通訊系統的類比和數位元件相當復雜，因此精確建模便成為了解系統特性的重要關鍵。以近來備受關注的NB-IoT為例須在多域模擬環境下，對系統進行建模與評估。同時利用建模實例，搭配新型模擬方法，可深入研究射頻收發器、先進數據機科技及非理想硬體設備。

在厘清對新標準的需求后，會由一群專家組成技術委員會，討論與協商初步提案。完成草案后，便交給更多會員群組審查，尋求意見和最終審核。提案所有元素都會協商包括范圍、主要定義和內容。

善用模擬技術加速研發

現在有越來越多人將模擬軟體應用于新技術的研究，以加快制定標準，并減少硬體部署成本。窄頻物聯網標準，是專為物聯網而設計的新型蜂巢式窄頻技術，源于2014年的3GPP研究專案。第一個版本在2016年6月公布，并成為全球3GPP標準第13版內容一部分。此標準的主要目標為：改善室內覆蓋范圍、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、超低的設備成本、建立于LTE無線介面和網路上的最佳化網路架構。

NB-IoT規格預計將支援新式5G NB-IoT標準群播和定位，以持續演進并超越第13版。

圖1 NB-IoT UL發射信號搭配15kHz副載波間隔范例，NPUSCH格式；1，12副載波與頻譜遮罩。

PHY規格概說

3GPP TS 36.211第13版，V13.2.0(2016-06)為NB-IoT提供了實體通道和調變規范。新的裝置類別Cat-NB1可支援數十kbps的速度與200kHz通道頻寬。在此版本之前，eMTC(加強型機器類型通訊)資料速率支援高達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3.75kHz的額外選擇，可為較具挑戰性的位置提供更大的覆蓋范圍。我們可用二進位鍵控相移(BPSK)和正交鍵控相移(QPSK)，再分別搭配π/2和4π的相位旋轉，進行資料副載波調變。資源單位的副載波數量選擇可以是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塊具有12個副載波與15kHz間隔，可提供180kHz傳輸頻寬。為簡化裝置下行鏈路傳輸解碼，我們選擇舍棄渦輪碼，改用去尾回旋編碼機制。

NB-loT UL頻譜

窄頻下行鏈路實體資源區塊具有12個副載波與15kHz間隔，可提供180kHz傳輸頻寬。只支援一種QPSK調變機制。為了簡化裝置下行鏈路傳輸解碼，我們選擇舍棄渦輪碼(Turbo Codes)，而改用去尾回旋編碼機制(Tail Biting Convolutional Coding Scheme)。

無線電傳輸和接收

為了能夠有效運用頻譜資源，NB-IoT的設計包含三種不同運作模式：獨立、頻段內和保護頻段。獨立模式主要是將GSM載波替換成NB-IoT載波，頻段內運作是在一般LTE載波內利用資源區塊。而保護頻段運作模式則采用LTE載波的保護頻段。

對LTE服務供應商來說，頻段內選項可提供最有效的NB-IoT部署。舉例來說，因為NB-IoT可完全整合在現有LTE基礎設施內，所以如果沒有IoT訊務，便可能使用適合NB-IoT載波的實體資源區塊(PRB)，而不做其他目的使用。如此即可讓基地臺調度器能在同一頻譜中對LTE和NB-IoT訊務進行多工。

對深入參與3GPP標準化的企業來說，模擬不同操作情境下的NB-IoT和LTE共存是很常見的。圖2和圖3所示范例是在LTE系統為受干擾物，而NB-IoT為干擾源的情境下，頻段內和保護頻段運作模式的結果。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行傳輸，因此僅針對上行鏈路的情況進行共存評估。我們使用是德科技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境。

圖2 LTE(10mhz)受干擾物與NB-IoT裝置干擾源的頻段內運作模式上行鏈路共存分析。刻意將兩個頻譜軌跡(圖左)在同一張圖中分離和重疊。共傳送1000 LTE子訊框至傳輸速率分析。

圖3 LTE(10MHz)受干擾物與NB-IoT裝置干擾源的保護頻段運作上行鏈路共存分析。刻意將兩個頻譜軌跡(圖左)在同一張圖中分離和重疊。總共傳送了1000 LTE子訊框的傳輸速率分析(圖右)。

各企業的模擬結果可能會因為建模方法有所不同。可能會因發生功率泄漏、調變和過濾而產生差異。但上述3GPP TR 36.802 V13.0.0模擬范例的基本結論是NB-IoT可與LTE共存。

我們觀察到以下幾個重點：首先傳輸速率下降少于5%；再者，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范圍內；最后，保護頻段中的共存較頻段內運作模式略佳。

硬體設計考量

NB-IoT規格包括一系列設計目標：覆蓋范圍更大、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，我們得以在接收器鏈中采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，搭配為數較少的振蕩器來產生頻率，以取代常用LTE類型裝置的雙工濾波器。另外舍棄渦輪碼而采用簡單的下行鏈路回旋通道編碼，也有利簡化基頻解碼過程。

整個開發過程中投注了許多心血，才能實現所需的低成本、 低電源消耗設計目標。目前主要的架構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位基頻信號處理整合在單一晶片上。然而，每種架構都有一些結構性問題必須解決。LO泄漏和自混合造成的直流偏移會使零中頻接收機的所需信號降級。而對低中頻接收機來說，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泄漏。為了能夠更清楚的了解各種架構的缺點，可透過我們的模擬軟體，以系統模型來對架構進行審視。

在圖4所示的一般低中頻接收器架構中，天線中的輸入射頻信號會由頻段選擇濾波器過濾，并由低雜訊放大器進行放大。正交解調器會將射頻信號降頻成復合低中頻信號，并以相位與正交信號代表。中頻信號會通過低通濾波器(LPF)，然后由ADC進行采樣。ADC取樣并轉換后，數位化中頻信號便會降頻為基頻，產生數位復合信號。

圖4 低中頻接收器架構

只要使用適當的低中頻，這種架構即可避免零中頻接收器常見的直流偏移和1/f雜訊問題。但如此一來也再次產生了影像問題。在LNA(圖4)后雖可達到影像取消，但是需要進行窄頻濾波，因此使復雜性和設備成本顯著增加。這樣的影像問題可透過精密的混頻技術，再搭配低中頻接收器的濾波技術來處理。

圖5是一個低中頻架構建模的好例子，并包括非理想硬體條件的各種影響。所要信號與干擾信號皆以復合波封資料格式產生并結合，如圖左側所示。中間部分是正交解調變區塊，對I/Q失配情況進行建模。解調變信號分成上下兩種路徑，而低通則經過濾波并轉換為數位信號。圖的右邊可看到數位信號的I/Q不平衡補償處理，及補償前后進行差錯向量幅度(EVM)計算與比較。這種類型的電子系統級設計(ESL)和模擬，在執行裝置電路級設計前對IC設計工程師極為重要。此模擬環境可提供以下支援：

圖5 低中頻接收器I/Q不平衡補償模擬配置

·類比和數位信號處理。

·結合時間和頻率域特性。

·動態模擬與自調適參數更新。

·硬體缺陷建模，例如：非線性(PA)、群組延遲(濾波器)、相位雜訊(振蕩器)、頻率偏移、I/Q失配(調變器/解調器)、抖動以及主動元件的量子化效應。

在此案例研究中，我們采用是德科技的SystemVue通訊實體層模擬軟體。

射頻系統晶片方法

為了滿足NB-IoT應用極富挑戰性的預算需求，應開發低成本的單晶片產品以讓此服務得以成功部署。功率放大器和天線開關的整合可降低前端射頻元件數量，使路由得以簡化。也縮小了印刷電路板(PCB)對區域的需求。單音頻傳輸技術的應用則使具備峰值對均值功率比(PAPR)的PA成為可能。含有節能晶片PA的功率系統級射頻晶片可能會在其飽和區附近運作，以得到最大輸出功率，而前述應用則對此晶片的部署有所幫助。

有鑒于整合式晶片PA與外部PA各有優缺點，因此我們采用射頻與基頻跨域模擬技術，對非線性PA的EVM在NB-IoT上行鏈路所造成的影響進行分析。我們來考慮一下圖6中的模擬建置。SystemVue LTE-A資料庫支援單音頻與多音頻傳輸，我們使用此資料庫來產生基頻信號。基頻信號由兩個數位濾波器進行過濾，然后送至調變器以產生中心為載波頻率的頻譜。而后使用放大器特性模型來放大信號。可透過1dB壓縮點或P1dB來設定PA的線性度。PA將信號放大后會由接收器進行解調變，以判斷誤差向量振福(EVM)。我們對PA的EVM與P1dB進行模擬，評估PA對傳輸信號品質的非線性影響。

圖6 NB-IoT上行鏈路模擬設定

單音頻傳輸的EVM值都很小(副載波間隔為3.75kHz時低于0.08%，間隔為15kHz時則小于0.9%)。因此我們可以得到結論，針對單音頻副載波間隔，PA的非線性度對EVN所造成的影響非常小。

根據模擬結果，音頻數量為3、6和12的信號，PAPR分別為4.8dB、5.7dB和5.6dB。圖8顯示當PA的P1dB降低時，EVM會顯著增加。因此我們可以得到結論，針對多音頻傳輸，PA的非線性度對EVM有不利影響。

圖7 以3.75 kHz(圖左)和15 kHz(圖右)副載波進行單音頻傳輸之回退PA的EVM與P1dB。我們采用200 kHz頻寬的數位濾波器。PA的輸入功率為20dBm，并故意將增益設為0以進行模擬。

圖8 以15kHz副載波進行多音頻傳輸之回退PA的EVM與P1dB。數位濾波器已經旁路。PA的輸入功率為20dBm，并故意將增益設為0dB以進行模擬。

我們從這個模擬中學到在單音頻傳輸的情況中，可將晶片內部分降低PAPR的電路移除，以大幅降低晶片設計復雜度。若考慮NB-IoT應用的主要層面，在超低功率與低成本的應用中，將只支援單音頻傳輸的裝置與晶片非線性PA加以整合會有很大的幫助。

硬體驗證挑戰與測試方案

NB-IoT在開發過程，將此技術實現不可或缺的，就是測試解決方案幫忙把關。這包含整個供應鏈，例如NB-IoT網路基礎設施提供商、NB-IoT晶片開發、廣大物聯網器件設計和生產廠商、以及運營商和認證實驗室。

對于NB-IoT網路基地臺廠家，彈性化與靈活的配置與升級，對驗證多種行動通訊規范非常重要，這樣便可以無論在開發階段、系統驗證或生產，都能一致性使用，降低設備投資成本。廣泛應用的X系列信號產生器和信號分析儀以及LTE嵌入式測量軟體，提供便捷的NB-IoT應用軟體升級，以完成基地臺射頻的NB-IoT驗證測試。

對于NB-IoT終端晶片和模組廠家，和手機類產品測試不同，NB-IoT帶來了一些特殊挑戰，包括功耗測試要求更高、與現有LTE設備實現交互操作、提高覆蓋及穩定性以及進一步降低大量產線的成本。這時需NB-IoT連線測試方案，如E7515A，幫助NB-IoT工程師在實驗室中輕松重建真實場景，執行準確和可重復性的測量，所幸這類儀器可透過原LTE的測試設備升級完成，大大降低投資成本。

由于NB-IoT大量不同的設置需要進行測試，測試復雜性顯著增加，在這種情況下，可借助自動化平臺，例如Keysight TAP自動化測試軟體平臺所提供的測試流程序列及分析功能，為工程師提供數百個自動測試案例，從而極大縮短的用戶的測試時間。

除此，還需考量相符性測試，需要即時提供認證是很重要的。除了利用既有系統升級外，還需考量是否使用很快能通過系統認證的相符性系統測試。Keysight T4010S優先透過既有的相符性系統，直接升級按照3GPP NB-IoT測試規范，該相符性測試系統與Keysight LTE射頻和RRM案例環境一樣，可以通過升級包輕松實現NB-IoT認證能力。在窄帶物聯網射頻驗證測試方面，是業界第一獲得全球認證論壇(GCF)認證的測試平臺(TP 195)。

圖9 利用完整的測試解決方案，在不同階段提供NB-IoT產業鏈所需驗證方案。

NB-IoT的電流分析是物聯網低功耗測試的關鍵，各種待機或連接狀態下的電源功耗的分析可借由元件電流波形分析儀或電源分析儀有效分析。

同時，需考慮了低成本的產線測試方案，保證NB-IoT產品更快推向市場。升級Keysight E6640A非信令無線測試儀，可提供NB-IoT產線測試。

第一個NB-IoT規格在3GPP第13版中完成。其目的是提供一種低成本設備，增加覆蓋區域，并提供更長的電池壽命與持續可達性。盡管NB-IoT應用已降低對性能的要求，并采用相同的LTE基礎設施，但開發這些新產品仍是一項艱難的任務，需要有精確的設計目標。開發低成本設備應將所選系統規格的各種接收器拓撲結構、元件整合方法和性能評估都納入考量。在矽前處理期間，工程師應在虛擬環境中以精密的模擬工具進行設備測試，并執行矽后驗證。是德科技提供從預研模擬、設計開發到相符性驗證以及大量生產的整個NB-IoT的產品生命周期的測量解決方案。