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NB-IoT设计的不简单任务
实现低成本与低电源消耗

【作者: 王岫晨】2019年07月17日 星期三

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在IoT应用的大架构之下,连网需求有增无减,并且针对不同属性的连网需求,也必须对应不同的连网技术来提供最隹化的连线效率。通常来说,新标准的制定在厘清对於新标准的需求之後,会由一群专家组成技术委员会,讨论与协商初步提案。完成草案制定後,便会交给更多会员群组审查,以寻求意见和最终审核。



图一 : 为了能够有效运用频谱资源,NB-IoT的设计包含三种不同运作模式:独立、频段内和保护频段。
图一 : 为了能够有效运用频谱资源,NB-IoT的设计包含三种不同运作模式:独立、频段内和保护频段。

提案的所有元素都会经过协商,包括范围、主要定义和内容。现在有越来越多人将模拟软体应用於新技术的研究,以加快制定标准,并减少硬体部署成本。NB-IoT就是在这样的氛围之下被制定而出的连网技术。


NB-IoT即为窄频物联网标准,是专为物联网而设计的新型蜂巢式窄频技术,源自於2014年的3GPP研究专案。第一个版本在2016年6月公布,并成为全球3GPP标准第13版内容的一部分。


此标准的主要目标大致如下:


●改善室内覆盖范围;


●增加对大量低传输速率装置的支援;


●低延迟灵敏度;


●低装置耗电量;


●超低的设备成本;


●建立於LTE无线介面和网路上的最隹化网路架构NB-IoT规格预计将支援新式5G NB-IoT标准群播和定位,以持续演进并超越第13版。


PHY规格

3GPP TS 36.211第13版,V13.2.0(2016-06)为NB-IoT提供了实体通道和调变规范。新的装置类别Cat-NB1可支援数十kbps的速度与200kHz通道频宽。


在此版本之前,eMTC(加强型机器类型通讯)资料速率支援高达1Mbps的可变速率,类型M1(Cat-M1)具1.4MHz的频宽。窄频实体链路共用通道提供两种??载波间隔选择,亦即15kHz与3.75kHz。


其中3.75 kHz的额外选择,可为较具挑战性的位置提供更大的覆盖范围,例如在建筑物内部深处信号强度受限的位置。工程设计人员也可用二进位键控相移(BPSK)和正交键控相移(QPSK),再分别搭配π/2和π/4的相位旋转,进行资料??载波调变。资源单位的??载波数量选择可以是1、3、6或12,以支援单音频与多音频传输。


窄频下行链路实体资源区块具有12个??载波与15kHz间隔,可提供180kHz传输频宽。只支援一种QPSK调变机制。为了简化装置下行链路传输解码,选择舍弃涡轮码(turbo codes),而改用去尾??旋编码机制(tail biting convolutional coding scheme)。


无线电传输和接收

为了能够有效运用频谱资源,NB-IoT的设计包含三种不同运作模式:独立、频段内和保护频段。独立模式主要是将GSM载波替换成NB-IoT载波,频段内运作是在一般LTE载波内利用资源区块。而保护频段运作模式则采用LTE载波的保护频段。对LTE服务供应商来说,频段内选项可提供最有效的NB-IoT部署。


举例来说,因为NB-IoT全整合在现有LTE基础设施内,所以如果没有IoT讯务,便可能使用适合NB-IoT载波的实体资源区块(PRB),而不做其他目的使用。如此即可让基地台调度器能在同一频谱中对LTE和NB-IoT讯务进行多工。


对深入叁与3GPP标准化的企业来说,模拟不同操作情境下的NB-IoT和LTE共存是很常见的。例如在LTE系统为受干扰物,而NB-IoT为干扰源的情境下,频段内和保护频段运作模式的结果。考虑到NB-IoT下行链路??载波与LTE PRB正交,且两者皆从同一基地台进行传输,因此仅针对上行链路的情况进行共存评估。在这个范例中,使用了是德科技SystemVue通讯实体层模拟软体与其LTE-A叁考资料库来建立模拟环境。


各企业的模拟结果可能会因为建模方法有所不同。可能会因发生功率泄漏、调变和过滤而产生差异。但上述3GPP TR 36.802 V13.0.0模拟范例的基本结论是NB-IoT可与LTE共存。从中观察到以下几个重点:


●传输速率下降少於5%;


●NB-IoT在第一个相邻LTE PRB造成一些干扰,但对其他PRB的干扰则微不足道或在可接受范围内;


●保护频段中的共存较频段内运作模式略隹。


设计层面硬体考量

NB-IoT规格包括一系列设计目标:覆盖范围更大、装置电池寿命更长,以及因资料传输较小且分散而使装置成本更低。因峰值资料速率要求减少,因此得以在接收器链中采用简单的无线电与基频流程。


透过NB-IoT半双工操作,便可以一个简单的开关,搭配为数较少的振荡器来产生频率,以取代常用LTE类型装置的双工滤波器。另外舍弃涡轮码而采用简单的下行链路??旋通道编码,也有利简化基频解码过程。整个开发过程中投注了许多心血,才能实现所需的低成本、低电源消耗设计目标。


目前主要的架构竞争对象是零中频和低中频接收器,此类接收器将类比前端与数位基频信号处理整合在单一晶片上。然而,每种架构都有一些结构性问题必须解决。LO泄漏和自混合造成的直流偏移会使零中频接收机的所需信号降级。而对低中频接收机来说,不理想的硬体则会造成I和Q信号路径间的振幅与相位不符。因此会造成所需的信号降级及干扰信号泄漏。为了能够更清楚的了解各种架构的缺点,可透过模拟软体,以系统模型来对架构进行审视。


结语

第一个NB-IoT规格在3GPP第13版中完成。其目的是提供一种低成本设备,增加覆盖区域,并提供更长的电池寿命与持续可达性。尽管NB-IoT应用已降低对性能的要求,并采用相同的LTE基础设施,但开发这些新产品仍是一项艰难的任务,需要有精确的设计目标。


开发低成本设备应将所选系统规格的各种接收器拓朴结构、元件整合方法和性能评估都纳入考量。在矽前处理期间,工程师应在虚拟环境中以精密的模拟工具进行设备测试,并执行矽後验证。


解决方案

是德科技E6640A EXM无线测试仪


图二 : 是德科技E6640A EXM无线测试仪
图二 : 是德科技E6640A EXM无线测试仪图片来源:keysight.com

台湾是德科技:「我们让工程师拥有快速、精准的测试能力!」


客户需要快速、准确的硬体装置并联测试,以提高产量和良率。EXM模组化设计提供扩充性,让制造商能以最低成本扩展测试系统,因应下一代装置要求并可完全支援IoT测试。EXM提供扩充性,为高度整合装置提供160MHz频宽、高达6GHz的频率范围,并且涵盖最广泛的无线标准,从蜂巢式LTE-A到11ac和MIMO无线连接标准。EXM的讯号品质和量测准确度,确保工程师能获得更高的良率。EXM配备四核心处理器,更可大幅提高生产测试速率。


罗德史瓦兹CMW500宽频通讯测试仪


图三 : 罗德史瓦兹CMW500宽频通讯测试仪
图三 : 罗德史瓦兹CMW500宽频通讯测试仪图片来源:rohde-schwarz.com

台湾罗德史瓦兹:「这是集所有功能於一身的无线通讯测试仪!」


物联网的网路架构中,通常伴随着各种不同的无线通讯标准。R&S CMW500宽频通讯测试仪,为全球唯一集合所有功能於一身的无线通讯测试仪,帮助企业以最少的经费达到最高的报酬保障。利用模组化的硬体扩充,以及软体更新的方式,提供极大化的扩充弹性,满足各种测试需求,适用於现今与未来的无线通讯产品设计。不论是从事晶片或是模组开发、制造、封装与测试,或是系统整合应用的任一个阶段,这部仪器均能提供工程师所需的各种量测解决方案。


国家仪器PXIe-5668R向量讯号分析器(VSA)


图四 : 国家仪器PXI平台
图四 : 国家仪器PXI平台图片来源:ni.com

国家仪器:「PXI平台提供最隹的量测速度与效能!」


国家仪器PXIe-5668R向量讯号分析器(VSA)提供765MHz的频宽,以及同级最隹的量测效能与速度。这款高效能微波讯号分析器可满足某些严苛的应用需求,例如无线通讯、射频积体电路(RFIC)特性测试、雷达测试、频谱监控与讯号情报等。PXIe-5668R结合了RF量测效能、量测速度和灵活弹性。这款仪器的动态范围与频宽均领先业界,并可针对研发应用严苛的量测需求提供理想的解决方案。PXIe-5668R属於PXI仪器的一种,优异的量测速度可满足大量制造测试的需求。这款VSA还包含可透过LabVIEW设计程式的Xilinx Kintex-7 FPGA,只要新增触发或讯号处理常式,就能客制化仪器行为,并提供许多丰富功能。


安立知ShockLine高性能4埠向量网路分析仪


图五 : 安立知ShockLine高性能4埠向量网路分析仪
图五 : 安立知ShockLine高性能4埠向量网路分析仪图片来源:anritsu.com

安立知:「我们可有效降低测试成本并加快上市速度!」


ShockLine MS46524B 4埠向量网路分析仪系列,具备高价值与高性能,可提供同类产品中最隹的动态范围,降低在多种测试应用 (最高92GHz) 中的测试成本并可加快上市速度。这些测试应用包括设计和制造多埠行动网路装置、行动装置、汽车电缆、高速资料互连与系统整合元件。MS46524B配置选项10、选项20及选项40,可具备射频微波频率功能;这些频率选项搭配强大的ShockLine软体,为被动元件量测提供最具成本效益的解决方案。


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