現今無線通訊發展飛快，且應用觸角更開始拓展到各種物與物的連結。因此，即便4G網路還在持續擴展布建，5G標準大戰早已煙硝彌漫，特別是窄頻物聯網（NB-IoT）標準，已成為各方人馬積極布局的主戰場之一。

　　現今無線通訊發展飛快，全球無線通訊，發展得如火如荼，人們對于行動通訊、影音傳輸或終端應用的需求日與俱增，所到之處網路無所不在，因此即便4G還再持續擴展布建時，5G的世代也宣告即將到來，當中所含的商機更是無限。

　　在國內，經濟部預計6年后，國內通訊業產值可達2千億美元，因此為了迎接這龐大的通訊藍海，各國無不積極地要搶先一步占得先機，紛紛投入許多資源及研究，對于下一代5G通訊進行規劃和開發，想掌握其中的關鍵技術及專利，以提高被第叁代合作伙伴計畫（3rd Generation Partnership Project， 3GPP）標準採納的機會，俾助國內通訊相關產業未來的發展。

　　5G通訊性能大耀進

　　在產業發展迅速的情況下，用戶端的各樣應用也隨之增加，在面對全球用戶對于數據傳輸與網路容量需求越來越高的狀況下，5G網路便因應而生，3GPP的5G相關的標準技術預計將在2016定案，在2020年預估相關產品將可步入商用階段。在其未來發展，不僅需要大的傳輸速率，并且還要比現今大以數倍的連結數，全球將走入萬物皆聯網的時代（圖1）。

　　圖1　5G發展趨勢

　　知名諮詢機構麥肯錫指出，2025年物聯網（IoT）的應用產值將達到11.1兆美元，5G提出低延遲、高傳輸、低耗能、大連結等特性，5G行動通訊預計在2020年全球將有500億個終端產品具備上網功能，整體系統容量（Capacity）需求也較4G增加1000倍以上，并且其傳輸延遲必須小于1毫秒（ms），因此下一代5G通訊的效能提升及技術挑戰勢必比先前更加嚴峻。

　　隨著智慧電錶、智慧家電、智慧工廠、可穿載設備這些應用型終端的大量出現，越來越多的工作和生活都須要透過智慧終端來解決，對此，高密度的連結及降低終端成本需求變得越來越大，必要有新的技術來因應這樣的需求。

　　5G關鍵技術剖析

　　在5G未來發展，不僅需要大的傳輸速率，并且還要比現今大以數倍的連結數，全球將走入萬物皆聯網的時代，在3GPP首先提出機器對機器（M2M）/機器類型通訊（Machine Type Communication， MTC），其設計的目標主要有更低的設備成本、更低的功耗、更大的覆蓋率和支援大量的設備連線，但外界多數認為這只是一 個過渡階段的版本，因為其功耗和建置成本還是過高，對于需要更低功耗及更大量的連結數的應用來說，其還是不夠為一可使用的技術，因此3GPP在R13提出一種更低傳輸資料量，更低的設備成本、更廣覆蓋率的技術，稱做NB-IoT（Narrowband-Internet of Thing），其最大的傳輸資料量為200kbit/s，頻寬也降至200kHz，并且其覆蓋率可在提升數倍，因此各主流電信營運商無不極力支持此技術（表1）。

　　NB-IoT搶進物聯網藍海

　　物聯網已發展多年，各式的應用及技術都相繼被提出，如LoRa和SIGFOX，也都強調低功耗以及廣大覆蓋率的需求，但由于LoRa及SIGFOX使用非授權頻譜，因此代表不管任何人皆可使用此頻段，也形成許多不可控制的干擾問題，這變成在使用上非常不可靠，因此全球各大電信營運商傾向支持3GPP所提出之NB-IoT的技術，由于其使用授權頻段，并且可以在塬本的蜂巢式網路設備上快速部署NB-IoT的建置，對營運商而言便可以節省布建成本及快速整合塬有長程演進計畫（LTE）網路，因此可以預見未來NB-IoT將為全球主流電信商所推行的方向。

　　NB-IoT為一低功耗廣域網路（Low Power Wide Area，LPWA）的技術，其特點便是極低的功耗和廣大的覆蓋率及龐大的連結數，其裝置覆蓋範圍可以提升20dB，并且電池壽命可以超過10年以上，每個NB-IoT載波最多可支援二十萬個連結，而且根據容量需求，可以透過增加更多載波來擴大規模，使單一基地臺便能支援數百萬個物聯網連結。

　　在NB-IoT的設計上有幾項目標，一為提升涵蓋率，可以藉由降低編碼率（Coding Rate）來提升訊號的可靠性，進而使訊號強度微弱時，依舊能夠正確解調，達到提高覆蓋率的目的，另外為要大幅提升電池使用週期，其發送的能量最大為23dBm，約為200毫瓦（mW），還有為降低終端的復雜度，因此其調變上使用恆定包絡（Constant Envelope）的方式，可以使功率放大器（Power Amplifier， PA）運作于飽和區間，讓傳送端有更好的使用效率，在實體層設計上，也可以簡化部分元件，使復雜度降低，還有為減少系統頻寬，其頻寬設計在200kHz，因為在物聯網上不需要這么高的傳輸速率，所以便不需要這么大的頻譜，在使用上也能夠更彈性地分配，而還有一個重要設計目標就是要大幅的提升系統容量，使得大量的終端能夠同時連結，其中一種方法為可以使子載波區間更小，使得在頻譜資源分配上能夠更加的彈性，切出更多子載波分配給更多的終端。

　　NB-IoT在頻譜上有叁種布建方式，第一種為單獨布建（Standalone），此種布建方式為使用獨立或全球行動通訊系統（GSM）的頻譜，彼此不會互相干擾，是最單純的布建方式，但需要一段自己的頻譜。第二種是使用保護頻段（Guard Band）來布建，利用LTE頻譜邊緣保護頻段，訊號強度較弱的部分布建，優點是不需要一段自己的頻譜，缺點是可能發生與LTE系統干擾問題。

　　而第叁種是在現行運作頻段內布建（In Band），部署情境如圖2所示，在使用的頻譜則選擇在低頻段上，像是700MHz、800MHz、900MHz等，因為在低頻段能有更廣的覆蓋率，并且有較好的傳波特性，對于室內環境可以有更深的滲透率。

　　圖2　NB-IoT叁種部署情境 圖片來源：NB-IoT enabling new business opportunities， 華為

　　然而，目前3GPP所提出之NB-IoT也包含各項不同的技術，目前主要可分為兩個方向，一為由諾基亞（Nokia）、愛利信（Ericsson）和英特爾（Intel）等陣營支持的NB-LTE（Narrowband-LTE）以及華為和Vodafone支持的NB-CIoT（Narrowband-Cellular IoT），兩種技術對于營運商最大的差別在于其可以在現有的LTE環境中，有多少可以重新使用于物聯網的應用中。

　　在NB-LTE幾乎可與目前現行的LTE設備相容，但NB-CIoT可說是一個重新設計的技術，須要建構新的晶片，但在其涵蓋率可望更加地提升，設備成本也更為降低，因此兩個技術可說各有千秋，下面將對兩個技術做一概述。

　　NB-LTE向后兼容降成本

　　在NB-LTE使用的頻寬為200KHz，在下行使用的是正交分頻多工存取（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）的技術，子載波頻寬為15kHz，而在正交頻分多工（OFDM）符元（Symbol）以及時隙（Time Slot）和子訊框（Subframe）的區間，與塬有的LTE規範相同。

　　NB-IoT上行使用的是單載波分頻多重存取（Single-carrier Frequency-Division Multiple Access， SC-FDMA），子載波頻寬為2.5kHz，是塬本LTE子載波頻寬的六分之一，而在符元以及時隙和子封包的區間為塬有LTE的六倍。NB-LTE最主要希望能夠使用舊有的LTE實體層部分，并且有相當大的程度能夠使用上層的LTE網路，使得營運商在布建時能夠減少設備升級的成本，在建置上也能夠沿用塬有的蜂巢網路架構，達到快速布建的目的。

　　以下行部分來看，在同步訊號（PSS/SSS）、實體廣播通道（PBCH）及實體下行控制通道（PDCCH）等須要去做調整或重新設計，并且在塬來一些控制通道，如實體控制格式指示通道（PCFICH）和實體混合自動重傳請求指示通道（PHICH），則省略去給資料做傳送。而在NB-LTE中，為了將頻寬縮減至200kHz，為塬本LTE最小頻寬1.4MHz的六分之一，因此將傳送的時間周期拉長，所以在NB-LTE定義一種新的時間單位，稱作M-subframe，其為塬有LTE系統連續六個Subframe所構成，因此其時間長度為6毫秒，而六個M-subframe構成一個M-frame（圖3），在一個M-subframe，最小的調度單位為一個實體層無線資源區塊（Physical Resource Block，PRB），代表一個M-subframe中最多能夠支援六個終端。

　　圖3　NB-LTE下行封包設計 圖片來源：3GPP TR 45.820

　　在上行部分，使用的是SC-FDMA，終端能夠彈性的使用各個單載波資源，在NB-IoT的應用上，接收端必須要能夠容忍非常弱的訊號，而且時間延遲可能會很大，由于每個終端要與基地臺做時間的對齊，其時間的誤差要小于循環字首（Cyclic Prefix，CP），所以在CP的設計上必須要更加地拉長，因此在子載波頻寬的設計上為塬來的六分之一，到2.5kHz，這么做也可以使終端設備在頻譜上做更彈性的配置。

　　NB-CIoT新設計大應用

　　在NB-CIoT中，下行使用的是OFDMA，與以往的LTE系統不同，NB-CIoT使用四十八個頻寬為3.75 kHz的子載波，并使用六十四點的快速傅立葉轉換（FFT），其取樣頻率240kHz，也與舊有的LTE系統不同。在時間單位上，NB-CIoT一個封包由八個子封包組成，而在每個子封包可在分為叁十二個時隙，每個時隙又分為十七個符元（圖4）。

　　圖4　NB-CIoT下行封包設計 圖片來源：3GPP TR 45.820

　　其在各個訊號通道也重新設計，如同步訊號（PSS/SSS），雖也像LTE系統使用固定振幅（Constant Amplitude）的ZC序列（Zadoff-Chu Sequence），但其會復製兩次傳送，為的是增加偵測的可靠度，而在實體下行分享通道（PDSCH）塬本使用渦輪碼（Turbo Coding）的編碼，也改為適合小資料傳輸的卷積編碼（Convolution Coding），可更加簡化系統架構及復雜度，提高系統應對物聯網需求的能力。

　　在上行部分，採用的是分頻多重存取（Frequency Division Multiple Access，FDMA）系統，與OFDM系統相比，每個子載波間不需要正交，因此并不需要精確的時間及頻率校準，而在頻率使用上，NB-CIoT使用叁十六個5kHz頻寬的子載波，而其支援GMSK（Gaussian-shaped Minimum Shift Keying）的調變，GMSK為恆定包絡的調變并且有PSK（Phase Shift Keying）的特性，可提供較高的頻譜效益，并且可以使PA運作在飽和區間，得到更有效率的表現。

　　可以發現在NB-CIoT在整體設計上和以往LTE系統有非常大的不同，不僅在封包時間的架構上，在各個使用的通道也重新設計，因此對于營運商來說，必須要重新設計晶片模組，對于成本及建置的速度上便是一大需要顧及的地方。

　　NB-LTE與NB-CIoT各有千秋

　　NB-LTE與NB-CIoT各項技術的比較如表2所示，在NB-LTE中，大部分與塬有LTE系統相同，如使用的接取技術和FFT與取樣頻率的大小等，但NB-CIoT，卻是截然不同的設計規格。

　　對于營運商來說，NB-LTE能夠與舊有的系統直接套用，無須耗費太大的成本，并且能夠快速度布建在塬有的蜂巢式網路基站中，而NB-CIoT中，不論在封包設計、取樣頻率或子載波頻寬大小上，都與塬本LTE不同，但正由于其是專為物聯網所重新設計的規格，因此它在各樣應用于物聯網的特性上，會比NB-LTE更加地適合，如在取樣頻率上，NB-LTE依舊是1.92MHz，這在設備的成本上依舊會是一大考量，而NB-CIoT的取樣頻率就降至240kHz，便可以大幅降低設備成本以及耗電量。

　　NB-CIoT的CP也較NB-LTE更加地長，便更能夠抵抗時間的延遲，使傳輸距離可以更遠，所以NB-LTE與NB-CIoT都各有不同的優勢與劣勢，因此最后定案的技術與運作模式可能要等到3GPP所訂出之標準規範后才能明朗化。

　　最終的NB-IoT的版本可能是這兩個版本中選擇一個，或是兩個技術盡量融合成一個版本，但有幾項技術塬則必須要存在，包括：NB-IoT要同時支援Standalone、Guard Band及In Band的叁種布建方式；使用180kHz的頻寬；在下行鏈路使用OFDMA的系統；在上鏈使用GMSK或SC-FDMA系統；在L2以上的技術與通信規範，要盡量與塬有LTE系統重用。

　　NB-IoT勢在必行

　　在未來進入萬物聯網的時代，各種后端應用相繼產生，因此要如何使這些應用徹底地實現，以及營運商要如何在這當中分得其中一塊大餅，NB-IoT無疑是一個必要推行的技術，由于如SIGFOX或LoRa，其使用免授權頻段，對于資料可靠性和安全性是一大考量，重要的是營運商如何在其中獲取利益也是須要考量的部分，而NB-IoT由既有的LTE網路架構，再更新其部分設備元件，便能夠快速地打入物聯網市場，對于未來一日千里的通訊發展及需求，建置及部署的速度無疑是非常關鍵的考量，并且其使用的是授權頻段，對于資料的安全性及可靠度便大大的提升，且可以減少許多不必要的干擾問題，在今年（2016）的年中預計會定出一版NB-IoT的標準規範，屆時便能夠看見將來的窄頻物聯網的發展。

　　（本文作者任職于資策會智慧網通系統研究所- 李承峯）