考訊號(NRS)的所有參數，可以產生通過無線通道前的參考訊號。UE透過比對通過無線通道前的參考訊號與接收到的，也就是通過無線通道後的參考訊號，即可估測出無線通道，有了無線通道的估測後才可能對各個實體層通道的訊號進行解調變(Demodulation)。NRS可由單一天線埠或兩個天線埠傳送(圖5)，NRS實際使用的資源單元會根據基地台的NCellID而在頻域上有循環平移(Cyclic Shift)，因此不同基地台間的NRS不會互相干擾。

NRS與LTE的CRS使用不同的資源單元，因此在In-band運作模式中，基地台兩種參考訊號皆會傳送。另外，在In-band運作模式中，NB-IoT基地台與LTE基地台的實體細胞辨識碼可能會相同，若是兩系統使用相同的識別碼，則UE可假設NRS及CRS的天線埠相同，因此必要時UE可以同時使用這兩種參考訊號來提升通道估測的準確度。

・窄頻實體廣播通道：NPBCH

NPBCH是基地台用來傳送窄頻主資訊區塊(Narrowband Master Information Block, MIB-NB)的實體層通道，MIB-NB共有34個位元(Bit)，包含許多重要的系統參數，例如系統訊框編號(SFN)及超訊框編號、SIB1-NB的排程(Scheduling)、頻段運行模式等。長度為34個位元的MIB-NB經過編碼及調變後產生出800個QPSK符元，這800個符元被等分為8個各有100個QPSK符元的區塊，每個區塊經過圖6的方式映射到相對應的資源單元後，在每個訊框中的第1個子訊框傳送，並在之後的7個訊框重複傳送，因此每個區塊會重傳8次。所以整個MIB-NB是被分散在64個訊框中傳送(圖6)。

因為UE在接收NPBCH時，還不知道基地台的天線埠數目，因此NPBCH在做資源單元映射時，會假設NRS使用2個天線埠，CRS使用4個天線埠(圖7)。

・窄頻實體下行控制通道：NPDCCH

實體下行控制通道的主要功用是在通知UE有資料要傳送過來，並告知要接收此資料所需的參數，例如何時要開始傳送。還有給予UE上行允諾(Uplink Grant)，即告知UE何時可以傳送上行資料，以避免不同UE間的互相干擾。除此之外，系統也會利用實體下行控制通道，來呼叫(Paging)UE，以及更新UE的系統資訊。

NPDCCH在一個資源區塊上所使用的資源單元請見圖8。一個資源區塊包含2個窄頻控制通道單元(Narrowband Control Channel Element, NCCE)，分別以深色及淺色表示，NCCE是窄頻實體下行控制通到的最小資源配置單位。NPDCCH Format 0會使用1個NCCE，NPDCCH Format 1則需2個NCCE。圖8假設In-band運作模式，因此有LTE的CRS以及PDCCH(即前面2個OFDM符元)，UE可由SIB1-NB中的參數來取得PDCCH符元的數目。若是Guard-band或Standalone運作模式，則的預設值為0。

因為UE無法事先預知基地台何時會有資料要傳輸過來，所以它必須在每個可能會有NPDCCH的子訊框去試著接收；或者，以3GPP的用語，搜索(Search)是否有給它的NPDCCH。因此，為了要降低UE的複雜度以節省用電量，系統會告知各UE必須要搜索的空間(Search Space)，即可能會有NPDCCH的子訊框。搜索空間可分成兩大類，包含共通搜索空間(Common Search Space)及各UE的專屬用戶搜索空間(UE-specific Space)。其中共通搜尋空間又分為兩種，Type-1用來呼叫UE、Type-2用來傳送隨機存取回應(Random Access Response, RAR)等資訊給UE(表3)。基地台會利用RRC訊息來告知UE其專屬用戶搜索空間及Type-2的共通搜索空間；至於Type-1的共通搜索空間，UE則是由SIB2-NB中的呼叫子訊框(Paging Subframe)參數得知。

為了區別給各UE的PDCCH，系統會指派不同的無線網路暫時識別碼(Radio Network Temporary Identifier, RNTI)給不同的UE，基地台會用這些RNTI來對NPDCCH所傳送資訊，即下行控制資訊(Downlink Control Information, DCI)的CRC位元進行編碼。因此，只有知道相對應RNTI的UE能夠成功解碼(Decode)，如此一來，系統可確保只有需要接收某個DCI的UE可以成功地接收到該DCI。

・窄頻實體下行共用通道：NPDSCH

NPDSCH的資源單元配置與NPDCCH Format 1相同，使用了整個NB-IoT的180kHz頻段。最大可傳輸的傳輸區塊大小(Transport Block Size, TBS)是680位元，傳輸區塊大小會橫跨NSF子訊框，與其它實體層通道相同，為了擴大基地台涵蓋的範圍，NPDSCH也用上了重複傳輸的技術，同一個傳輸區塊可能會重傳NRep次，因此總共會用NSF×NRep個子訊框來傳送。這兩個參數都會在相對應的NPDCCH取得(圖9)。在收到NPDCCH後，最快要4+IDelay個子訊框之後基地台才會開始傳輸相對應的NPDSCH。

NB-IoT的下行傳輸並沒有如LTE的自動應答機制來自動傳送ACK/NACK，若基地台希望收到應答回應，則必須在對應此NPDSCH的NPDCCH上下達指令，而收到應答回應指令的UE則會用NPUSCH Format 2傳輸ACK/NACK回應給基地台，若基地台收到ACK，即表示UE已成功接收，若基地台收到NACK，即表示UE接收失敗，基地台就會進行重傳(圖9)。

上行(Uplink)

上行通道的訊號調變模式是四相移鍵控調變(QPSK)或雙相移鍵控調變(BPSK)，為了降低UE複雜度，只支援1個天線埠(Antenna Port)。藉由接收NPBCH的NB-MIB以及NPDSCH的SIB1-NB、SIB2-NB之後，UE已取得所有相關的系統參數可以傳送隨機存取前置符元(Random Access Preamble)給基地台，藉由傳送機存取前置符元，UE告知基地台它的存在，好讓基地台準備與此UE連結。UE與基地台完成隨機存取程序後即完成整個聯網程序，並可準備利用NPDSCH上傳資料。

・窄頻實體隨機存取通道: NPRACH

NPRACH的前置符元群組(Preamble Symbol Group)，在頻率上使用一個3.75kHz的子載波，在時域上則由兩部分組成，循環字首(CP)以及5個重複的符元(圖10)。有Format 0及Format 1兩種前置符元格式，兩種格式的不同之處僅在於CP的長度不同，Format 0及Format 1的總長度分別為1.4毫秒及1.6毫秒。

NPRACH的前置符元(Preamble)是由4個連續的上述前置符元群組所組成。為了因應廣域的應用場景，NPRACH的前置符元使用了重傳(Repetition)以及跳頻(Frequency Hopping)的技巧(圖11)。跳頻技術應用在每個前置符元群組，跳頻的範圍為12、24、36或48個相鄰的子載波區間內。NPRACH跳頻的設計原則是只要起始的子載波是不同的，則其後的跳頻也不會導致子載波衝突(Conflict)。

UE會根據SIB2-NB中的NPRACH前置符元的週期參數以及在週期中的起始位置參數來決定開始傳送前置符元的時間(圖12)。

・窄頻實體上行共用通道：NPUSCH

NPUSCH有兩個格式，Format 1用來傳送資料給基地台，Format 2則是專門用來傳送ACK/NACK回應(圖9)。傳輸上行資料的傳輸區塊大小所使用的最小單位是資源單位(Resource Unit, RU)，一個資源單位是由個子載波及所組成。

若子載波間距是3.75kHz，NPUSCH一律使用1個子載波。若子載波間距是15kHz，Format 1有4種不同的RU，分別占據1、3、6或12個子載波。Format 2則使用1個子載波。至於調變方式，Format 2一律使用BPSK。Format 1使用1個子載波可使用BPSK或QPSK，使用多子載波的RU則使用QPSK(表4)。

・解調變參考訊號：DMRS

DMRS的功用是讓基地台進行通道估測，進而可以對NPUSCH進行解調變，為了要有正確的通道估測，DMRS符元會放在NPUSCH中間。NB-IoT針對NPUSCH Format 1及Format 2設計了兩種不同型態的DMRS。在NPUSCH Format 1，每個Slot中有1個DMRS符元。在NPUSCH Format 2，每個Slot中有3個DMRS符元(圖13、圖14)。

3GPP物聯網標準持續向前推進

NB-IoT Rel-13是3GPP在2016年所訂定的第一版NB-IoT標準，之後又持續加入新的功能(表5)，分別在2017年推出Rel-14，2019年推出Rel-15。

目前Rel-16的NB-IoT標準也正在3GPP制定中，除了再進一步的提升傳輸效率降低耗電量之外，也考量與5G新無線電(New Radio, NR)系統的共存的技術議題，Rel-16預計會在2020完成。除了NB-IoT及LTE-M外，3GPP Rel-16的NR系統也開始針對工業物聯網(Industrial Internet of Things, IIoT)制定NR-IIoT技術規範。由於3GPP標準通常會領先大規模商用約3~5年，因此由上所述的標準演進，或可一窺2020年代物聯網產業的趨勢及走向。

(本文作者為工研院資通所新興無線應用技術組技術經理)