下一世代5G通訊時代即將到來,各家廠商包含天線廠、射頻(RF)元件公司、晶片設計公司、手機廠、終端系統廠、基地台局端設備廠、測試儀器公司和認證實驗室等無不摩拳擦掌、大力投資,以迎接5G的龐大商機。

本文第一部分將簡介5G應用的三大場景;第二部分,將簡介窄頻物聯網(NB-IoT)技術發展;第三部分將從筆者服務於宜特檢測實驗室的角度,深入探討,NB-IoT規範要求與產品設計考慮,並藉著NB-IoT實際測試,進行經驗分享,期望能夠協助廠商在開發產品時,瞭解如何測試驗證,有效加快產品上市時間。

5G應用場景概述

根據國際電信聯盟ITU ( International Telecomm Union) 5G的主要應用場景有三種(參見下圖一):

20180823_iST_TA31P1 圖1:國際電信聯盟ITU的5G三大場景

增強行動寬頻(eMBB)

  • 主要應用:高速傳輸和高速移動,傳輸速率達到10~20GBps,高速移動達到500Km/h。
  • 中國的IMT-2020 5G推進組又將「增強行動寬頻」(eMBB)細分為「連續廣域覆蓋」和「熱點高容量」兩個子場景。
    超高可靠性低延遲通訊(uRLLC)
  • 主要應用:車聯網和遠距醫療等需要高精準度、不可出錯的情況,時間延遲需小於1ms,可靠度需達到99.999%的水準。
    ** 巨量機器通訊(mMTC)**
  • 主要應用:物聯網,也是這篇文章要探討的主題, 物聯網發展為5G重要的一環。

巨量機器通訊(mMTC) NB-IoT技術

物聯網通訊技術百家爭鳴,包含WiFi、藍牙、ZigBee、Z-Wave、LoRa、SigFox、Cat-M和NB-IoT等,其中在中國發展潛力最大莫過於中國政府和三大營運商力推的「窄頻物聯網」(NB-IoT)技術。

物聯網產業運用很廣,包含智慧農業、智慧電網、智慧家居、智慧城市、智慧醫療、智慧交通、無人車、智慧工廠、智慧船舶、共用單車等,所謂智慧意味著物物聯網,資料訊息可即時互相交換,達到節省人力、物力、電力、財力等環保、安全目的,因物聯網終端產品應用極廣,甚至需裝置在地廣人稀的區域,因此低功耗、超強待機時間、廣覆蓋、低成本、高密度布網等為物聯網終端性能的基本要求。

3GPP Release 13的NB-IoT通訊技術除了兼具以上優越性能外,資訊傳遞的安全性更是優於其他物聯網技術,因此有人說,若NB-IoT沒成功,5G也不會成功,由此可見NB-IoT技術的發展潛力和重要性。

NB-IoT模組和終端產品設計目前全球已有很多公司投入研發生產,產品生產出來如何驗證其性能指標,是研發之後最重要的課題。

NB-IoT終端性能法規要求

  • 3GPP的標準為TS 36.521-1 V14.4.0。
  • GCF一致性( Conformance )測試用例的標準為3.68.0_20171105_r003。
  • MIoTA行動物聯網產業聯盟標準,NB-IoT終端設備測試方法,T/MIOTA 0002.1-2017,這三份法規標準互相參考,內容大同小異,這裡以T/MIOTA 0002.1-2017,NB-IoT終端設備測試方法為主要說明,此份規範由中國資訊通信研究所、華為技術有限公司、中國移動通信集團公司、中國聯合網路通信集團有限公司、中國電信集團公司共同撰寫。

NB-IoT終端產品性能主要有幾種要求:深度覆蓋、低功耗、資料傳輸可靠性、行動性、位置追蹤、遠程控制、大量終端同時上線/上傳資料、終端分批分區域控制、下行即時控制業務保活,以及終端狀態監控等。

NB-IoT終端產品根據不同產業應用

  • 資料上傳類,例如智慧電錶、空氣監控等應用,此類產品性能要求重點為深度覆蓋、低功耗、資料傳輸可靠性、大量終端同時上線/上傳資料、終端狀態監控。
  • 行動追蹤類,例如共用單車等應用,此類產品性能要求重點為深度覆蓋、低功耗、資料傳輸可靠性、移動性、位置追蹤、終端狀態監控。
  • 下載控制類,例如智慧路燈等應用,此類產品性能要求重點為深度覆蓋、資料傳輸可靠性、遠端控制、終端分批分區域控制、下行即時控制業務保活。

NB-IoT測試規範要求

NB-IoT測試規範,主要分為兩部分,(一)是「單板傳導測項」,(二)是「OTA指標測試」;「單板傳導測項」目的在保證「終端傳導性能」符合法規要求;而「OTA指標測試」目的在保證「終端輻射性能」與「天線性能」符合法規要求。

NB-IoT「單板傳導測項」詳細規範(T/MIOTA 0002.1-2017)
基本功能和業務測試、實體層關鍵技術測試、RRC協議基本功能測試、互連互通測試、功耗測試、單使用者性能測試,以及無線射頻性能測試。

以下針對「功耗測試」、「單使用者性能測試」和「無線射頻性能測試」再做詳細說明。

  • 功耗測試 測試系統連接如下圖二所示,包括幾種模式:待機功耗測試、休眠功耗測試、下載功耗測試(CP模式),以及下載功耗測試(UP模式)等。

20180823_iST_TA31P2 圖2:NB-IoT終端設備測試方法(來源:MIToTA行動物聯網產業聯盟標準 T/MIOTA 0002.1-2017, P.41)

物聯網終端產品具備超長電池壽命的特性,因此對功耗性能要求甚高,NB-IoT相對於LTE技術固有的Idle和DRX機制外,再加上eDRX (Extended Discontinuous Reception)和PSM (Powe Saving Mode)兩種技術,可以讓終端耗電流達到nA等級,狀態時序圖如下圖三所示:

20180823_iST_TA31P3 圖3:NB-IoT終端省電狀態時序圖

以下分享,筆者服務於宜特實驗室的角度進行NB-IoT模組功耗性能實際測試結果(參見圖四),我們發現若終端耗電流規格要求達到nA等級,軟體時序、韌體驅動和硬體設計必需相互搭配才能以達到最佳性能。

20180823_iST_TA31P4 圖4:NB-IoT模組功耗性能實際測試結果(來源:宜特科技)

  • 單使用者性能測試的模式包括單用戶上傳輸送量測試,以及單用戶下載輸送量測試。

宜特實驗室進行「NB-IoT模組單使用者下載輸送量性能」實際測試結果如圖五所示。從資料上,我們觀察到輸送量性能與軟體設計有關,需反復驗證各種模式以達到最佳性能。

20180823_iST_TA31P5 圖5:NB-IoT模組單使用者下載輸送量性能實測(資料來源: 宜特科技)

筆者服務于宜特實驗室的角度進行「無線射頻性能測試」,從資料上,我們觀察到射頻性能關係到終端產品功耗大小、天線傳輸距離長短、射頻調變解調品質好壞和抗干擾能力,因此終端必須通過所有相關的測試。

NB-IoT「OTA指標測試」
整機帶天線需要在暗室中進行「OTA指標測試」,藉以滿足NB-IoT測試規範要求;此外,NB-IoT整機產品批量上網前,亦必須滿足工信部NB-IoT終端進網檢測要求,通過整機OTA、性能指標等測試認證。

國際OTA法規主要是美國CTIA協會所制定要求,最新的法規是Test Plan for Wireless Device Over-the-Air Performance V3.7。CTIA Cat-M和NB-IoT OTA的測試方法和測項性能限值要求正在制定中,目前軟體自動測試業界進度最快的是中科國際和中國移動合作的NB-IoT OTA測試方法,有多探頭暗室和混響室兩種暗室方案;ETS和Satimo軟體自動測試都還在開發中,筆者服務于宜特檢測的實驗室,使用的是ETS暗室開發出全球獨家的手動測試方案,可説明客戶初期節省測試費用且保證終端產品OTA天線性能。

NB-IoT終端產品如電錶、水錶或路燈等,其外殼多為金屬材質,故影響天線OTA性能甚巨,因此NB-IoT OTA測試和性能調校重要性不可言喻。

NB-IoT終端產品種類繁多,尺寸大小不一,小至模組,大至路燈、冰箱­或冷氣等,若終端產品較大則OTA測試需使用混響室方案,暗室外觀大小最大可達3.3m4.2m2.6m,缺點是混響室方案無法提供場型方向圖資訊。

宜特檢測實驗室在NB-IoT技術擁有完整的測試能量如下:

  • 可測試3GPP和GCF射頻/無線資源管理(RF/RRM)一致性完整測試用例。
  • 可測試3GPP和GCF協議(Protocol)一致性完整測試用例。
  • 高精度電源分析儀,為測試NB-IoT終端的低功耗分析行業標準,其高動範圍的電流量測技術,在供電的同時,可連續採集和測量從nA到8A的超大動態範圍電流,符合中國電信功耗測試標準。
  • 資料性能(Data Performance) 輸送量測試,符合中國電信資料性能測試標準。
  • 天線OTA性能 TRP和TIS測試。

宜特看好物聯網NB-IoT的技術發展,投入大量資源在認證設備採購,測試軟硬體開發,研發測試工程師能力培養,因此,除了可提供測試認證服務外,更具備工程顧問服務能力,可提供客戶更全面的一站式服務,達到客戶產品快速上市的目標。