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    NB-IoT設(shè)計的不簡單任務(wù)
    實現(xiàn)低成本與低電源消耗
    [作者 王岫晨]   2019年07月17日 星期三 瀏覽人次: [11971]

    在IoT應(yīng)用的大架構(gòu)之下,連網(wǎng)需求有增無減,並且針對不同屬性的連網(wǎng)需求,也必須對應(yīng)不同的連網(wǎng)技術(shù)來提供最佳化的連線效率。通常來說,新標(biāo)準(zhǔn)的制定在釐清對於新標(biāo)準(zhǔn)的需求之後,會由一群專家組成技術(shù)委員會,討論與協(xié)商初步提案。完成草案制定後,便會交給更多會員群組審查,以尋求意見和最終審核。



    圖一 : 為了能夠有效運(yùn)用頻譜資源,NB-IoT的設(shè)計包含三種不同運(yùn)作模式:獨立、頻段內(nèi)和保護(hù)頻段。
    圖一 : 為了能夠有效運(yùn)用頻譜資源,NB-IoT的設(shè)計包含三種不同運(yùn)作模式:獨立、頻段內(nèi)和保護(hù)頻段。

    提案的所有元素都會經(jīng)過協(xié)商,包括範(fàn)圍、主要定義和內(nèi)容。現(xiàn)在有越來越多人將模擬軟體應(yīng)用於新技術(shù)的研究,以加快制定標(biāo)準(zhǔn),並減少硬體部署成本。NB-IoT就是在這樣的氛圍之下被制定而出的連網(wǎng)技術(shù)。


    NB-IoT即為窄頻物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),是專為物聯(lián)網(wǎng)而設(shè)計的新型蜂巢式窄頻技術(shù),源自於2014年的3GPP研究專案。第一個版本在2016年6月公布,並成為全球3GPP標(biāo)準(zhǔn)第13版內(nèi)容的一部分。


    此標(biāo)準(zhǔn)的主要目標(biāo)大致如下:


    ●改善室內(nèi)覆蓋範(fàn)圍;


    ●增加對大量低傳輸速率裝置的支援;


    ●低延遲靈敏度;


    ●低裝置耗電量;


    ●超低的設(shè)備成本;


    ●建立於LTE無線介面和網(wǎng)路上的最佳化網(wǎng)路架構(gòu)NB-IoT規(guī)格預(yù)計將支援新式5G NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)群播和定位,以持續(xù)演進(jìn)並超越第13版。


    PHY規(guī)格

    3GPP TS 36.211第13版,V13.2.0(2016-06)為NB-IoT提供了實體通道和調(diào)變規(guī)範(fàn)。新的裝置類別Cat-NB1可支援?dāng)?shù)十kbps的速度與200kHz通道頻寬。


    在此版本之前,eMTC(加強(qiáng)型機(jī)器類型通訊)資料速率支援高達(dá)1Mbps的可變速率,類型M1(Cat-M1)具1.4MHz的頻寬。窄頻實體鏈路共用通道提供兩種副載波間隔選擇,亦即15kHz與3.75kHz。


    其中3.75 kHz的額外選擇,可為較具挑戰(zhàn)性的位置提供更大的覆蓋範(fàn)圍,例如在建築物內(nèi)部深處信號強(qiáng)度受限的位置。工程設(shè)計人員也可用二進(jìn)位鍵控相移(BPSK)和正交鍵控相移(QPSK),再分別搭配π/2和π/4的相位旋轉(zhuǎn),進(jìn)行資料副載波調(diào)變。資源單位的副載波數(shù)量選擇可以是1、3、6或12,以支援單音頻與多音頻傳輸。


    窄頻下行鏈路實體資源區(qū)塊具有12個副載波與15kHz間隔,可提供180kHz傳輸頻寬。只支援一種QPSK調(diào)變機(jī)制。為了簡化裝置下行鏈路傳輸解碼,選擇捨棄渦輪碼(turbo codes),而改用去尾迴旋編碼機(jī)制(tail biting convolutional coding scheme)。


    無線電傳輸和接收

    為了能夠有效運(yùn)用頻譜資源,NB-IoT的設(shè)計包含三種不同運(yùn)作模式:獨立、頻段內(nèi)和保護(hù)頻段。獨立模式主要是將GSM載波替換成NB-IoT載波,頻段內(nèi)運(yùn)作是在一般LTE載波內(nèi)利用資源區(qū)塊。而保護(hù)頻段運(yùn)作模式則採用LTE載波的保護(hù)頻段。對LTE服務(wù)供應(yīng)商來說,頻段內(nèi)選項可提供最有效的NB-IoT部署。


    舉例來說,因為NB-IoT全整合在現(xiàn)有LTE基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi),所以如果沒有IoT訊務(wù),便可能使用適合NB-IoT載波的實體資源區(qū)塊(PRB),而不做其他目的使用。如此即可讓基地臺調(diào)度器能在同一頻譜中對LTE和NB-IoT訊務(wù)進(jìn)行多工。


    對深入?yún)⑴c3GPP標(biāo)準(zhǔn)化的企業(yè)來說,模擬不同操作情境下的NB-IoT和LTE共存是很常見的。例如在LTE系統(tǒng)為受干擾物,而NB-IoT為干擾源的情境下,頻段內(nèi)和保護(hù)頻段運(yùn)作模式的結(jié)果。考慮到NB-IoT下行鏈路副載波與LTE PRB正交,且兩者皆從同一基地臺進(jìn)行傳輸,因此僅針對上行鏈路的情況進(jìn)行共存評估。在這個範(fàn)例中,使用了是德科技SystemVue通訊實體層模擬軟體與其LTE-A參考資料庫來建立模擬環(huán)境。


    各企業(yè)的模擬結(jié)果可能會因為建模方法有所不同。可能會因發(fā)生功率洩漏、調(diào)變和過濾而產(chǎn)生差異。但上述3GPP TR 36.802 V13.0.0模擬範(fàn)例的基本結(jié)論是NB-IoT可與LTE共存。從中觀察到以下幾個重點:


    ●傳輸速率下降少於5%;


    ●NB-IoT在第一個相鄰LTE PRB造成一些干擾,但對其他PRB的干擾則微不足道或在可接受範(fàn)圍內(nèi);


    ●保護(hù)頻段中的共存較頻段內(nèi)運(yùn)作模式略佳。


    設(shè)計層面硬體考量

    NB-IoT規(guī)格包括一系列設(shè)計目標(biāo):覆蓋範(fàn)圍更大、裝置電池壽命更長,以及因資料傳輸較小且分散而使裝置成本更低。因峰值資料速率要求減少,因此得以在接收器鏈中採用簡單的無線電與基頻流程。


    透過NB-IoT半雙工操作,便可以一個簡單的開關(guān),搭配為數(shù)較少的振盪器來產(chǎn)生頻率,以取代常用LTE類型裝置的雙工濾波器。另外捨棄渦輪碼而採用簡單的下行鏈路迴旋通道編碼,也有利簡化基頻解碼過程。整個開發(fā)過程中投注了許多心血,才能實現(xiàn)所需的低成本、低電源消耗設(shè)計目標(biāo)。


    目前主要的架構(gòu)競爭對象是零中頻和低中頻接收器,此類接收器將類比前端與數(shù)位基頻信號處理整合在單一晶片上。然而,每種架構(gòu)都有一些結(jié)構(gòu)性問題必須解決。LO洩漏和自混合造成的直流偏移會使零中頻接收機(jī)的所需信號降級。而對低中頻接收機(jī)來說,不理想的硬體則會造成I和Q信號路徑間的振幅與相位不符。因此會造成所需的信號降級及干擾信號洩漏。為了能夠更清楚的瞭解各種架構(gòu)的缺點,可透過模擬軟體,以系統(tǒng)模型來對架構(gòu)進(jìn)行審視。


    結(jié)語

    第一個NB-IoT規(guī)格在3GPP第13版中完成。其目的是提供一種低成本設(shè)備,增加覆蓋區(qū)域,並提供更長的電池壽命與持續(xù)可達(dá)性。儘管NB-IoT應(yīng)用已降低對性能的要求,並採用相同的LTE基礎(chǔ)設(shè)施,但開發(fā)這些新產(chǎn)品仍是一項艱難的任務(wù),需要有精確的設(shè)計目標(biāo)。


    開發(fā)低成本設(shè)備應(yīng)將所選系統(tǒng)規(guī)格的各種接收器拓樸結(jié)構(gòu)、元件整合方法和性能評估都納入考量。在矽前處理期間,工程師應(yīng)在虛擬環(huán)境中以精密的模擬工具進(jìn)行設(shè)備測試,並執(zhí)行矽後驗證。


    解決方案

    是德科技E6640A EXM無線測試儀


    圖二 : 是德科技E6640A EXM無線測試儀
    圖二 : 是德科技E6640A EXM無線測試儀圖片來源:keysight.com

    臺灣是德科技:「我們讓工程師擁有快速、精準(zhǔn)的測試能力!」


    客戶需要快速、準(zhǔn)確的硬體裝置並聯(lián)測試,以提高產(chǎn)量和良率。EXM模組化設(shè)計提供擴(kuò)充性,讓製造商能以最低成本擴(kuò)展測試系統(tǒng),因應(yīng)下一代裝置要求並可完全支援IoT測試。EXM提供擴(kuò)充性,為高度整合裝置提供160MHz頻寬、高達(dá)6GHz的頻率範(fàn)圍,並且涵蓋最廣泛的無線標(biāo)準(zhǔn),從蜂巢式LTE-A到11ac和MIMO無線連接標(biāo)準(zhǔn)。EXM的訊號品質(zhì)和量測準(zhǔn)確度,確保工程師能獲得更高的良率。EXM配備四核心處理器,更可大幅提高生產(chǎn)測試速率。


    羅德史瓦茲CMW500寬頻通訊測試儀


    圖三 : 羅德史瓦茲CMW500寬頻通訊測試儀
    圖三 : 羅德史瓦茲CMW500寬頻通訊測試儀圖片來源:rohde-schwarz.com

    臺灣羅德史瓦茲:「這是集所有功能於一身的無線通訊測試儀!」


    物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)路架構(gòu)中,通常伴隨著各種不同的無線通訊標(biāo)準(zhǔn)。R&S CMW500寬頻通訊測試儀,為全球唯一集合所有功能於一身的無線通訊測試儀,幫助企業(yè)以最少的經(jīng)費(fèi)達(dá)到最高的報酬保障。利用模組化的硬體擴(kuò)充,以及軟體更新的方式,提供極大化的擴(kuò)充彈性,滿足各種測試需求,適用於現(xiàn)今與未來的無線通訊產(chǎn)品設(shè)計。不論是從事晶片或是模組開發(fā)、製造、封裝與測試,或是系統(tǒng)整合應(yīng)用的任一個階段,這部儀器均能提供工程師所需的各種量測解決方案。


    國家儀器PXIe-5668R向量訊號分析器(VSA)


    圖四 : 國家儀器PXI平臺
    圖四 : 國家儀器PXI平臺圖片來源:ni.com

    國家儀器:「PXI平臺提供最佳的量測速度與效能!」


    國家儀器PXIe-5668R向量訊號分析器(VSA)提供765MHz的頻寬,以及同級最佳的量測效能與速度。這款高效能微波訊號分析器可滿足某些嚴(yán)苛的應(yīng)用需求,例如無線通訊、射頻積體電路(RFIC)特性測試、雷達(dá)測試、頻譜監(jiān)控與訊號情報等。PXIe-5668R結(jié)合了RF量測效能、量測速度和靈活彈性。這款儀器的動態(tài)範(fàn)圍與頻寬均領(lǐng)先業(yè)界,並可針對研發(fā)應(yīng)用嚴(yán)苛的量測需求提供理想的解決方案。PXIe-5668R屬於PXI儀器的一種,優(yōu)異的量測速度可滿足大量製造測試的需求。這款VSA還包含可透過LabVIEW設(shè)計程式的Xilinx Kintex-7 FPGA,只要新增觸發(fā)或訊號處理常式,就能客制化儀器行為,並提供許多豐富功能。


    安立知ShockLine高性能4埠向量網(wǎng)路分析儀


    圖五 : 安立知ShockLine高性能4埠向量網(wǎng)路分析儀
    圖五 : 安立知ShockLine高性能4埠向量網(wǎng)路分析儀圖片來源:anritsu.com

    安立知:「我們可有效降低測試成本並加快上市速度!」


    ShockLine MS46524B 4埠向量網(wǎng)路分析儀系列,具備高價值與高性能,可提供同類產(chǎn)品中最佳的動態(tài)範(fàn)圍,降低在多種測試應(yīng)用 (最高92GHz) 中的測試成本並可加快上市速度。這些測試應(yīng)用包括設(shè)計和製造多埠行動網(wǎng)路裝置、行動裝置、汽車電纜、高速資料互連與系統(tǒng)整合元件。MS46524B配置選項10、選項20及選項40,可具備射頻微波頻率功能;這些頻率選項搭配強(qiáng)大的ShockLine軟體,為被動元件量測提供最具成本效益的解決方案。


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