機器類型通訊(MTC)是實現機器對機器(M2M)應用，達成萬物互連的關鍵技術，因此3GPP在今年將制定完成的第十三版LTE標準中，提出Cat.M與窄頻物聯網(NB-IoT)兩項新規格，期讓LTE達到更低功耗、成本和資料率，滿足大量機器間的通訊需求。

現 今無線通訊發展飛快，全球4G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，各國無不積極的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 3GPP(3rd Generation Partnership Project)標準采納的機會，俾助國內通訊相關產業未來的發展。

5G通訊性能大躍進

在3GPP R12版本將標準稱作LTE-A(LTE-Advanced)，在過去的3年大大地促進了整個無線通訊產業的高速發展，截至2015年9月，全球已經建成 LTE-A網路達95張，1/3的LTE終端同時也支援LTE-A。而在今年2016將訂定完成的R13版本，3GPP將其標準稱為LTE- Advanced pro，被視為與未來5G的銜接版本，LTE-Advanced pro的目標是為了保持與LTE/LTE-A的向后兼容性(圖1)，比先前的版本進一步提高傳輸速度、擴大系統容量及降低延遲等，作為進入5G前的演進版 本。

圖1　LTE各版本演進

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，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1ms，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，與4G網路速度相比較，用5G網路下載一 部高清的電影約只需要1秒鐘上下，且隨著智慧型手機、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需要透過智慧終端 來解決，因此，對大流量的資料傳遞以及高密度的連結需求變得越來越大，必要有新的技術來因應這樣的需求，5G網路不僅擁有更快的傳送速率，高傳輸、低延 遲、高可靠、低功耗等特點，皆讓其擁有更高的性能表現。最重要的是，它是基于未來發展物聯網(Internet of Things, IoT)的網路技術。

5G關鍵技術剖析

5G的標準制定預計將在2016進行，在2020年預估相關產品將可步入 商用階段，各國也已經開始提出各樣技術，要滿足未來5G世代的通訊需求，其中的關鍵技術如LTE輔助授權接入(Licensed assisted access, LAA)、LTE機器類型通訊(Machine type communication, MTC)、Massive MIMO(Multiple input multiple output)、3D/FD-MIMO(FD, Full Dimension)、FDD/TDD混頻載波聚合(Carrier aggregation, CA)等，都是為了5G所提出的關鍵技術，使其可以達到高傳輸、大連結、低延遲等特性，在3GPP標準也陸續訂定這些技術的規范，其中MTC更是在未來進 入5G通訊不可或缺的技術(圖2)。

圖2　5G系統概況

MTC搶攻物聯藍海

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，知名諮詢機構麥肯錫指出，2025年物聯網的應用產值將達到11.1兆美元，因此在LTE專為物聯網設計的機器類型通訊(MTC)便是一個相當重要的議題。

MTC 為機器對機器之間的通訊，不同的裝置間能夠互相溝通進行資料的傳輸交換，能夠在設備之間作更有效的控制，比起傳統方式，能夠給予更高效率且低出錯率的設備 管控，MTC不只是單單的數據在機器和機器之間的傳輸，更重要的是，它是機器和機器之間的一種智能化、互動式的通信。也就是說，即使人們沒有發出信號，機 器也會根據既定程式主動進行通信，并根據所得到的數據去作分析，對相關設備發出相對應的指令。

在MTC中為了發展物聯網的特性，因此在設計時有幾項主要的項目：

.更低的設備成本

對 于將來萬物聯網的時代，必須有非常大量的終端設置，因此成本便是相當大的考量，過去由于追求高品質的網路服務，在手機上要觀看更高清的影片或更高效的運算 速度，使得終端設計必須更加的復雜，來解決大量的運算處理，以至于在終端設備上需要更昂貴的成本，但在設備之間的通訊，并不在意這么高的傳輸速率，只要幾 kbps甚至幾百bps即可滿足需求，所以在終端晶片上，便不需要這么復雜的設計，進而降低終端設備的成本。

.更長的電池壽命

在 目前手機或者平板的耗電量是相當驚人的，通常使用不到一天就必需充電，但在設備之間的通訊，并不適用這么高的耗電量，不僅提高維護上的困難，在用電成本上 也是一大考量，且在物聯網的設備中，必須長期保持在運行的狀態，如果因電力中斷，而導致設備停止，將造成不可預期的損失，因此在電力配置上，都希望其設備 可以使用相當長久的時間，甚至十年以上都不需更換電池。

.更大的覆蓋率

改善覆蓋率在物聯網的應用中為相當重要的 議題，因為應用的終端通常都不在可視的范圍內，例如智慧電表，一般設置在地下室或隱蔽的地方，在工業的應用里，像在物件的輸送帶上，也都常在許多被遮蔽的 位置，在這些地方，通常訊號衰減的快，強度較弱，所以在覆蓋率的表現勢必要得到提升，設備必需要能夠容忍更低的訊號強度。

.支援大量的設備連線

在未來物聯網成長的速度相信會大過一般的行動網路，因此在基地臺端必須要能夠承載相當大量的終端設備，在后端的核心網路必須要能夠同時應付許多的終端連結，所以在排程設計上也會是一個挑戰。

在 3GPP標準，對于UE能夠支援的傳輸等級稱作UE-Category，在R11以前分為1~10共10個等級，其中Cat.1-5為R8所定 義，Cat.6-8為R10定義，Cat.9-10為R11定義，而在R12時，為了因應MTC所要的需求，更低的傳輸速率及更低的功耗，因此又再新增 Cat.0的等級，相關的速率及配置如表1所示，Cat.0及Cat.1都是能夠支援MTC的配置，對于將來行動穿戴裝置或智慧家電等都是其可應用的范 圍，而在R13版本的Cat.M或NB-IoT(Narrow Band–Internet of things)，更是降低其傳輸的資料上限及頻寬，目的就是為了要再降低設備成本及功耗。

對 于降低終端設備成本，在LTE中提出幾項方法，其中一個是半雙工(Half Duplex)的設計，在MTC的環境中，不需要這么高的傳輸速度，因此可以使用半雙工的方式來減少設備的成本，在半雙工的使用上只需要多一個切換器去改 變發送或接收的模式，比起全雙工(Full Duplex)所需的元件，使用半雙工的成本更為低廉，并且也能夠降低電力的消耗，無疑是在MTC需求下有效降低成本的方法。

半雙工 模式在3GPP R8時就有定義，而在R12時對于半雙工分別列出type A 與type B兩種類型，其中Type B為專為Cat.0所用，如表2所示，其兩種差別在于type A下，UE在發送上行訊號時，其前面一個子訊框(Subframe)的下行訊號中最后一個符元(Symbol)不接收，用來作為保護區間(Guard Period, GP)，而在type B下，UE在發送上行訊號時，其前面的子訊框與后面的子訊框都不接收下行訊號，使得保護區間加長，對于設備的要求更加得降低，并且也使訊號的可靠度上 升。

另 外可以注意到的一個新技術為NB-IoT，NB-IoT為R13所提出的標準，其目的是朝向一個更低復雜度和低吞吐量所設計的新無線接入系統，來解決蜂巢 式物聯網(Cellular IoT)的需求，其下行訊號使用NB-OFDMA系統(圖3)，上行使用FDMA的接入系統，在NB-OFDMA下，使用72個頻寬為2.5KHz的子載 波(Subcarrier)傳輸，使頻譜有更高的使用效率，并在同一個蜂巢網路允許大量的設備同時使用，提供更廣的覆蓋范圍，其能夠使用在一個LTE的資 源區塊(Resource Block, RB)內(180kHz頻寬)，或者是在沒有使用到之RB旁的保護區間(GP)，亦或是使用獨立出來的一個專用頻譜，而在上行使用的是FDMA的系統搭配 GMSK(Gaussian-shaped Minimum Shift Keying)或者是PSK(Phase Shift Keying)的調變，其可以提高頻譜的使用效益，并且降低元件的復雜度，可以發現NB-IoT為一個不同以往LTE系統的一種新設計規格，可說是為了物 聯網而獨立出來的一個系統。

圖3　NB-OFDMA頻譜

在Cat.1及Cat.0或更低的UE等級中，其最大傳輸速度也限制在1Mbps以下，并且只支援一根天線，目的也是減少元件成本及不使用過于復雜的演算法。

而 在延長使用電力方面，在3GPP R12標準中定義一種電力節省模式(Power Saving Mode, PSM)，PSM為一種特殊的終端狀態，可以最小化電力的消耗，一般認為比空閑模式(Idle Mode)下更省電，終端在PSM下，可以決定要多長的時間去啟動傳送或接收資料，終端就不用維持在開機狀態，相當于休眠的模式，因此終端的電力使用便獲 得大幅的降低，無疑是對物聯網終端的一項重要技術。

若UE支援PSM，在Attach或TAU(Tracking Area Update)的程序中時，會向網路申請一個啟動計時器(Active Timer)，這個計時器決定UE要保持多久時間去監聽傳呼(Paging)訊號，當超過計時器的時間，UE便會進入省電模式，在此期間不再監聽呼叫訊 號，近似于關機的狀態，但UE還是注冊在網路中，因此不需要重新連結或建立數據封包網路(Packet Data Network, PDN)的連線，直到UE要再對外傳送資料，或者TAU的周期到了，才會回復到連線的狀態，于表3可以看到若是TAU周期為1小時，而1個星期發送一次資 料，兩個2A電池可以使用超過136個月，相當于11年左右。

而 在R13標準，也定義改進非連續接收模式(Enhanced Discontinuous Reception, eDRX)，其為延長原本DRX的時間，使UE在DRX的次數及頻率上可以減少，以達到更省電的目的，但UE在進行長時間的DRX周期后，本身的計時器可 能會發生不準確的情況，就會讓UE與核心網路之間發生不同步的情況，因此基地臺必須時常與UE進行同步，而在UE離開eDRX模式時，也要發出多筆傳呼訊 號，讓UE在時間不同時依舊可以收到傳呼訊號(圖4)。

圖4　PSM與eDRX示意圖

在 提升覆蓋率的部分，3GPP于R13版本中，定義其能夠提高15至20dB的覆蓋率，主要使用提高數據及參考訊號的能量、錯誤重傳及降低系統性能的要求 等，在基地臺發送訊號給MTC終端時，透過提高發送的能量(Power Boosting)，使終端在更遠處或被遮蔽時依舊能夠收到訊號，或者是給定一個功率水平，但將其集中發送在某一頻寬，以提高其功率頻譜密度(PSD Boosting)，而要使用提高功率或提高PSD取決于所考慮的信道或信號上，由于不需要過高的性能表現，因此在傳送資料時可以考慮更低的調變指數，如 BPSK，以及使用更短的CRC，而在MTC架構下的UE，也可以透過組合的PSS和SSS多次累積能量，來做同步訊號的處理，雖然會增加同步處理的時 間，但卻可以使接收范圍更廣，而在基地臺接收PRACH的部分，可以透過降低其門檻值(Threshold)和提高誤警率(False Alarm Rate)來使UE更容易與基地臺連線，進而改善系統覆蓋率。

而要應付大量的終端連線，核心網路的排程設計也相當重要，其主要透過幾 項來使核心網路更符合物聯網的要求，一為使用容忍高延遲的通訊(High Latency Communications)在一般行動通訊，為了達到高傳輸速度及效能，對于其傳輸延遲有相當高的要求，但在MTC通訊中，僅限于低資料量傳輸，因此 能夠容忍更高的傳輸延遲，這里面就必須在核心網路中各項協議中去作調整，另外可能也會有專為MTC架構所設計的MME(Mobility Management Entity)系統，在核心網路中能夠承載更多的終端設備。

5G通訊的雙面發展

在未來萬 物聯網的時代，終端連上網路的數目相信是比現在要大上好幾倍，從前的無線通訊總是追求要更大的傳輸頻寬與更快的資料傳輸，但在未來卻可能是要更低的傳輸速 度，更低的電力消耗，更簡易的硬體設計，在將來5G的行動通訊，一方面勢必會提高傳輸效能，透過如LAA或Massive MIMO等技術，以達到5G所期望超過10Gbps的傳輸需求，使用戶能夠使用到更高品質的數位行動通訊服務。

另一方面，也為了要使 智慧終端應用能夠廣泛實現，在MTC這塊的發展也為將來5G通訊不可或缺的技術，在目前已經看見諸多標準陸續在制定，都是為了以后物聯網的需求，而在晶片 商，也積極在推出LTE MTC規格的Cat.0或Cat.1，可望利用其低成本、低功耗、小尺寸等優勢，進攻物聯網的市場，而在R13版本提出更低復雜度及更省電的Cat.M及 NB-IoT類型，期望也在不久的將來也能夠商品化，使LTE能夠搶進物聯網市場。

關鍵詞： LTE 4G