第三代合作夥伴計劃(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)版本(Release)13的窄頻物聯網(Narrow Band Internet of Thing, NB-IoT)標準化工作已於2016年6月完成並且通過。NB-IoT使用者裝置(User Equipment, UE)為了要達到訊號涵蓋範圍延伸(Coverage Enhancement, CE)，被規範成僅採用較少數量的子載波(Subcarrier)與將欲傳遞的資料訊號作重複(Repetition)傳送以對抗耦合損失(Coupling Loss, CL)的訊號能量衰減，以利於提高接收端正確解出資料的成功率。在無線接取網路(Radio Access Network, RAN)中，因應窄頻化的趨勢與為了同時滿足NB-IoT使用者裝置須具備的低耗能、低複雜度與低成本等特性，NB-IoT使用者裝置基於長程演進技術(Long Term Evolution, LTE)的運作程序做了許多更改設計，尤其在進入系統之前的接取程序設計更做了不少更動。
本文基於窄頻物聯網與LTE於接取程序之訊令(Signalling)差異分為兩部份逐一介紹。第一部份：初始同步與讀取系統資訊程序。第二部份：隨機存取程序。另外，窄頻物聯網所採用的存取控制機制也於文中後半段做額外介紹。
程序I：初始同步與讀取系統資訊
首先，NB-IoT使用者裝置須先讀取基地台(Evolved Node B, eNB)於Anchor載波上所廣播的NB-IoT專屬的窄頻主要同步訊號(Narrow Band Primary Synchronization Signal, NPSS)與窄頻次要同步訊號(Narrow Band Secondary Synchronization Signal, NSSS)，以完成同步。並從該次要同步訊號中解出物理細胞辨識(Physical Cell ID)。接著，NB-IoT使用者裝置讀取基地台於Anchor載波上所廣播的NB-IoT專屬主要資訊區塊(Master Information Block-Narrow Band, MIB-NB)與系統資訊區塊(System Information Block-Narrow Band, SIB-NB)(圖1)。
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| 圖1 同步及讀取系統資訊方塊流程 |
該NB-IoT專屬主要資訊區塊與系統資訊區塊皆擁有被重複傳送的行為，以至於傳送之週期被延長為640毫秒與2560毫秒。其中，NB-IoT專屬主要資訊區塊是被連續傳輸在每個訊框(Frame)中的第0號Sub-frame，該資訊區塊內會指示該載波的運行模式(頻段內(In-band)、保護頻段(Guard band)以及獨立(Stand-alone)共三種運行模式)與NB-IoT專屬第一系統資訊區塊(SIB1-NB)之部份排程資訊(Scheduling Information)。讀取完NB-IoT專屬主要資訊區塊後，NB-IoT使用者裝置會透過其中夾帶的NB-IoT專屬第一系統資訊區塊排程資訊，與先前解出的物理細胞辨識合力去計算出NB-IoT專屬第一系統資訊區塊完整之排程資訊。
類似地，NB-IoT專屬第一系統資訊區塊排程資訊會進一步包含其餘NB-IoT專屬系統資訊區塊(SIB2-NB~SIB16-NB)的排程資訊。NB-IoT使用者裝置必須先讀取到NB-IoT專屬第二系統資訊區塊中的窄頻物理隨機存取通道(Narrow Band Physical Random Access Channel, NPRACH)資源配置資訊，方能進行後續之隨機存取程序。此外，該NB-IoT專屬第二系統資訊區塊也同時包含了對應於Anchor載波的上行載波頻段配置資訊。
程序II：隨機存取程序
NB-IoT使用者裝置在獲取到隨機存取必要資源配置資訊後，即可以在窄頻物理隨機存取通道上進行隨機存取程序。由於第十三版本的窄頻物聯網技術中，基地台會針對不同涵蓋範圍的NB-IoT使用者裝置各自配置專屬的窄頻物理隨機存取通道資源，所以NB-IoT使用者裝置在進行隨機存取程序之前，須先決策自己的涵蓋範圍延伸等級(CE Level)。該等級的決策是NB-IoT使用者裝置自行藉由量測下行參考訊號接收功率(Reference Signal Receive Power, RSRP)，並參考NB-IoT專屬第二系統資訊區塊中的參考訊號接收功率臨界來決定。
接著NB-IoT使用者裝置會使用該涵蓋範圍延伸等級專屬之窄頻物理隨機存取通道資源。窄頻物理隨機存取通道的資源配置共包含了以下幾種重要資訊：通道出現之週期、通道於頻率軸上的位置、通道於時間軸上的位置、通道使用之子載波數量、Preamble最大重試次數與Preamble每次傳送重複次數等。
不同於既有LTE的隨機存取通道，基地台更會進一步於每個涵蓋範圍延伸等級之窄頻物理隨機存取通道資源中將子載波資源作頻率軸上的分割。目的是為了要分別提供給第三道訊息(RRC Connection Request)僅能支援單頻(Single Tone, ST)或可支援多頻(Multi Tone, MT)傳輸的NB-IoT使用者裝置做對應之選擇。基地台藉此資源的分割以辨別NB-IoT使用者裝置之單頻與多頻之能力，以針對第三道訊息之上行資源做對應之單頻或多頻的資源排程。
另外，第十三版的窄頻物聯網技術仍保有非競爭式(Contention Free)的隨機存取資源。如圖2斜線區域，每個涵蓋範圍延伸等級之窄頻物理隨機存取通道資源中皆可進一步個別保留一塊非競爭式的資源(子載波)。
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| 圖2 窄頻物理隨機存取通道資源分配 |
NB-IoT使用者裝置根據自己第三道訊息傳輸是支援單頻或多頻傳輸，於對應的子載波上傳送Preamble。既有的LTE系統中，使用者裝置的上行資料傳輸所需的資源取得是透過名為暫存器狀態回報(Buffer Status Report, BSR)與功率餘裕回報(Power Headroom Report, PHR)之程序。當使用者裝置需要做上行資料傳送時，須先完成上述回報程序後，基地台才會根據使用者裝置將暫存器內準備好要傳送的資料量與功率餘裕來做出對應之上行資源配給(圖3)。然而，這樣的程序須運作在使用者裝置已經進入無線資源控制連線狀態(Radio Resource Control Connected State)。
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| 圖3 隨機存取程序 |
對於NB-IoT使用者裝置來講，與系統連線可能僅為傳遞一筆微量的資料，卻須先耗費不少準備動作於建立無線資源控制連線上，之後再進行上述兩道回報程序才可進行資料傳遞。站在NB-IoT使用者裝置需降低能耗的角度而言，此機制是有改善之空間。所以第十三版的窄頻物聯網技術規格特別新定義了一組夾帶在無線資源控制連線請求訊息中，名為資料數值與功率餘裕(Data Value and Power Headroom, DV and PH)的介面存取控制層資訊元素(Medium Access Control Information Element, MAC IE)，如圖4。該資訊元素物理意義與功能等同於上述的BSR與PHR兩道程序，數值的表示方式也相似於既有的BSR與PHR，皆是使用查表，如表1與表2。DV是用4個位元(Bits)去對應表示十六種數值範圍，PH則用2個位元去對應表示四種數值範圍。
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| 表1 資料數值對照表 |
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| 表2 功率餘裕對照表 |
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| 圖4 資料數值與功率餘裕介面存取控制層資訊元素 |
最後此資訊元素還保留兩個位元做後續延伸設計之用。定義此新資訊元素的目的是為了讓NB-IoT使用者裝置可以提前在進入無線資源控制連線狀態之前，即先向基地台回報欲傳送資料的數量與功率餘裕空間。相較LTE，此動作不但可降低所需傳遞的訊息數量，也可讓基地台得以較精準地提前調配資源配置。此外，無線資源控制連線請求還可選項地承載以下三項資訊：
如同LTE，基地台在接收到使用者裝置的第三道訊息後，會回覆一道帶有訊號無線承載1(Signalling Radio Bearer 1, SRB1)配置的第四道訊息(RRC Connection Setup)給使用者裝置。在窄頻物聯網中，基地台在第四道訊息中會額外多帶一組訊號無線承載1bis給NB-IoT使用者裝置。換言之，NB-IoT使用者裝置須在此階段同時建立兩條訊號訊號無線承載：1與1bis。訊號無線承載1bis是窄頻物聯網中專門設計給採取控制者平面解法(Control Plane Solution)傳輸資料所使用的新定義。其初始配置完全相同於訊號無線承載1。如圖5，與訊號無線承載1的主要差異在於訊號無線承載1bis並未包含分封數據匯聚協定(Packet Data Convergence Protocol, PDCP)層。唯獨NB-IoT使用者裝置在切換至採取使用者平面解法傳輸資料後才會啟用訊號無線承載1。其原因在於，採取控制平面解法做資料傳輸的NB-IoT使用者裝置，其資料是Piggy Back在非存取層(Non-Access Stratum, NAS)的訊息。為了減輕NB-IoT的負擔，在非存取層訊息已有加密的前提下，窄頻物聯網技術於控制平面解法中，捨棄分封數據匯聚協定層的加密機制與程序以降低複雜度。
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| 圖5 窄頻物聯網存取層堆疊 |
最後，NB-IoT使用者裝置會透過訊號無線承載1bis送出第五道訊息(RRC Connection Setup Complete)。該訊息會同時夾帶非存取層的Attach Request訊息與該NB-IoT使用者裝置是否支援使用者平面解法傳輸資料。窄頻物聯網中的Attach Request訊息內的建立連線原由(Establish Cause)欄位也多了一組新的定義：Exceptional Data。該定義之目的是讓基地台可以辨識NB-IoT使用者裝置所乘載的資料是否為緊急用途。此新的定義也有利於NB-IoT使用者裝置通過基地台所採取的存取控制機制。
存取阻擋機制
在窄頻物聯網技術中有設計了一套機制來控管NB-IoT使用者裝置的存取，該機制稱作存取阻擋。存取阻擋分別結合了既有LTE系統中的存取層級阻擋(Access Class Barring)與延伸存取阻擋(Extend Access Barring, EAB)兩項機制的部份做法。藉由將NB-IoT使用者裝置分配到多個存取層級，再透過基地台廣播之NB-IoT專屬第十四系統資訊方塊(SIB14-NB)中的位元地圖(Bitmap)告知NB-IoT使用者裝置，當下何種存取層級是被允許做系統存取。NB-IoT使用者裝置也同時被限制需要在嘗試與基地台連線之前取得最新的NB-IoT專屬第十四系統資訊方塊內容，以確保存取控制有被落實。
另外，存取阻擋機制中新增了一項阻擋判斷之基準：建立連線原由。基地台除了有能力可以對隸屬於不同存取層級的NB-IoT使用者裝置分別控管存取權限外，還可以針對一種新定義之建立原由Exceptional Data來做額外的控管存取。也就是說，當建立連線原由為Exceptional Data的NB-IoT使用者裝置所隸屬的存取層級被禁止存取時，該NB-IoT使用者裝置還可進一步確認基地台是否放行Exceptional Data之存取。若該指標結果為「是」，則該NB-IoT使用者裝置仍可以進行系統存取。
兩類載波設計 NB-IoT強化隨機存取程序
在第十三版本窄頻物聯網技術當中，NB-IoT使用者裝置被系統限制僅能於Anchor載波上進行隨機存取程序。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。相較於Non-Anchor載波，Anchor載波需負擔較重的訊務量。為了要減輕Anchor載波的負載量，在第十四版本的窄頻物聯網中將會採取於Non-Anchor載波也可以配置窄頻物理隨機存取通道的設計，讓Non-Anchor載波可適時的卸載與分擔在Anchor載波上隨機存取的訊務。然而目前3GPP標準還在討論此卸載機制的細節，例如：NB-IoT使用者裝置與基地台該遵循與執行何種準則以將隨機存取程序的訊務在各載波上進行適當的分配。其中可能的趨勢目前有兩種：
第一種作法雖然可以較精準地控制隨機存取的訊務量，但卻需面臨跨載波排程的挑戰。第二種作法中則是需要設計適當的載波分配輔助資訊與其傳遞機制，這將會增加存取程序之複雜度。
(本文作者任職於資策會智通所)