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5G已成移动通讯革命,物联网原来可以这么玩


作者:本站采编 来源:新电子 2016-07-08 09:34:12 填写您的邮件地址,订阅我们的精彩内容:

摘要:不同于过去3G和4G通讯技术改朝换代的重点,5G除要达到更佳的宽频速率、联网品质及能源效率等性能指标外,最大的特点是从需求、设计阶段即考量物联网(IoT)多元应用情境,以提供毋须布线、覆盖率高、再用性高的全新行动通讯技术。

关键词:移动通讯[12篇]  物联网[15220篇]  

  不同于过去3G和4G通讯技术改朝换代的重点,5G除要达到更佳的宽频速率、联网品质及能源效率等性能指标外,最大的特点是从需求、设计阶段即考量物联网(IoT)多元应用情境,以提供毋须布线、覆盖率高、再用性高的全新行动通讯技术。

  行动通讯技术在过去三十年里一路从类比行动演进到4G,每一代标准的传输吞吐量(Throughput)都有大幅提升,以满足个人行动服务的需求。不过,不同于过去的行动通讯技术改朝换代,5G行动通讯技术将在频谱效率(Spectrum Efficiency)、能源效率(Energy Efficiency)及成本效率(Cost Efficiency)提升100~1000倍的前提下,追求其他效能指标。此外,除了人对人(Human-to-Human, H2H)的应用情景,更增加了人对机器(Human-to-Machine, H2M),甚至是机器对机器(Machine-to-Machine, M2M)通讯的应用情景,如图1所示。


  图1 5G应用情景

  5G不是升级而是革命 各国积极介入标准制定

  因为新一代行动通讯系统需要面对各式各样应用情景的要求,增加网路系统设计的复杂度及挑战性。简单来说,5G不是4G的升级,而是行动通讯的革命。因此,从2012年起,美、中、日、韩各国皆陆续投入5G技术的研究与发展,冀望在5G的发展上占有举足轻重的角色。此外,欧洲有多家营运商、设备商,甚至跨足汽车、能源、农业、运输、智慧城市、公共安全等产业,跨国、跨产学业界、跨区域的国家层级专案研发计画,如行动暨无线通讯网路驱动计画(Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society, METIS)、新世代行动网路联盟(Next Generation Mobile Networks Alliance, NGMN Alliance)等,将为5G行动和无线通讯系统奠定理论与技术基础,在需求、特性和指标上达成共识,充分讨论概念、雏形、关键技术等议题。

  国际电信联盟(ITU)已在日前正式将5G系统命名为IMT-2020,并公布整体目标、流程与时间表(图2)。根据目前提出的时间表,将在2016年与2017年间订出5G的技术效能规格、标准评估办法与无线介面技术,正式规格要到2019年或2020年才会出炉,届时新的5G系统也将随之问世,将展现行动宽频的各种应用,诸如高画质的影片服务,高可靠且低延迟的各式应用及物联网应用。


  图2 5G行动网路标准时间表 资料来源:ITU

  纳入物联网应用需求 5G技术发展挑战高

  5G网路除了提供更佳的宽频速率、品质之外,最大的特色是从需求、设计阶段即考虑物联网(Internet of Things, IoT)的应用。为了适应不同的应用,具备毋需布线、覆盖率高、再用性高的行动通讯技术成了相当重要的承载媒介。

  然而,物与物之间的通讯仍有相当大的困难尚待解决,例如要如何降低大量M2M通讯对现有通讯网路的影响,同时也要避免M2M通讯增加网路营运维护的复杂度。因此,M2M的发展将未来5G中扮演极为重要的角色,使得具有资料撷取及通讯能力的各式装置透过网路互相连结,以进行各类控制、侦测、识别及服务,为人类提供更便利、舒适及安全的生活。

  MTC/M2M技术发展及标准化概况

  3GPP标准组织将M2M称之为机器型态通讯(Machine Type Communication, MTC),是一种新兴的通讯架构,以机器终端设备为主,具备网路通讯能力,可智慧互动地提供各式各样前所未见的应用与服务,例如:监控、控制、资料撷取等资讯化的需求。

  其实,早在2002年时,M2M业务的概念已经被提出,但碍于通讯技术尚未成熟,发展仍属于启蒙阶段,例如自来水、电力公司的自动抄表及数位家庭应用等。随着无线通讯技术的快速发展,M2M的应用服务进入快速发展的阶段,在农业、工业、公共安全、城市管理、医疗、大众运输及环境监控上,都可看到M2M的应用,例如:智慧节能、智慧车载、智慧医疗、智慧城市、智慧物流等,这些服务及应用的整合,非常仰赖M2M的技术开发。

  由于物联网产业快速起飞,更加需要M2M技术的统一标准化的整合;目前国际间有相当多的标准组织机构投入M2M标准化的研究工作,当中包含ITU-T、ETSI、IETF、IEEE、3GPP、OMA、Zigbee等联盟。依据每个标准组织的研究方向及重点,M2M国际标准组织可分为整体架构类、感知延伸类、网路延伸类及业务应用类,每个类别的具体内容如下:

  整体架构类

  针对M2M需求、点对点架构、标识解析、网路管理及安全等问题进行标准化研究,典型的标准组织有ITU-T SG13、ETSI TC SmartM2M、OneM2M、CCSA TC10等。

  感知延伸类

  针对部分低传输速率和近距离无线通讯技术进行标准化,相关技术包含近距离无线通讯技术、感测网路与电信网路融合及轻量型IPv6技术,典型的标准组织有IEEE802.15、IETF 6LoWPAN 、CCSA TC10、Zigbee联盟等。

  网路通讯类

  针对M2M承载网路等进行转换和最佳化工作,有关的技术包含无线连线网路增加、核心网路增强、环境感知、异质网路融合等,典型的标准组织有ITU-T、3GPP、CCSA TC5、IETF、ETSI等。

  业务应用类

  针对企业应用、公众应用、跨企业应用及应用中介软体平台进行标准化,其重点应用领域包含智慧交通、智慧家居、智慧电网、健康医疗等,典型的标准组织有IETF、CCSA TS10、ETSI、OGC等。

  MTC/M2M的挑战与解决方法

  机器型态通讯跟人类型态通讯特征上有极大的差异(表1)。其中最大的不同是机器型态通讯具有传输量少、巨量连结、突发性等特征,例如:开关讯号、智慧电网或水网的读表等,在这样的情况下,使用3GPP LTE-A的网路架构来传送机器型态装置的讯息,可能会造成系统过于壅塞或不符合成本效益等问题。


  因此,为了满足物联网时代各式各样的应用,LTE-A网路系统架构已针对M2M业务的需求进行系统最佳化,如考虑LTE-A网路接取机制所面临的困难与挑战:随着机器型态通讯装置的巨量增加,随机接取通道(Physical Random Access Channel, PRACH)的不足,造成资料传输拥塞、系统负载过于沉重,导致延迟过长及连线失败。

  如何设计随机接取机制来满足巨量装置连结,且不影响人类型态通讯的品质,M2M技术发展上的一个重大议题。

  LTE-A随机接取机制包含竞争式及非竞争式的接取过程,当中竞争式随机接取透过随机接取前置码(Preamble)、随机接取回覆、连线要求及竞争解决,四个步骤来完成RRC连线;因应机器型态通讯系统不同应用的需求,随机接取机制的改良可从接取成功机(Access Success Probability)、前置码碰撞比率(Preamble Collision Rate)、及接取延迟(Access Delay)等指标来做为设计目标,目前文献中针对随机接取机制改良的方法有:限制存取层级机制(Access Class Barring, ACB)、回避机制(Back-off)、分离RACH、RACH动态调整等方法,如表2所示。


  然而,现行LTE-A系统需要严格的同步处理以保有子载波间的正交性,当中牵扯许多基站与终端之间复杂的运算,不适用于MTC各式各样应用情景的需求,特别是Massive MTC及Mission-critical MTC,其要求如下:

  Massive MTC

  要求‘大量’的低成本、低耗能的终端连接上网路,这类型的业务通常具有传输量小、移动性小、使用性小、覆盖率高及容忍传输延迟等特性,例如:公共设施的监控与管理、环境监测、智慧城市等



  Mission-critical MTC

  要求高可靠度、高可用性及即时的网路通讯能力,这类型的业务通常需要极高可靠、极低延迟的特性,例如:无人车自动巡航、智慧工厂自动化控制、虚拟实境或增广实境的应用等

  新波型技术与新多重接取技术亦被广泛研究,期以满足5G技术指标,如基于滤波器组多载波技术(Filter Bank Multi-Carrier, FBMC)、通用滤波器多载波技术(Universal Filtered Multi-Carrier, UFMC)、广义分频多工技术(Generalized Frequency Division Multiplexing, GFDM)及滤波/适应性的正教分频多工技术(Filtered/Flexible OFDM, F-OFDM),说明如下:

  FBMC

  相较于OFDM技术,FBMC在每个子载波上使用单独的滤波器,消除子载波(Sub-carrier)间的干扰,即使彼此间没有正交性;另外,也不需要循环前置码(Cyclic Prefix, CP)来克服符元间干扰(Inter-symbol Interference, ISI),来达到更高的频谱效率;可透过Off-QAM调变及滤波器设计达到5G情景中高延迟到低延迟广泛性的应用,但硬体成本过高,特别是在MIMO传输及突发性讯号传输的情景中。

  UFMC

  相较于FBMC,UFMC是对一组连续的子载波滤波;另外,可提供不同子载波带宽(Bandwidth)及符元(Symbol)的选择,支援不同的服务需求。但面临大尺度多路径延迟(Large-scale Multipath Delay)的通道时,需要更高阶的滤波器设计,并增加收发机的复杂度;而且,缺少CP将产生ISI。

  GFDM

  GFDM兼具UFMC的灵活性,并提供更好的带外辐射(Out-of-band emission)抑制技术,减少讯号的峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)。

  F-OFDM

  相较于OFDM,F-OFDM提供灵活的参数配置,如CP、子载波宽度、符元长度及保护区间(Guard Band),提供更广泛的应用。

  在多重接取技术方面,目前值得关注的技术有非正交多址接取(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)及稀疏码多址接取技术(Sparse Code Multiple Access, SCMA)。搭配以使用者为主轴发起Grant-free的资源配置技术或新的媒体存取控制(Medium Access Control)通讯协定设定,让新的5G行动通讯系统更广泛地支援MTC的不同服务与应用。

  NB-IoT成MTC/M2M讨论热点

  窄频物联网(Narrow Band IoT, NB-IoT)通讯技术规格为近一两年新兴的概念,在2016年世界行动大会(Mobile World Congress, MWC)有许多智慧应用的展出;在标准规格上,2015年的3GPP会议中被提出讨论,并预计在2016年的3GPP会议将其纳入R13标准规格中;另外,多家国际大厂的联合下,如中国移动、华为、诺基亚(Nokia)、爱立信(Ericsson)、英特尔(Intel)、Vodafone、高通(Qualcomm)等积极投入与推动下,加速NB-IoT的发展。

  NB-IoT主要特色是低功耗,希望可维持十年之久;成本低廉,希望一个终端设备定价可在5美元以下;更宽广的覆盖范围,希望可传输距离可达20公里;大量布建,每平方公里的范围内可达到一百万个终端设备。

  虽然在3GPP R12的规范里已定义了LTE MTC终端Cat.0标准,但Cat.0的传输率、功耗与成本仍偏高,更重要的是其单一通道频宽仍达20MHz,与标准LTE相同。在R13上也有另一个LTE-M通讯规格的推行,主要是频宽降至1MHz及降低传输功率,此三种的MTC终端规格比较如下:

  当中每个规格各有它的适当应用,Cat.0主要用于穿戴式电子与能源管理,如健身类智慧手表、居家用电控制等;LTE-M则希望用于物品追踪,例如:水电瓦斯等公用事业抄表、连线型健康诊断监督、城市基础建设(即停车投币机记录、路灯管理)等;而NB-IoT则偏向产业应用,如环境监督、智慧建筑。

  NB-IoT另一个相关技术专有名词─低功耗广域网路(Low Power Wide Area Network, LPWAN),强调覆盖范围大且待机时间长特点,目前主流通讯技术有LoRa、Sigfox、EC-GSM/EC-EGPRS等,与NB-IoT的比较如下:

  LoRa及Sigfox的主要特色是能在未授权的ISM频段,以极低电力传送小量资料做智慧联网的应用;EC-GSM/EC-EGPRS则是使用原GSM频段,具体规范仍在制定中,但相较于LoRa及Sigfox阵营,物联网解决方案则相对成熟,预计2016年底送案,将率先带动智慧化城市的应用。NB-IoT因为使用申请频段,可减少其他服务所产生的干扰;另一个特征是频宽设定为200kHz,与GSM相同,有利原持有GSM的业者切入NB-IoT。

  NB-IoT问世代表营运商正式加入提供IoT服务,未来NB-IoT这类相对低廉的基础建设,让企业更愿意尝试IoT的应用,加速智慧化的发展。

  导入机器型态通讯 5G设计必须更灵活

  不同于人类型态通讯技术,机器型态通讯面临各式各样的应用情景,为了满足各种情景的需求,可以预期的是系统设计上将更加复杂且更具弹性化;目前没有统一化的方针或准则可满足5G应用的所有要求;因此,弹性化的设计方法,因应不同情景的要求,做出最佳的系统配置,为未来5G系统设计的方向。

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