LTE-MTC、LTE-M、LTE-M2M技术特性探析

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1   3GPP标准现行历程

   

移动通讯网络的标准，从3GPP R8版开始，正式自WCDMA（俗称3G）进入LTE（Long Term Evolution，长期演化），R8版约在2009年3月定案。而后2010年3月的R9版进行原有R8标准的增订、补订。

    2011年6月R10颁布，从LTE进入LTE Advanced，简称LTE-A，2013年3月R11出炉，对原有R10进行补充修正。2015年3月R12版也完成，R13版仍开放接受各种技术提案。


    3GPP标准每偶数版本为一个较大程度的跃进，R12即是继LTE-A之后的再一次程度性提升，目前有各种营销代称，如4.5G（LTE/LTE-A已是4G）、B4G（Beyond 4G，另一说是指R13）、LTE-B（接续在LTE-A之后）等。

3GPP标准订立后，电信营运商不见得立即实行，即便实行，也不尽然实行标准中的所有功能，如MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service，多媒体广播多播服务）自3GPP R6版便具备，但鲜少电信商布建与开通营运。R11版提出协调多点收发（Coordinated Multi-Point operation，CoMP）功能，此功能必须通过基站-基站间快速沟通才能实现，因而需要换新基站的回传（backhaul）线路，自铜线改成光纤，许多电信商碍于成本而迟疑导入。不仅不全然采用，甚至接受时间也有差异，LTE（R8）标准完成后，同年底北欧的挪威、瑞典电信商即实行，但LTE-A（R10）标准完成后，隔了2年才由韩国电信商率先开通。而依据规划，3GPP R13将会对现行刚出炉不久的R12进行增补，更之后的R14已在2013年启动，预估2020年完成，R14即为5G。

表1 3GPP规格标准发展历程与规划

2  3GPP也觊觎IoT市场

移动通讯随时间演进，不再只是移动通话应用。随着智能手机的普及，越来越多人用手机上网，通话（Voice）传输服务比重降低，数据（Data）传输比重上升，且室内、建筑物内通话机率增高。

    为了强化市区、室内通话质量，R12标准内包含了LTE-Hi（Hotspot/indoor）技术，以期改善收发效果。同时也加强倚重TD-LTE、Dynamic TDD等，以提升频谱资源的利用率，增加数据传输量。由于R12标准的内容包山包海，难以一次尽谈，本文以物联网（Internet of Thing，IoT，部分业者称为IoE，E为Everything，如Qualcomm、Cisco，但所指相同）的终端装置标准为焦点与各位详谈。

3  LTE-M、LTE-MTC、LTE-M2M三词同义

     3GPP标准在R12之前，已为IoT通讯进行若干准备，但都属于后端（基站端、局端）的准备，未对IoT的前端（终端装置，3GPP阵营称为用户端设备User Equipment；UE）进行定义，至R12版首次进行定义。

3GPP将IoT通讯称为机器类型的通讯，即MTC（Machine Type Communication），以便与目前人与人之间的通讯有所区别，因此也称LTE-MTC，或简称LTE-M。但由于业界也惯称物联网为机器间的通路（Machine to Machine；M2M），所以也有LTE-M2M之称，但三者所指皆同。

图1 人类型态的通讯，与机器型态通讯的差异

4  UE Category 0登场

R12首次定义IoT终端装置（也称为无线传感器节点，Wireless Sensor Node，WSN）的收发型态，称为UE Category 0，简称Cat. 0/Cat-0。

过往LTE/R8标准时代已定义了Cat. 1～5，LTE-A/R10也延续定义了Cat. 6～8，R11延伸定义了Cat. 9、Cat. 10，R12同样往上递增数字定义Cat. 11～14，但反常的是也增订过往未有过的Cat. 0。

一般而言，数字越高也意味着终端装置的收发速率越高，Cat. 0则是一个规格下修、降低的设计，收发速率仅1 Mbps，较R8最入门的Cat. 1还要慢，Cat. 1至少有10 Mbps下行速率、5 Mbps上行速率。

不仅降低收发速率，Cat. 0也允许以半双工（Half-Duplex）方式传输，同一时间只能接收不能发送，或同一时间只能发送不能接收，此为Cat. 0的选用（Optional）设计。另外Cat. 0也建议将收发器芯片与功率放大器（Power Amplifier；PA）整合设计，在接收器链上，过往Cat. 1仍有2组，但Cat. 0则限缩到剩1组。

为何Cat. 0如此有别于过往的规范与设计？原因在于人的通讯与机器的通讯不同，无线传感器节点感测一个位置的温度、湿度、震动等数据并传递数据，传输数据量低，不需要高速率，降至1 Mbps仍能满足使用，且较慢的传输能较省电力。

而过往一贯维持全双工传输的原因，在于满足通话应用，对话时发话者同时可以听到对方说的话，但IoT应用不需要如此，改成更简陋的半双工传输可进一步降低成本，甚至某些应用情境下，传感器节点仅会持续单向传输。

同样地，建议收发器芯片与功率放大器整合，用意也在降低成本。3GPP方面期望Cat. 0的硬件实现成本只有Cat. 1的一半。换言之，Cat. 0规范在追求省电、低价。

5  更多省电手段

     Cat. 0尚有其他节省电能的方式，在多数应用情境下，无线传感器节点通常固定在一处不动，此与手机不同，手机会移动使用，所以每隔一段时间要发出讯息，向基站回报其位置，如果手机快离开原基站可服务的覆盖范畴，原基站将通知该手机附近的其他基站，准备切换（Hand-Off，接力赛跑时的棒子交接）服务，由另一基站持续服务刚进入其覆盖范畴内的手机。

手机周期性对基站发出位置讯息，此称为TAU（Tracking Area Update），每2.56秒一次，但Cat. 0传感器固定在一处，就不需要周期性告知位置，因此装置可以较长时间处于休眠状态，减少发波次数、发波时间、发波间隔等，进而达到省电的目的。

另外，IoT虽然与传统手机通讯一样，与基站间需要长距离通讯，但Cat. 0不是以增强发波功率来延伸传输距离，因为此方式会耗电。Cat. 0由于不需要高速传输，所以Cat. 0将子讯框（Sub-Frame）的传输时间拉长，延长至1毫秒（千分之一秒）。

若用生活譬喻，过往是用更大的嗓门让更远的人能够听到，现在改成音量与过去相同，但讲出来的每字每句时间拖很长，如此在远处的人也能听到。整体来说，3GPP期望将TAU从2.56秒放宽到10分钟以上，同时配合传输延迟容忍技术，让每个UE（WSN）能在只配备2颗AA型电池的条件下，能持续10年以上运作，但现阶段此期望颇具挑战。

表2 Ericsson与NSN估计不同周期搭配下的Cat. 0装置可运作月数（超过10年以斜体底线标注）

6  R12只是开端

     R12的Cat. 0已与过往的UE大大不同，但实际上这仅是个开端。3GPP仍认为Cat. 0不够低廉、不够省电，正在R13标准中增订另一个能更低廉、更省电的终端装置类型。目前这个类型的正式编号尚未明朗，但由于各项规格设计均会比Cat. 0更低规，因此有人暂以「Sub-Cat. 0」称呼。

Cat. 0的目标是Cat. 1的一半硬件价格，而Sub-Cat. 0期望再减半，预估硬件实现成本只有Cat. 1的25%，Sub Cat. 0传输率会更低，目前的技术提案为200 kbps，且上行、下行均是此速率，与Cat. 0一样为对称速率，有别于3GPP其他终端装置多为非对称速率（下行快过上行）。

Sub Cat. 0与Cat. 0一样仅一组收发天线，接收器链也同样一组，事实上此已是精简至不能再精简的情形。Sub Cat. 0也一样因力求成本低廉，而建议实行整合功率放大器的收发器芯片，以及半双工传输设计。由于Sub Cat. 0传输率更低，因此需要的频谱资源也不用多，仅1.4 MHz，低于Cat. 0。也为了能更省电，发送功率降至20 dBm，但Cat. 0则仍维持与过往多数Cat.标准相同的23 dBm。

表3 三种终端类型（Category）的特性比较（R13属估计，尚未定案）

7  R14/5G构想区分出2类MTC

     R13将定义更精进型的UE/WSN，而R14的5G，也有更长远的规划与构想提案。不过在此须先言明，由于R13、R14标准均未完全定案，仍开放各种技术提案，因此本文对R13、R14的特性说明，最终可能会有出入。

R14预估能与现有R12，后续R13定义的UE/WSN兼容通讯，但会将应用区分成两大取向，一是Massive MTC（大宗、大量型MTC），另一是Mission Critical MTC（关键任务型MTC）。

大宗大量型的应用主要在于公用事业的抄表（在ZigBee联盟中称此为AMI，即Advanced Metering Infrastructure），如电表、水表、瓦斯表等，或智能电网（Smart Grid），此类型的应用晚个三分钟、五分钟记录一次、回报一次数据也不要紧。

而关键任务型则不同，依然属于低传输量，但传输必须比大宗型稳定、可靠，例如产业自动化感测、车用感测、机器人控制等。然由于Mission Critical MTC较Missive MTC晚提出，加上技术要求较高，潜在使用量较少（更偏向垂直领域的应用，但终端装置单价高），因此R12、R13仍会以Massive MTC为主、为先。

8  LTE-MTC未来仍具挑战

LTE-MTC是针对公众领域而设计的IoT通讯，但也不排除家庭、室内运用，例如家庭防盗、消防等。不过LTE-MTC并非没有对手，ZigBee即是最明显直接的竞争标准，且ZigBee技术早于2004年便起步，已累积许多感测应用的经验实务。此外IEEE组织也在研究拟订IEEE 802.11ah标准，预估2016年能完成。

     IEEE 802.11ah是以低于1 GHz的频段来实现超过1 km的长距离传输，对LTE-MTC确实为潜在威胁，即便11ah标准无法定案，现行许多芯片业者也提出专属的Sub-1 GHz传输技术，同样要求公众领域的远距低数据量传输，此均可能影响LTE-MTC，LTE-MTC必须谨慎且加速发展才可能成功。