通訊系統(tǒng)的類比和數(shù)位元件相當(dāng)復(fù)雜，因此精確建模便成為了解系統(tǒng)特性的重要關(guān)鍵。以近來(lái)備受關(guān)注的NB-IoT為例須在多域模擬環(huán)境下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模與評(píng)估。同時(shí)利用建模實(shí)例，搭配新型模擬方法，可深入研究射頻收發(fā)器、先進(jìn)數(shù)據(jù)機(jī)科技及非理想硬體設(shè)備。

在厘清對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)的需求后，會(huì)由一群專家組成技術(shù)委員會(huì)，討論與協(xié)商初步提案。完成草案后，便交給更多會(huì)員群組審查，尋求意見和最終審核。提案所有元素都會(huì)協(xié)商包括范圍、主要定義和內(nèi)容。

善用模擬技術(shù)加速研發(fā)

現(xiàn)在有越來(lái)越多人將模擬軟體應(yīng)用于新技術(shù)的研究，以加快制定標(biāo)準(zhǔn)，并減少硬體部署成本。窄頻物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，是專為物聯(lián)網(wǎng)而設(shè)計(jì)的新型蜂巢式窄頻技術(shù)，源于2014年的3GPP研究專案。第一個(gè)版本在2016年6月公布，并成為全球3GPP標(biāo)準(zhǔn)第13版內(nèi)容一部分。此標(biāo)準(zhǔn)的主要目標(biāo)為：改善室內(nèi)覆蓋范圍、增加對(duì)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(shè)備成本、建立于LTE無(wú)線介面和網(wǎng)路上的最佳化網(wǎng)路架構(gòu)。

NB-IoT規(guī)格預(yù)計(jì)將支援新式5G NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)群播和定位，以持續(xù)演進(jìn)并超越第13版。

圖1 NB-IoT UL發(fā)射信號(hào)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(guī)格概說(shuō)

3GPP TS 36.211第13版，V13.2.0(2016-06)為NB-IoT提供了實(shí)體通道和調(diào)變規(guī)范。新的裝置類別Cat-NB1可支援?dāng)?shù)十kbps的速度與200kHz通道頻寬。在此版本之前，eMTC(加強(qiáng)型機(jī)器類型通訊)資料速率支援高達(dá)1Mbps的可變速率，類型M1(Cat-M1)具1.4MHz的頻寬。

窄頻實(shí)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(zhàn)性的位置提供更大的覆蓋范圍。我們可用二進(jìn)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(zhuǎn)，進(jìn)行資料副載波調(diào)變。資源單位的副載波數(shù)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(shí)體資源區(qū)塊具有12個(gè)副載波與15kHz間隔，可提供180kHz傳輸頻寬。為簡(jiǎn)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(jī)制。

NB-loT UL頻譜

窄頻下行鏈路實(shí)體資源區(qū)塊具有12個(gè)副載波與15kHz間隔，可提供180kHz傳輸頻寬。只支援一種QPSK調(diào)變機(jī)制。為了簡(jiǎn)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(jī)制(Tail Biting Convolutional Coding Scheme)。

無(wú)線電傳輸和接收

為了能夠有效運(yùn)用頻譜資源，NB-IoT的設(shè)計(jì)包含三種不同運(yùn)作模式：獨(dú)立、頻段內(nèi)和保護(hù)頻段。獨(dú)立模式主要是將GSM載波替換成NB-IoT載波，頻段內(nèi)運(yùn)作是在一般LTE載波內(nèi)利用資源區(qū)塊。而保護(hù)頻段運(yùn)作模式則采用LTE載波的保護(hù)頻段。

對(duì)LTE服務(wù)供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，頻段內(nèi)選項(xiàng)可提供最有效的NB-IoT部署。舉例來(lái)說(shuō)，因?yàn)镹B-IoT可完全整合在現(xiàn)有LTE基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)，所以如果沒(méi)有IoT訊務(wù)，便可能使用適合NB-IoT載波的實(shí)體資源區(qū)塊(PRB)，而不做其他目的使用。如此即可讓基地臺(tái)調(diào)度器能在同一頻譜中對(duì)LTE和NB-IoT訊務(wù)進(jìn)行多工。

對(duì)深入?yún)⑴c3GPP標(biāo)準(zhǔn)化的企業(yè)來(lái)說(shuō)，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(tǒng)為受干擾物，而NB-IoT為干擾源的情境下，頻段內(nèi)和保護(hù)頻段運(yùn)作模式的結(jié)果?？紤]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(tái)進(jìn)行傳輸，因此僅針對(duì)上行鏈路的情況進(jìn)行共存評(píng)估。我們使用是德科技SystemVue通訊實(shí)體層模擬軟體與其LTE-A參考資料庫(kù)來(lái)建立模擬環(huán)境。

圖2 LTE(10mhz)受干擾物與NB-IoT裝置干擾源的頻段內(nèi)運(yùn)作模式上行鏈路共存分析。刻意將兩個(gè)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(hù)頻段運(yùn)作上行鏈路共存分析?？桃鈱蓚€(gè)頻譜軌跡(圖左)在同一張圖中分離和重疊?？偣矀魉土?000 LTE子訊框的傳輸速率分析(圖右)。

各企業(yè)的模擬結(jié)果可能會(huì)因?yàn)榻７椒ㄓ兴煌??？赡軙?huì)因發(fā)生功率泄漏、調(diào)變和過(guò)濾而產(chǎn)生差異。但上述3GPP TR 36.802 V13.0.0模擬范例的基本結(jié)論是NB-IoT可與LTE共存。

我們觀察到以下幾個(gè)重點(diǎn)：首先傳輸速率下降少于5%；再者，NB-IoT在第一個(gè)相鄰LTE PRB造成一些干擾，但對(duì)其他PRB的干擾則微不足道或在可接受范圍內(nèi)；最后，保護(hù)頻段中的共存較頻段內(nèi)運(yùn)作模式略佳。

硬體設(shè)計(jì)考量

NB-IoT規(guī)格包括一系列設(shè)計(jì)目標(biāo)：覆蓋范圍更大、裝置電池壽命更長(zhǎng)，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(jiǎn)單的無(wú)線電與基頻流程。透過(guò)NB-IoT半雙工操作，便可以一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)，搭配為數(shù)較少的振蕩器來(lái)產(chǎn)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(jiǎn)單的下行鏈路回旋通道編碼，也有利簡(jiǎn)化基頻解碼過(guò)程。

整個(gè)開發(fā)過(guò)程中投注了許多心血，才能實(shí)現(xiàn)所需的低成本、 低電源消耗設(shè)計(jì)目標(biāo)。目前主要的架構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)象是零中頻和低中頻接收器，此類接收器將類比前端與數(shù)位基頻信號(hào)處理整合在單一晶片上。然而，每種架構(gòu)都有一些結(jié)構(gòu)性問(wèn)題必須解決。LO泄漏和自混合造成的直流偏移會(huì)使零中頻接收機(jī)的所需信號(hào)降級(jí)。而對(duì)低中頻接收機(jī)來(lái)說(shuō)，不理想的硬體則會(huì)造成I和Q信號(hào)路徑間的振幅與相位不符。因此會(huì)造成所需的信號(hào)降級(jí)及干擾信號(hào)泄漏。為了能夠更清楚的了解各種架構(gòu)的缺點(diǎn)，可透過(guò)我們的模擬軟體，以系統(tǒng)模型來(lái)對(duì)架構(gòu)進(jìn)行審視。

在圖4所示的一般低中頻接收器架構(gòu)中，天線中的輸入射頻信號(hào)會(huì)由頻段選擇濾波器過(guò)濾，并由低雜訊放大器進(jìn)行放大。正交解調(diào)器會(huì)將射頻信號(hào)降頻成復(fù)合低中頻信號(hào)，并以相位與正交信號(hào)代表。中頻信號(hào)會(huì)通過(guò)低通濾波器(LPF)，然后由ADC進(jìn)行采樣。ADC取樣并轉(zhuǎn)換后，數(shù)位化中頻信號(hào)便會(huì)降頻為基頻，產(chǎn)生數(shù)位復(fù)合信號(hào)。

圖4 低中頻接收器架構(gòu)

只要使用適當(dāng)?shù)牡椭蓄l，這種架構(gòu)即可避免零中頻接收器常見的直流偏移和1/f雜訊問(wèn)題。但如此一來(lái)也再次產(chǎn)生了影像問(wèn)題。在LNA(圖4)后雖可達(dá)到影像取消，但是需要進(jìn)行窄頻濾波，因此使復(fù)雜性和設(shè)備成本顯著增加。這樣的影像問(wèn)題可透過(guò)精密的混頻技術(shù)，再搭配低中頻接收器的濾波技術(shù)來(lái)處理。

圖5是一個(gè)低中頻架構(gòu)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(hào)與干擾信號(hào)皆以復(fù)合波封資料格式產(chǎn)生并結(jié)合，如圖左側(cè)所示。中間部分是正交解調(diào)變區(qū)塊，對(duì)I/Q失配情況進(jìn)行建模。解調(diào)變信號(hào)分成上下兩種路徑，而低通則經(jīng)過(guò)濾波并轉(zhuǎn)換為數(shù)位信號(hào)。圖的右邊可看到數(shù)位信號(hào)的I/Q不平衡補(bǔ)償處理，及補(bǔ)償前后進(jìn)行差錯(cuò)向量幅度(EVM)計(jì)算與比較。這種類型的電子系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)(ESL)和模擬，在執(zhí)行裝置電路級(jí)設(shè)計(jì)前對(duì)IC設(shè)計(jì)工程師極為重要。此模擬環(huán)境可提供以下支援：

圖5 低中頻接收器I/Q不平衡補(bǔ)償模擬配置

·類比和數(shù)位信號(hào)處理。

·結(jié)合時(shí)間和頻率域特性。

·動(dòng)態(tài)模擬與自調(diào)適參數(shù)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(diào)變器/解調(diào)器)、抖動(dòng)以及主動(dòng)元件的量子化效應(yīng)。

在此案例研究中，我們采用是德科技的SystemVue通訊實(shí)體層模擬軟體。

射頻系統(tǒng)晶片方法

為了滿足NB-IoT應(yīng)用極富挑戰(zhàn)性的預(yù)算需求，應(yīng)開發(fā)低成本的單晶片產(chǎn)品以讓此服務(wù)得以成功部署。功率放大器和天線開關(guān)的整合可降低前端射頻元件數(shù)量，使路由得以簡(jiǎn)化。也縮小了印刷電路板(PCB)對(duì)區(qū)域的需求。單音頻傳輸技術(shù)的應(yīng)用則使具備峰值對(duì)均值功率比(PAPR)的PA成為可能。含有節(jié)能晶片PA的功率系統(tǒng)級(jí)射頻晶片可能會(huì)在其飽和區(qū)附近運(yùn)作，以得到最大輸出功率，而前述應(yīng)用則對(duì)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(yōu)缺點(diǎn)，因此我們采用射頻與基頻跨域模擬技術(shù)，對(duì)非線性PA的EVM在NB-IoT上行鏈路所造成的影響進(jìn)行分析。我們來(lái)考慮一下圖6中的模擬建置。SystemVue LTE-A資料庫(kù)支援單音頻與多音頻傳輸，我們使用此資料庫(kù)來(lái)產(chǎn)生基頻信號(hào)?；l信號(hào)由兩個(gè)數(shù)位濾波器進(jìn)行過(guò)濾，然后送至調(diào)變器以產(chǎn)生中心為載波頻率的頻譜。而后使用放大器特性模型來(lái)放大信號(hào)。可透過(guò)1dB壓縮點(diǎn)或P1dB來(lái)設(shè)定PA的線性度。PA將信號(hào)放大后會(huì)由接收器進(jìn)行解調(diào)變，以判斷誤差向量振福(EVM)。我們對(duì)PA的EVM與P1dB進(jìn)行模擬，評(píng)估PA對(duì)傳輸信號(hào)品質(zhì)的非線性影響。

圖6 NB-IoT上行鏈路模擬設(shè)定

單音頻傳輸?shù)腅VM值都很小(副載波間隔為3.75kHz時(shí)低于0.08%，間隔為15kHz時(shí)則小于0.9%)。因此我們可以得到結(jié)論，針對(duì)單音頻副載波間隔，PA的非線性度對(duì)EVN所造成的影響非常小。

根據(jù)模擬結(jié)果，音頻數(shù)量為3、6和12的信號(hào)，PAPR分別為4.8dB、5.7dB和5.6dB。圖8顯示當(dāng)PA的P1dB降低時(shí)，EVM會(huì)顯著增加。因此我們可以得到結(jié)論，針對(duì)多音頻傳輸，PA的非線性度對(duì)EVM有不利影響。

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

圖8 以15kHz副載波進(jìn)行多音頻傳輸之回退PA的EVM與P1dB。數(shù)位濾波器已經(jīng)旁路。PA的輸入功率為20dBm，并故意將增益設(shè)為0dB以進(jìn)行模擬。

我們從這個(gè)模擬中學(xué)到在單音頻傳輸?shù)那闆r中，可將晶片內(nèi)部分降低PAPR的電路移除，以大幅降低晶片設(shè)計(jì)復(fù)雜度。若考慮NB-IoT應(yīng)用的主要層面，在超低功率與低成本的應(yīng)用中，將只支援單音頻傳輸?shù)难b置與晶片非線性PA加以整合會(huì)有很大的幫助。

硬體驗(yàn)證挑戰(zhàn)與測(cè)試方案

NB-IoT在開發(fā)過(guò)程，將此技術(shù)實(shí)現(xiàn)不可或缺的，就是測(cè)試解決方案幫忙把關(guān)。這包含整個(gè)供應(yīng)鏈，例如NB-IoT網(wǎng)路基礎(chǔ)設(shè)施提供商、NB-IoT晶片開發(fā)、廣大物聯(lián)網(wǎng)器件設(shè)計(jì)和生產(chǎn)廠商、以及運(yùn)營(yíng)商和認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室。

對(duì)于NB-IoT網(wǎng)路基地臺(tái)廠家，彈性化與靈活的配置與升級(jí)，對(duì)驗(yàn)證多種行動(dòng)通訊規(guī)范非常重要，這樣便可以無(wú)論在開發(fā)階段、系統(tǒng)驗(yàn)證或生產(chǎn)，都能一致性使用，降低設(shè)備投資成本。廣泛應(yīng)用的X系列信號(hào)產(chǎn)生器和信號(hào)分析儀以及LTE嵌入式測(cè)量軟體，提供便捷的NB-IoT應(yīng)用軟體升級(jí)，以完成基地臺(tái)射頻的NB-IoT驗(yàn)證測(cè)試。

對(duì)于NB-IoT終端晶片和模組廠家，和手機(jī)類產(chǎn)品測(cè)試不同，NB-IoT帶來(lái)了一些特殊挑戰(zhàn)，包括功耗測(cè)試要求更高、與現(xiàn)有LTE設(shè)備實(shí)現(xiàn)交互操作、提高覆蓋及穩(wěn)定性以及進(jìn)一步降低大量產(chǎn)線的成本。這時(shí)需NB-IoT連線測(cè)試方案，如E7515A，幫助NB-IoT工程師在實(shí)驗(yàn)室中輕松重建真實(shí)場(chǎng)景，執(zhí)行準(zhǔn)確和可重復(fù)性的測(cè)量，所幸這類儀器可透過(guò)原LTE的測(cè)試設(shè)備升級(jí)完成，大大降低投資成本。

由于NB-IoT大量不同的設(shè)置需要進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試復(fù)雜性顯著增加，在這種情況下，可借助自動(dòng)化平臺(tái)，例如Keysight TAP自動(dòng)化測(cè)試軟體平臺(tái)所提供的測(cè)試流程序列及分析功能，為工程師提供數(shù)百個(gè)自動(dòng)測(cè)試案例，從而極大縮短的用戶的測(cè)試時(shí)間。

除此，還需考量相符性測(cè)試，需要即時(shí)提供認(rèn)證是很重要的。除了利用既有系統(tǒng)升級(jí)外，還需考量是否使用很快能通過(guò)系統(tǒng)認(rèn)證的相符性系統(tǒng)測(cè)試。Keysight T4010S優(yōu)先透過(guò)既有的相符性系統(tǒng)，直接升級(jí)按照3GPP NB-IoT測(cè)試規(guī)范，該相符性測(cè)試系統(tǒng)與Keysight LTE射頻和RRM案例環(huán)境一樣，可以通過(guò)升級(jí)包輕松實(shí)現(xiàn)NB-IoT認(rèn)證能力。在窄帶物聯(lián)網(wǎng)射頻驗(yàn)證測(cè)試方面，是業(yè)界第一獲得全球認(rèn)證論壇(GCF)認(rèn)證的測(cè)試平臺(tái)(TP 195)。

圖9 利用完整的測(cè)試解決方案，在不同階段提供NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈所需驗(yàn)證方案。

NB-IoT的電流分析是物聯(lián)網(wǎng)低功耗測(cè)試的關(guān)鍵，各種待機(jī)或連接狀態(tài)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(shí)，需考慮了低成本的產(chǎn)線測(cè)試方案，保證NB-IoT產(chǎn)品更快推向市場(chǎng)。升級(jí)Keysight E6640A非信令無(wú)線測(cè)試儀，可提供NB-IoT產(chǎn)線測(cè)試。

第一個(gè)NB-IoT規(guī)格在3GPP第13版中完成。其目的是提供一種低成本設(shè)備，增加覆蓋區(qū)域，并提供更長(zhǎng)的電池壽命與持續(xù)可達(dá)性。盡管NB-IoT應(yīng)用已降低對(duì)性能的要求，并采用相同的LTE基礎(chǔ)設(shè)施，但開發(fā)這些新產(chǎn)品仍是一項(xiàng)艱難的任務(wù)，需要有精確的設(shè)計(jì)目標(biāo)。開發(fā)低成本設(shè)備應(yīng)將所選系統(tǒng)規(guī)格的各種接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、元件整合方法和性能評(píng)估都納入考量。在矽前處理期間，工程師應(yīng)在虛擬環(huán)境中以精密的模擬工具進(jìn)行設(shè)備測(cè)試，并執(zhí)行矽后驗(yàn)證。是德科技提供從預(yù)研模擬、設(shè)計(jì)開發(fā)到相符性驗(yàn)證以及大量生產(chǎn)的整個(gè)NB-IoT的產(chǎn)品生命周期的測(cè)量解決方案。