IoT LPWA 物聯網 NB-IoT

IoT浪潮席捲而來 LPWAN/高速物聯技術各顯神通

2019-03-05
從2012年4G網路在世界各國逐步商用運轉,國際通訊組織便開始規畫新一代5G的未來可能方向,除了一般人與人之間的溝通,全球有更多人與物、物與物的通訊需求被工廠、個人、集團所期盼,因此一些屬於物聯網(IoT)的規格與應用紛紛被提出,而本文將介紹目前全球物聯技術的發展方向。

圖1為目前全球常見之物聯網技術,短距離(約100公尺之內)的物聯技術包含了常見的Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee等,由於傳送距離短,所以此技術多用於個人周圍電子產品的互聯。長距離(100公尺以上)的物聯技術包含了LoRa、NB-IoT等,由於傳送距離長,所以此技術多用於智慧水表、智慧路燈、車隊管理、環境監控等商業物件的互聯。

圖1  常見之物聯網技術

LPWAN

由於長距離物聯網的特性,因此產生了低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network, LPWAN)技術,此技術包含了低功耗、低成本、低速率、大覆蓋、支援巨大數量等特性,可以在僅提供電池的情況下,巨大數量的設備(例如全區的水表、電表等)可以將關鍵的少量資料持續遠距離傳遞給監控中心,在大數據(Big Data)及人工智慧(AI)的分析之下,可做到流量監控、維修更新、突發處理等品質優化的趨勢分析。表1為目前常見之LPWAN技術,其中LoRa與NB-IoT是最被廣大運用的兩種技術。

表1  常見低功耗廣域網路技術

Sigfox於早年由法國Sigfox這家公司發展出來,使用免費的ISM頻段(2.4G/5.8GHz),須架設基地台,資料傳送速度僅達100bps,由於此規格並非全球認可,因此僅在某些跨國物聯公司使用。

LoRa由美國IBM等聯盟在2015年開始推廣,使用免費的ISM頻段,可連結至PC作為監控中心,網路架設較為方便,使用頻率位移鍵控(Frequency Shift Keying, FSK)調變技術,資料傳送速度最快可達50kbps。

NB-IoT與Cat-M1由3GPP在2016年起始公布,使用授權頻道,所以會與現有4G(或2G)系統一併使用。NB-IoT適用於定點量測且資料量不大的設備,例如水表、電表等。Cat-M1適用於移動量測且資料量稍大的設備,例如物流追蹤、健康追蹤等。涵蓋距離均有約35公里。

NB-IoT

如表2所示,3GPP組織於2016年R13版本中起始窄頻物聯網(NB-IoT)之規格標準,NB-IoT又可稱為Cat-NB1,2017年R14版本的新增功能NB-IoT則稱為Cat-NB2。

表2  3GPP版本演進

NB-IoT的主要特色如下:

1. 長效電池時間:由於NB-IoT時常運用在人類較少涉足的地方(例如屋頂水表或高山環境監測),無法提供一般電力,因此經常要使用電池,而NB-IoT若啟用超省電模式(Power Saving Mode, PSM)等機制,可大幅減少電池消耗,最省電模式下可以使用超過10年才須更換電池。

2. 低成本設備:NB-IoT時常與水表、電表、測溫計、測速計等量測設備一併運作,量測設備數量非常多而且繁雜,因此NB-IoT的傳輸元件必須非常便宜(低於5美元),才能被廣大群眾所使用。

3. 低成本布建:NB-IoT使用4G的專屬授權頻道,也使用4G原有基地台作為訊號收發的節點,不須額外架設收發器,因此可節省大量經費。

4. 覆蓋更廣:一般2G/4G的最大耦合損失(Max Coupling Loss, MCL)大約為144dB(可視為基地台與手機之間最大允許的空中訊號衰減),而NB-IoT因為頻寬甚窄(僅180kHz),能接收較低的訊號能量,因此MCL可達164dB,大大擴展了涵蓋範圍,若無特殊遮蔽,涵蓋距離最大可達到35公里。

5. 巨量設備支援:NB-IoT與巨量的量測設備相結合,每平方公里可達100萬個量測設備(Device),例如每戶家中的冰箱、電扇、冷氣、瓦斯等。

NB-IoT頻道配置

NB-IoT不需要強大的傳送速度,因此不需要太多的頻寬,僅需180kHz頻寬即可,圖2顯示NB-IoT頻道配置的3種方法:

圖2  NB-IoT頻道配置

・配置方法一:

2G-GSM的傳統頻道,每一頻道的頻寬(Bandwidth)是200kHz,因此可放置NB-IoT的180kHz頻寬。此種配置法稱為獨立配置法(Stand Alone),使用於2G-GSM的網路。台灣於2017年6月已將2G頻段解除釋出,因此無法使用此法。

・配置方法二:

圖3所顯示4G-LTE的頻道配置,每個資源區塊(Resource Block, RB)頻寬180kHz,在頻道的最兩旁有數個沒有使用的空頻寬(稱為保護頻段),NB-IoT便可以使用此處的1個RB頻寬。此種配置方法,優點是不占用原本4G的RB數量,4G的速度不會變慢;缺點則是RB位於總頻寬的外側,可能會受到較多的不正常干擾。

圖3  Inband下行頻道使用方式

・配置方法三:

NB-IoT直接使用4G-LTE頻段內的1個RB頻寬180kHz,此種配置法稱為頻段內配置法(InBand),通訊業者可直接指配某一個RB專屬給NB-IoT使用。此種配置方法,優點是RB位於頻段之內,干擾較少;缺點則是占用原本4G的RB,4G的速度會稍微變慢。

圖3為NB-IoT(Inband)與4G結合的頻道配置,無論NB-IoT數量非常多或非常少,NB-IoT使用專屬的一個RB,其餘RB就依一般4G-LTE的配置方式運行。

NB-IoT特殊省電技術

NB-IoT設備一般架設於水表、電表、量測設備等偏僻特殊的地方,無法使用一般電源,因此多會使用鋰電池作為電力的來源。另外,NB-IoT的標準是期望每個設備能正常運作超過10年,因此NB-IoT有兩大省電技術,讓設備在省電模式下,消耗電流僅有數奈安培,進而達到使用10年的目標。

功率省電模式

NB-IoT設備總共有三種狀態模式:

連結模式(Connected Mode):

在此模式下設備與基地台之間做發射(Tx)與接收(Rx)的雙向連通,這類似平時手機與基地台的雙向連通。可做資料的下行(Down Link)與上行(Up Link)的雙向傳送。

・待機模式(Idle Mode):

NB-IoT已資料傳送完成,回到待機,此時它會靜靜聆聽基地台是否有呼叫(Paging)其他訊息的傳送,這類似平時手機的待機狀態。

・功率省電模式(PSM):

待機一段時間之後,設備與基地台之間仍無傳遞訊息的需求,此時設備進入PSM狀態,類似深度睡眠,設備不再接收任何訊息,沉沉睡去,將耗電降至最低(僅有數奈安培),只有設備臨時需要資料傳送或週期性位置更新(TAU)才會重新甦醒再與基地台聯繫。

如圖4所示的PSM時間(T3412)可從6分鐘到310小時(約13天),代表NB-IoT設備最長可沉睡13天才重新甦醒,醒來之後先做TAU,再將基本資料(水表數值或電表數值或其他)傳送給基地台(一般數秒鐘內即可完成),然後再繼續深睡,每13天一次,因此可以非常省電。

圖4  NB-IoT PSM省電技術

延伸非連續接收(eDRX)

如圖5所示,NB-IoT設備在待機時需消耗少量功率(發射訊號時消耗最多功率)做接收訊號的動作,而為了在待機時更加省電,因此有非連續接收(Discontinuous Receive, DRX)的機制,在待機時,只有特定時間設備才會接收是否有基地台的呼叫,非此特定時間設備會進入睡眠狀態不做接收,此種方式可讓設備比一般待機更加省電。

圖5  NB-IoT eDRX省電技術

一般睡眠狀態與深度睡眠狀態設備均不做接收的動作,可視為設備已經睡著了,而深度睡眠狀態時,設備內僅有極少數計時器繼續運作,其餘全數關閉,因此更加省電。

NB-IoT增強功率/增大涵蓋

NB-IoT不強調傳送大量資料,但需要傳送極遠(數十公里)的距離,因此若能讓NB-IoT的功率增加便可以傳送更遠。

圖6為目前下行增強功率(Power Boosting)的實例,一般4G-LTE總輸出功率約20~40瓦,其功率是平均分配到每一個RB,例如10M頻寬共有50個RB,因此20瓦的功率是平均分配給50個RB,但NB-IoT為了增大涵蓋,於是將NB-IoT(占用1個RB)前後的各一個RB取消輸出,將多餘能量轉移給NB-IoT使用,因此NB-IoT可以比其他4GRB增多6dB的能量輸出,進而增大涵蓋範圍。

圖6  NB-IoT下行增強功率實例

圖6的能量配置法,增強了NB-IoT的涵蓋,但原本4G的RB數量由50個(10M頻寬)減少為47個(減少3個RB),因此4G速度會稍微減慢。

NB-IoT資料傳送流程

NB-IoT的資料上行流程請見圖7,初始階段基地台經由實體下行控制通道(NB-IoT Physical Downlink Control Channel, NPDCCH)通知NB-IoT設備準備做資料上傳的動作,經過8ms(毫秒)後設備便將水表數值(或電表數值)在32ms時間內經由實體上行共享通道(NB-IoT Physical Uplink Shared Channel, NPUSCH)傳給基地台(內含680位元的資料),總共經過45ms之後,基地台再次經由NPDCCH傳送控制資訊。

圖7  NB-IoT資料上行流程

若之前上行資料正確,基地台會送出ACK(Acknowledged)訊息,NB-IoT設備便可傳送下一筆新資料。如果之前上行資料有錯誤,基地台則會送出NACK(Non-acknowledged)訊息,NB-IoT設備接收到NACK訊息,便會將上筆資料重新傳送一次,直到正確為止。因為NB-IoT傳輸資料量不大,所以傳送流程單純且直接。

Cat-M1/LTE-M高速物聯網

3GPP在2016年公布NB-IoT與Cat-M1的規格標準,NB-IoT屬於定點、少量資料的物聯應用;而Cat-M1(或稱為LTE-M)則屬於移動或較大量資料的物聯應用。

圖6顯示NB-IoT占用原4G-LTE的1個RB。而如圖8所示,Cat-M1占用原4G-LTE的6個RB。NB-IoT與Cat-M1的主要差異如下:

圖8  Cat-M1下行頻段RB配置

1. NB-IoT占用1個RB,Cat-M1占用6個RB,因此Cat-M1傳輸速度較快,可達1Mbps。

2. NB-IoT占用的1個RB是專屬使用,就算短時間基地台完全無NB-IoT的使用,此專屬RB不會釋放出來。Cat-M1則是暫時性使用傳統4G-LTE的6個RB,有需要則占用,沒需要則釋放出來讓4G使用,因此對4G的影響是暫時性的。

3. Cat-M1占用傳統4G的6個RB,因此傳統4G的基本機制:移動交遞(Handover)、VoLTE(語音服務)等均有支援,因此設備可以移動。而NB-IoT屬於定點傳送,不支援上述功能。

如表2所示,3GPP在2016年公布初版的R13:NB-IoT(Cat-NB1)與Cat-M1的規格標準;3GPP在2017年公布更新的R14:Cat-NB2(NB-IoT2)與Cat-M2的規格標準。另外,如表3所顯示,NB-IoT2的傳送速度更快,上傳速度可達159kbps。而隨著業界的需求變化以及5G的多方應用,2019年之後,物聯網的規格需求亦會逐步調整更新。

表3  Cat-NB1與Cat-NB2比較

首圖來源:西門子

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