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）