NB-IoT LPWAN 3GPP PSD

廣覆蓋/大量連結/低功耗具優勢 NB-IoT搶占物聯網技術制高點

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。 

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。 

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。 

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。 

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。 

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。 

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。 

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。 

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。 

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。 

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。 

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。 

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。 

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)

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