窄頻物聯網(Narrow Band Internet of Thing, NB-IoT)標準化的工作於第三代合作夥伴計劃(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)Release 13版本
開始。NB-IoT使用者裝置(User Equipment, UE)須具備低耗能、低複雜度、低成本等特性，但可容忍較大延遲。
為了達到涵蓋範圍延伸(Coverage Enhancement, CE)以滿足布建在細胞(Cell)邊緣或地下室等通道品質較低的NB-IoT UE，基地台與NB-IoT UE之間透過採用較少數量的子載波(Subcarrier)與將欲傳遞的資料作重複傳送以利於接收端提高正確解出資料的成功率。依照目前規格的規範，在隨機存取(Random Access)通道、控制通道與資料通道所傳遞之訊息的重複傳送次數最高可高達128、2,048與2,048次。
三種運行模式各有發揮 靈活運用頻段資源
涵蓋範圍延伸(Coverage Enhancement Level, CE Level)共分為三種等級，分別為達到可對抗最大耦合損失(Maximum Coupling Loss, MCL)為144dB、154dB、164dB的訊號能量衰減。基地台與NB-IoT UE間會根據所在的CE Level來選擇相對應的訊息重複傳送次數。
另一方面，為了使營運商能靈活地使用LTE頻段或非LTE頻段來布建NB-IoT系統以及考量到對LTE系統的相容性，單一載波頻寬被限制為180KHz，相當於一個PRB(Physical Resource Block)的頻寬。
NB-IoT支援在頻段內(In-Band)、保護頻段(Guard Band)以及獨立(Stand-alone)共三種運行模式。In-Band運行是利用LTE載波(Carrier)內的PRB進行資料傳輸，Guard Band運行是利用LTE載波內的Guard Band來進行資料傳輸，Stand-alone運行則是使用非LTE頻段的載波來進行資料傳輸。為了提高NB-IoT的市場需求性，三種運行模式的設計具有一致性，但In-Band與Guard Band兩種運行模式則需特別考量到對LTE系統的相容性。NB-IoT所支援的最大資料速率(Data Rate)在上行(Uplink)為64Kbit/s，下行(Downlink)為28Kbit/s。
目前正值標準討論中的階段，接下來我們將針對實體層與介面存取控制層受影響的通道設計、功能與程序做介紹。由於截稿前，NB-IoT第十三版本的規格尚在RAN大會上等待通過，故以下的介紹以基於規格送審前的資料為主。
實體層的變更
NB-IoT在多重存取(Multiple Access)技術的選擇上，使用與LTE系統相同之Multiple Access技術，亦即在下行使用正交分頻多路存取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)，在上行使用單載波分頻多重存取(Single Carrier Frequency Division Multiple Access, SC-FDMA)，且子載波間距 (Subcarrier Spacing)以及訊框架構(Frame Structure)與LTE系統相同。
另外，考量到NB-IoT UE的低成本需求，在上行亦支援單頻(Single Tone)傳輸，使用的Subcarrier Spacing除了原有的15KHz，還新制訂了3.75KHz的Subcarrier Spacing，共48個Subcarrier。
由於頻寬最多僅有1個PRB，所以不同實體層通道之間大多為分時多工(Time Division Multiplexed, TDD)，也就是在不同時間上輪流出現。另外，考量到NB-IoT UE的低成本與低複雜度，Release-13 NB-IoT僅支援分頻雙工(Frequency Division Duplex, FDD)且為半雙工(Half Duplex)，亦即上行與下行使用不同的載波，且一NB-IoT UE傳送和接收需在不同時間點進行。
在NB-IoT中，因為頻寬大小以及NB-IoT UE能力的限制，捨棄了LTE系統中如實體上行共享通道(Physical Uplink Control Channel, PUCCH)、實體混合自動重傳請求或指示通道(Physical Hybrid ARQ Indicator Channel, PHICH)等實體層通道。
HARQ的實認資訊(HARQ-ACK)/否定應答(NACK)將會傳送在NB-IoT中新制定的資料通道中，而LTE系統中的週期性通道狀態資訊(Periodic CSI)回報，也因為考量到資源有限與NB-IoT UE的電量耗損，在NB-IoT中不予支援。
原有LTE系統中的其他實體層通道如實體下行控制通道(Physical Downlink Control Channel, PDCCH)以及傳送實體隨機存取通道(Physical Random Access Channel, PRACH)也都有對應功能的新實體層通道設計，本文將逐一簡介。
調變與編碼機制
NB-IoT中下行使用的調變為正交相位位移鍵控(QPSK)，上行若為多頻傳輸(Multi-Tone Transmission)則使用QPSK，若為單頻傳輸則使用π/2 BPSK或π/4 QPSK，此為考量到降低峰值功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)的需求。
通道編碼方面，為了減少NB-IoT UE解碼的複雜度，下行的資料傳輸是使用尾端位元迴旋碼(Tail Biting Convolutional Coding, TBCC)，而上行的資料傳輸則使用Turbo Coding。
混合式自動重新傳送程序
在NB-IoT中，由於可用資源有限以及重複傳送的行為，若在上行使用同時(Synchronous)的混合式自動重新傳送程序(HARQ Process)會使得上行資源運用更加困難，因此在NB-IoT中上行和下行都使用非同時(Asynchronous)的HARQ Process，亦即若需重傳則會根據新接收到的下行控制資訊(Downlink Control Information, DCI)來做重傳。另外，為了減少NB-IoT UE的複雜度，只支援一個HARQ Process，且在下行不支援冗餘版本(Redundancy Version, RV)，在上行則支援RV 0、RV 2。
單頻傳輸
NB-IoT UE在上行可使用單頻傳輸，其中Subcarrier Spacing可為15KHz以及3.75KHz。因為15KHz為3.75KHz的整數倍，所以對LTE系統有較小的干擾。由於下行的Frame Structure與LTE的相同，且為了使上行與下行的時間有清楚的關係，制定Subcarrier Spacing為3.75KHz的Frame Structure中一個符槽(Slot)包含7個符元(Symbol)共2ms長，是LTE系統中一個時槽(Slot)時間長度的4倍。
NB-IoT系統中的取樣頻率(Sampling Rate)為1.92MHz，Subcarrier Spacing為3.75KHz的Frame Structure中一個Symbol的時間長度為512 Ts(Sampling Duration)加上循環前綴(Cyclic Prefix, CP)長16Ts，共528Ts。因此，一個Slot包含7個Symbol再加上保護區間(Guard Period)共3840Ts，即2ms長。
資源單位
有別於LTE系統中資源分配的基本單位為子訊框(Subframe)，NB-IoT在上行中根據Subcarrier的數目分別制訂了相對應的資源單位做為資源分配的基本單位，如表1。
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| 表1 NB-IoT上行資源單位的subcarrier數目與slot數目組合。 |
其中3.75KHz Subcarrier Spacing只支援單頻傳輸，資源單位的頻寬為一個Subcarrier，時間長度是16個Slot，也就是32ms長。15KHz Subcarrier Spacing支援單頻傳輸和多頻傳輸，頻寬為1個Subcarrier的資源單位有16個Slot的時間長度，即8ms。頻寬為12個Subcarrier的資源單位則有2個Slot的時間長度，即1ms，此資源單位即是LTE系統中的一個Subframe。資源單位的時間長度設計為2的冪次方是為了在排程上可有效的運用資源，較不易產生資源空隙而造成資源浪費。
表1中NPUSCH Format 1的資源單位是用來傳送上行資料的。NPUSCH Format 2是NB-IoT UE用來傳送指示NPDSCH有無成功接收的HARQ-ACK/NACK，所使用的Subcarrier的索引(Index)是在由排程對應的NPDSCH的下行配置(Downlink Assignment)中指示，重複傳送次數則是由無線資源控制模組(Radio Resource Control, RRC)參數配置。
同步訊號
NPSS(Narrowband Primary Synchronization Signal)為提供NB-IoT UE時間和頻率同步的參考訊號，但NPSS中並不帶有分區(Sector)ID。NSSS(Narrowband Secondary Synchronization Signal)帶有Physical Cell ID。NPSS與NSSS的資源位置避開了LTE系統中的控制區域，其資源位置如圖1。
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| 圖1 承載NPSS和NSSS的資源位置 |
NPSS的週期是10ms，NSSS的週期是20ms。NB-IoT UE在尋找細胞(Cell Search)時，會先檢測NPSS，因此NPSS的設計為短的ZC(Zadoff-Chu)序列，對於最初的訊號檢測和初步的同步複雜度較低且有好的效果。
窄頻參考訊號
NB-IoT下行最多支援兩個天線端口(Antenna Port)的參考訊號，資源的位置在時間上與LTE系統的細胞參考訊號(Cell-Specific Reference Signal, CRS)錯開，在頻率上則與之相同，因此在In-Band Operation若有檢測到CRS，可與NRS共同使用來做通道估測，如圖2。
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| 圖2 NRS資源位置 |
因此，NB-IoT下行僅支援單天線(Single Antenna)和傳送分集(Transmit Diversity)這兩種傳送模式(Transmission Mode)。
系統資訊
系統資訊MIB-NB(Narrowband Master Information Block)承載於週期640ms之週期性出現的NPBCH(Narrowband Physical Broadcast Channel)中，其餘系統資訊如SIB1-NB(Narrowband System Information Block Type1)等則承載於NPDSCH中。SIB1-NB為週期性出現，其餘系統資訊則由SIB1-NB中所帶的排程資訊做排程。
有效下行子訊框
在NB-IoT中，一般下行資料傳輸會傳送在NPDSCH中，下行控制訊息則是傳送在NPDCCH中，而若某一Subframe不為有效下行子訊框(Valid Downlink Subframe)，則原先該在此Subframe傳送的NPDSCH或NPDCCH會順延至下一個Valid Downlink Subframe來傳送。任一Subframe若用來傳輸NPSS、NSSS、NPBCH、SIB1-NB，則不被視為一個Valid Downlink Subframe。
在In-Band Operation中，ENB可能因將資源做為其他用途而會把一個Subframe設定為非Valid Downlink Subframe，此資訊將會由承載於SIB1-NB中的一個Bitmap來指示。
Narrowband Physical Downlink Control Channel
Narrowband Physical Downlink Control Channel(NPDCCH)有別於LTE系統中的PDCCH，並非每個Subframe均有NPDCCH，而是週期性的出現。NPDCCH有三種搜索空間(Search Space)，分別用於排程一般資料傳輸、無線資源控制模組(Random Access)程序相關資訊傳輸，以及呼叫(Paging)資訊傳輸。
各個Search Space有無線資源控制(RRC)配置相對應的最大重複次數Rmax，其Search Space的出現週期大小即為相對應之Rmax與RRC層配置的一參數之乘積。
RRC層亦可配置一偏移(Offset)以調整一Search Space的開始時間。在大部分的搜索空間配置中，所占用的資源大小為一PRB，僅有少數配置為占用6個Subcarrier。
一個DCI中會帶有該DCI的重複傳送次數，以及DCI傳送結束後至其所排程之NPDSCH或NPUSCH所需的延遲時間，NB-IoT UE即可使用此DCI所在之Search Space的開始時間，來推算DCI之結束時間以及排程之資料的開始時間，以進行資料之傳送或接收。
Narrowband Physical Downlink Shared Channel
Narrowband Physical Downlink Shared Channel(NPDSCH)是用來傳送下行資料以及系統資訊，NPDSCH所占用的頻寬是一整個PRB大小。一個傳輸塊(Transport Block, TB)依據所使用的調變編碼(MCS)，可能需要使用多於一個Subframe來傳輸，因此在NPDCCH中接收到的Downlink Assignment中會包含一個TB對應的Subframe數目以及重複傳送次數的指示。
Narrowband Physical Uplink Shared Channel
Narrowband Physical Uplink Shared Channel(NPUSCH)是用來傳送上行資料以及上行控制資訊。NPUSCH傳輸可使用單頻或是多頻傳輸，一個TB依據所使用的MCS，可能需要使用多於一個資源單位來傳輸，因此在NPDCCH中接收到的上行允許(Uplink Grant)中除了指示上行資料傳輸所使用的資源單位的Subcarrier的Index，也會包含一個TB對應的資源單位數目以及重複傳送次數的指示。
Narrowband Physical Random Access Channel
有別於LTE中Random Access Preamble使用ZC序列，NB-IoT中的Random Access Preamble是單頻傳輸(3.75KHz Subcarrier Spacing)，且使用的Symbol為一定值。一次的Random Access Preamble傳送包含四個Symbol Group，一個Symbol Group是5個Symbol加上一CP，如圖3。
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| 圖3 Radom Access Preamble Symbol Group |
每個Symbol Group之間會有跳頻(Frequency Hopping)。選擇傳送的Random Access Preamble即是選擇起始的Subcarrier。
協定層的變更
依據3GPP的規劃，RAN2將NB-IoT在協定層規畫了兩種資料傳輸模式。分別是控制平面(Control Plane, CP)解決方案與使用者平面(User Plane, UP)解決方案。其中CP解決方案是必要支援，UP解決方案為額外支援的選項。
NB-IoT UE並不與基地台建立DRB(Data Radio Bearer)而只透過建立的SRB(Signaling Radio Bearer)來傳遞少量的資料。
基地台與NB-IoT UE之間新增了一個名叫Suspend-Resume的程序。其目的在於降低NB-IoT UE在RRC連線模式(Connected Mode)與閒置模式(Idle Mode)之間切換時所需要交換的訊息數量，藉此節省NB-IoT UE的能源消耗(Power Consumption)。實際的作法如圖4，當基地台在NB-IoT UE不需要RRC連線時下達指令讓該裝置進入Suspend模式，而該Suspend指令中會夾帶一組Resume ID(如圖4，步驟11)。
不同於以往從RRC連線模式至閒置模式的過程，基地台與NB-IoT UE間會盡可能地保留在RRC連線模式下所使用的無線資源配置以及相關安全性配置。當NB-IoT UE欲進行資料傳輸時，僅需要在Random Access程序中的第三道訊息(RRC Connection Request)夾帶基地台配給的Resume ID(如圖4，步驟4)，基地台即可以在透過此Resume ID來辨識NB-IoT UE，並且跳過相關的配置訊息交換，直接進入資料傳輸。
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| 圖4 Suspend-Resume程序 |
多載波運作模式
系統可以在一個Cell中同時間於多個載波上提供服務，但單一NB-IoT UE同一時間僅能在一個載波上面傳收資料。NB-IoT的載波可以分為兩類：提供NPSS、NSSS與承載NPBCH和系統資訊的載波稱為Anchor Carrier，其餘的載波則稱為Non-Anchor Carrier。
NB-IoT UE一律需要從Anchor Carrier上面進行Random Access，基地台會在Random Access的第四道訊息傳遞Non-Anchor Carrier的排程資訊以將NB-IoT UE卸載至Non-Anchor Carrier上進行後續的資料傳輸，避免Anchor Carrier的無線資源吃緊。
移動性
NB-IoT UE的主要應用場景皆屬於低移動性，因此為了兼顧NB-IoT的低複雜度與低成本的需求，在Release 13的規格當中將換手(Handover)程序給移除了。取而代之的是當發生NB-IoT UE在不同基地台涵蓋範圍間移動時，會先進行RRC釋放(Release)，再重新與新的基地台進行RRC連線。
由於NB-IoT UE所支援的功能經過大量的簡化，相對應地在既有LTE無線通訊系統中存在的系統資訊方塊(System Information Block, SIB)，對於NB-IoT UE來講並不需要。所以SIB的數量大幅減少至僅剩七個，且這些NB-IoT UE所需讀取的SIB在基地台端是獨立傳送(SIB-NB)，並非夾帶在原有系統之SIB中。NB-IoT共 有以下幾種SIB-NB。
Cell Reselection與閒置模式運作
對於NB-IoT來講，Cell Reselection的機制也做了適度的簡化，如圖5。由於NB-IoT UE並未支援緊急撥號的功能，所以當一NB-IoT UE遇到無法找到Suitable Cell之情況，該NB-IoT UE不會暫時駐紮(Camp)在Acceptable Cell，取而代之的是持續搜尋直到找到Suitable Cell為止。根據3GPP TS 36.304規格的定義，所謂的Suitable Cell為可以提供正常服務的Cell，而Acceptable Cell為僅能提供緊急服務的Cell。
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| 圖5 NB-IoT Cell Reselection的程序 |
邏輯通道與傳送通道之對應
NB-IoT並不支援多媒體廣播多播服務(Multimedia Broadcast Multicast Service, MBMS)。所以在邏輯通道至傳送通道的對應上，即移除了所有的多播通道(MCCH, MTCH)。其餘的廣播，資料與控制通道皆獲保留。
排程
由於NB-IoT UE是被預期為一種低複雜的裝置，故在硬體的規格等級與反應時間等能力皆較為低階。所以基地台針對於NB-IoT UE的資料傳輸會強制採取跨子訊框(Cross Subframe)的排程方式，以替NB-IoT UE爭取更充足的時間做DCI的解碼以及傳送與接收模式之間的轉換。
隨機存取
基地台會針對各個CE Level去配置對應的NPRACH資源。Random Access程序(如圖6)開始之前，NB-IoT UE會藉由量測下行參考訊號來決定所在的CE Level，並使用該CE Level之NPRACH資源。但是當Random Access程序因Preamble傳輸階段未能成功時，NB-IoT UE會在更高一個CE Level的NPRACH資源重新進行Random Access程序，直到嘗試完所有CE Level的NPRACH資源為止。
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| 圖6 NB-IoT Random Access程序 |
反之，但對於曾經進入第三道訊息傳輸階段的NB-IoT UE而言，當Random Access程序未能成功時，則是留在同樣的CE Level的NPRACH資源重新進行Random Access程序。此設計的原因是假若一個NB-IoT UE可以進入到第三道訊息傳輸階段，即代表該NB-IoT UE的CE Level選擇洽當，Preamble傳輸已可以讓基地台順利接收。
另外，NB-IoT的Random Access程序會在第三道訊息(RRC Connection Request)中進行資料數量以及功率餘裕回報(Data Volume and Power Headroom Report, DPR)。NB-IoT UE在進入RRC連線模式之前，藉此通知基地台自己資料傳輸狀態，以讓基地台提前做適度的RRC資源配置。
未來趨向提高資料速率 減少重發以降低功耗
3GPP從第十版本的規格即開始討論機器型態通訊，替未來的行動通訊系統挹注進許多全新的挑戰。但由於MTC所採用的頻寬是MHz等級，仍無法真的落實降低成本的目標。
延伸到Release 13的NB-IoT，即以使用180KHz頻寬的限制去做設計，且為了增加此標準技術的使用普遍性，制定了三種運行模式。因為頻寬僅有相當於LTE系統中一個PRB的大小，因此NB-IoT中的實體層通道做了相當大的改變，且為了可與LTE系統一同運作，設計的原則以不影響LTE系統為主。協定層的程序則是將現有LTE系統中的程序做簡化，減少所需要交換的訊息量，但也新設計了相關程序以因應NB-IoT中的重複傳送行為以及CE Level間的變換等。
可以預期下一個版本的NB-IoT的設計目標會轉向進一步提升資料速率，以因應資料量需求較大的物聯網使用情境。目前觀察到的方向為增強Release 13中的多載波(Multi-Carrier)運行模式靈活性，使NB-IoT UE可同時在多個Carrier上資料傳收。
另外，NB-IoT利用重複傳送的行為達到延伸涵蓋範圍的目的，卻也帶來增加能源消耗的缺點。所以在未來會設計較為精準的資料重複傳送次數控制程序。例如，若基地台在NB-IoT UE重複傳送結束前已成功接收資料，可提前通知NB-IoT UE停止剩餘的重複傳送次數以節省電力。
(本文作者均任職於資策會智通所)