強化UE通訊及網路效率　增強型窄頻物聯網eNB-IoT問世

此增強版窄頻物聯網技術之工作項目的規格討論需於2017年3月才會將整體設計細節給敲定，屆時對應之技術規格才能定稿與發布。本文於目前先針對執行Anchor載波的訊務卸載、增強窄頻物聯網使用裝置之移動性與調降最大傳輸功率等級三個在日前3GPP標準會議上有較明確進展的項目做趨勢介紹，詳細規格程序仍須待3GPP最後版本之規格定義。

Anchor載波卸載任務

第十三版本窄頻物聯網技術當中，窄頻物聯網使用者裝置是被系統限制僅能於Anchor載波上進行隨機存取程序以及聆聽Paging訊息。此外，窄頻物理廣播通道(Narrow Band Physical Broadcast Channel, NPBCH)、窄頻主要同步訊號與窄頻次要同步訊號皆也被承載在Anchor載波上。根據規格之設計，窄頻物聯網隨機存取通道(NB-IoT Random Access Channel, NPRACH)中訊息傳送相當占用資源與窄頻物聯網使用者裝置數量龐大的情況下，相較於Non-Anchor載波，Anchor載波負擔了相當可觀之訊務量。為了要減輕Anchor載波的負載量，如圖1，在第十四版本的增強型窄頻物聯網中採取了讓基地台於Non-Anchor載波也可以配置窄頻物理隨機存取通道與Paging訊息的設計。讓Non-Anchor載波可適時的卸載與分擔在Anchor載波上隨機存取與Paging的訊務，以減輕Anchor載波資源較為吃緊的情況。

資料來源：作者自製 圖1 窄頻物聯網隨機存取訊務分流

目前3GPP無線接取網路第二工作小組規劃讓基地台在一個新定義的系統資訊方塊(System Information Block, SIB)廣播中去指引增強型窄頻物聯網使用者裝置讀取一組指示可以用來做隨機存取與Paging的Non-Anchor載波清單。該系統資訊方塊中可以針對不同的Non-Anchor載波做彈性與差別化的窄頻物聯網隨機存取參數配置。例如：於不同的Non-Anchor載波提供不同訊號涵蓋範圍延伸等級(Coverage Enhancement Level, CE Level) 窄頻物聯網隨機存取通道、資料傳輸重複次數與子載波數量等。

為了要兼顧系統複雜度與訊務卸載的效果，目前第十四版本中提供卸載訊務之Non-Anchor載波數量最高可達十六組。當窄頻物聯網使用者裝置具有在Anchor載波或Non-Anchor載波上進行隨機存取與Paging之彈性，接下來須處理的問題便是如何妥善地將窄頻物聯網使用者裝置做裝置數量之分散。假若窄頻物聯網使用者裝置過度集中於特定的Non-Anchor載波，上述載波壅塞之問題仍會發生在該載波。而對於未發生壅塞的載波來說，就會有窄頻物聯網隨機存取通道資源閒置的問題。並且這中間需考慮的會是基地台是否能夠及時地做裝置數量分布的調配。

目前3GPP無線接取網路第二工作小組所設計的分布框架是：窄頻物聯網使用者裝置使用「隨機擲骰子」的方式做載波之選擇。但基地台端可以透過訊令去調整每個載波的選擇機率權重。窄頻物聯網使用者裝置在進行隨機存取過程當中，每次發生隨機存取程序失敗之情況時，皆需要重新執行載波重新選擇之程序。至於各個Non-Anchor載波上的窄頻物聯網隨機存取通道相關參數除了「每個涵蓋範圍層級中Preamble重新傳送次數」與「每次Preamble傳送需重複之次數」之配置會維持相同之外，其它參數皆獨立做不同之配置，以讓基地台得以根據每個載波的資源狀況做彈性的調配。

基地台皆會於新定義的系統資訊方塊中廣播公告這些參數。值得注意的是，系統之所以會將窄頻物聯網隨機存取通道的參數與Paging的參數定義在新的系統資訊方塊中，主要考量是要精簡化窄頻物聯網使用者裝置所需讀取的系統資訊。當一個不支援於Non-Anchor載波進隨機存取與Paging的窄頻物聯網，使用者裝置即可以跳過該系統資訊方塊的讀取以節省能源消耗。

至於在Non-Anchor載波上做Paging的部分，目前之設計會朝向讓窄頻物聯網使用者裝置根據自己的使用者裝置辨識(IMSI)當作變數並參考基地台所提供的輔助參數(例如：Paging週期、Paging時間點與可乘載Paging之Non-Anchor數量等資訊)做運算後，自行找出應該聆聽哪個Non-Anchor載波的廣播通道。同樣地，相似於窄頻物聯網隨機存取通道的安排，基地台並非只能做均勻分布的調度。其可根據每個載波的資源狀況做對應分配之權重做調整。值得注意的是，雖然基地台最多可以提供十六個Non-Anchor載波，但在做窄頻物聯網使用者裝置分配前，會需要先要求窄頻物聯網使用者裝置回報自己所支援之載波，以避免錯置。

傳輸功率調降

在第十三版本窄頻物聯網中，使用者裝置所使用的最大傳輸功率(Maximum Transmit Power)是直接沿用一般使用者裝置的規範中最低之層級(23dBm)，而無針對此技術需具有省電之特性去客製化一組專屬的級等。然而為了要徹底實現窄頻物聯網使用者裝置具備便宜與省電的特色，第十四版本中考量到窄頻物聯網使用者裝置的成本需進一步降低，例如裝置僅配備較低成本的功率放大器與電池等，3GPP特地為了窄頻物聯網使用者裝置訂定一個更低的最大傳輸功率級等：14dBm。並且將此新訂定之功率級等列為一個選項的(非必備)使用者裝置能力。當並非所有窄頻物聯網使用者裝置皆會採用或支援此新訂定之最大傳輸功率級等，系統中將會混合著支援原先23dBm與新14dBm兩種級等之裝置。

這將會造成窄頻物聯網使用者裝置在進行初始進入系統欲進行隨機存取程序時，發生基地台判斷訊號涵蓋範圍等級混淆之情況。回顧第十三版本中的隨機存取程序，窄頻物聯網使用者裝置需先量測基地台所發射的參考訊號之接收功率。接著參考基地台所廣播的接收功率與涵蓋範圍等級之對照表去判斷自己該使用的涵蓋範圍等級。接著再採取該涵蓋範圍等級所指定的傳送訊號次數來發送Preamble。

然而，如圖2所示，對於基地台來說將會發生無法區別使用14dBm與23dBm的兩種窄頻物聯網使用者裝置之實際傳輸功率與實際涵蓋範圍。此情況會衍生造成基地台傳送下行的隨機存取回應(Random Access Response, RAR)訊息時採取到錯誤的配置。此問題會將會持續到之後的所有的上、下行傳輸功率配置與傳送次數之決策混淆。直到窄頻物聯網使用者裝成功完成隨機存取程序並建立好RRC連線後，回報夾帶有自己的最大傳輸功率級之Radio Resource Capability訊息給基地台後才得以修正。針對此問題，第十四版本中窄頻物聯網使用者裝置將被要求將基地台所廣播之「接收功率與涵蓋範圍等級之對照」自行做9dBm(23dBm-14dBm)的修正，而非基地台主動地將調整過後的Threshold做廣播。

圖2 窄頻物聯網訊號涵蓋範圍邊界

增強移動性

第十三版本的窄頻物聯網並未支援換手(Handover)機制以至於窄頻物聯網使用者裝置無法實現連續性服務(Service Continuity)。增強窄頻物聯網使用者裝置的Mobility和Service Continuity將改為採取UE-centric Mobility的概念去設計。如3GPP TS 36.331技術規格中所記載(圖3)，第十三版本的窄頻物聯網中的無線連結失敗(Radio Link Failure, RLF)機制是當窄頻物聯網使用者裝置連續接收到N310個失去同步(Out-of-sync)的指示後，即判斷物理層的傳輸狀況發生問題，接著窄頻物聯網使用者裝置會啟動T310計數器以等待可能的狀況恢復。接著，若窄頻物聯網使用者裝置在T310計時器尚未過期之前有接收到連續N311個連續的保持同步(In-sync)指示後，就會將該T310計時器關閉。反之，當T310計時器過期，窄頻物聯網使用者裝置則判定無線連結失敗已成立。並且該窄頻物聯網使用者裝置隨即進入Idle模式而不進行RRC連線重建(RRC Connection Re-establishment)。

資料來源：作者自製 圖3 窄頻物聯網無線連結失敗程序

如圖4，窄頻物聯網的T310最大數值是8000毫秒(ms)，為一般的使用者裝置四倍長之多，可見其等待時間相對冗長。此等待時間對於協定上層的資料傳輸中斷時間可能就會隨之拉長。

圖4 第十三版本的窄頻物聯網無線連結失敗相關參數配置[3GPPTS 36.331]

但在增強型窄頻物聯網中，系統將會引進兩種快速無線連結判定失敗的概念：第一種做法為基地台將N310與T310可以配置的數值先降低，以加速窄頻物聯網使用者裝置去判定無線連結失敗成立與否。並且搭配著當T310啟動時，隨即執行鄰近Cell的量測工作，假設有找到訊號品質高於一個位移(Offset)數值的Cell，該窄頻物聯網裝置即移動至該Cell。

第二種可行的做法會是借重T312計時器，在T310運行期間，當窄頻物聯網使用者裝置的參考訊號接收功率(Reference Signal Received Power, RSRP)量測值符合特定條件時，即觸發執行鄰近Cell的量測工作，假設有找到訊號品質高於一個位移數值的Cell，即啟動T312計時器並且開始監看同步狀況，假若T312計時器到期，該窄頻物聯網裝置即移動至該Cell。

其中第一種作法的優勢在於可以不讓窄頻物聯網使用者裝置有機會等待同步恢復，轉而可以不用透過基地台配置量測間隔(Measurement Gap)就可以直接進行Intra或Inter Frequency的量測，降低資源預留的浪費與複雜度。第二種做法比較類似於LTE的行為，讓窄頻物聯網使用者裝置想辦法保留連線，等待同步之恢復，相較於第一種作法有較高的機會找到適合Cell延續通訊。但若要在等待期間量測Inter Frequency(窄頻物聯網的鄰近Cell通常會被安排在Inter Frequency)，則需要修改規格程序讓基地台得以在這段期間配置量測間隔。

本文介紹了目前增強型窄頻物聯網的重點技術發展趨勢。未於本文作介紹之引進單細胞中點對多點傳輸技術與定位功能的技術發展概念為：運用單細胞中點對多點傳輸技術進行群播功能，在需要從基地台獲取同一份資料時群體接收，以節省大量窄頻物聯網使用者裝置的能耗。會做此功能的制定主要情景是希望大量窄頻物聯網使用者裝置需要做類似軟體更新時，可以透過群播的方式節省無線資源。另外定位功能是朝向引進觀測到達時間差(Observed Time Difference of Arrival, OTDOA)與上行到達時間差兩項技術來協助完成增強型窄頻物聯網的定位功能。其中主要對規格的影響與挑戰會在於系統需額外設計窄頻物聯網定位專屬的定位參考訊號，以及配合窄頻物聯網長時間傳輸延遲所對定位計算準確度的影響。

待SC-PTM與定位功能細節底定後，增強型窄頻物聯網技術規格將會比第十三版本更具活用性。同時，目前3GPP標準組織已達到共識，對於5G中Massive MTC的設計趨勢將會基於窄頻物聯網的整體技術作為主體去做延伸發展。因此窄頻物聯網技術細節相當值得讀者深入了解，以掌握技術布局與發展先機。