מערך בדיקה לפיתוח מוצרי NB-IoT

אנליסטים מחברת גרטנר מנבאים שבשנת 2020 יהיו יותר מ-26 מיליארד התקנים (בנוסף על  טלפונים חכמים, מכשירי טבלט, ומחשבים) שיהיו מחוברים למרשתת הדברים (internet of things- IoT). כמות גדולה זו של התקנים תדרוש תמיכה רבה מרשתות התקשורת הקיימות. מבין הטכנולוגיות המיועדות למכשירי IoT ניידים אשר צפויות להפוך לתקניות בפרוייקט 3GPP  (3rd Generation Partnership Project ) , טכנולוגיית IoT צר סרט (NB-IoT) מייצגת את הטכנולוגיית המבטיחה ביותר של תקשורת רדיו דלת הספק לאיזור רחב -LPWA . טכנולוגיה זו תאפשר חיבור סוגי מכשירים שונים ושירותים תוך שימוש בפסי התדרים של התקשורת התאית. (איור 1) .

במאמר זה תובא סקירת הדרישות והאתגרים הקשורים לתכנון רכיבים,  וסימולציות, אותות ואנליזות שונות שניתן לבצע בעזרת היכולות החדשות של סביבת התכן NI AWR Design Environment ושל Visual System Simulator™ (VSS) . דוגמת התכנון תדגים עמדת בדיקה משולבת למקלטים של ערוצי NB-IoT ו- LTE , עמדת בדיקה עבור NB-IoT uplink eNB RX בפס השמירה (guard band)  של אות LTE, ועמדת בדיקה עבור in-band uplink eNB RX .

דרישות המערכת

ממשק רדיו חדש עבור יישומי MIoT שמופיע בפרסום 13 של 3GPP מתמקד בעיקר בהיבטים הבאים: מחיר (נמוך מ- 5$), אורך חיי הסוללה ( מעל 10 שנים), חיבוריות עתירה (תמיכה בכ-50,000 התקנים בתא), ובהשהיות נמוכות מ -10 מילישניות.

טכנולוגיית NB-IoT תאפשר למפעילים את להרחיב היכולות האלחוטיות עבור ישומים ושירותים ההופכים נפוצים יותר ויותר, כגון קריאת מונים מרחוק ועקיבה, ותפתח שער להזדמנויות עסקיות חדשות כגון עיר חכמה ותשתיות רפואיות eHealth.

טכנולוגיית NB-IoT תחבר בצורה יעילה את ההתקנים הרבים הללו תוך שימוש ברשתות  תקשורת ניידת ותכלול כמות קטנה וסבירה של תקשורת נתונים פנים ערוצית דו כיוונית מאובטחת ואמינה. ההתקן משתמש ברוחב פס 180 kHz UE RF הן ל- downlink והן ל- uplink וישנן שלושה אופני הטמעה. (איור 2)

שלושת אופני הטמעה:

1.– פעולה סטנדרטית, שבה מפעיל רשת GSM יכול להחליף את נושא ה-GPS  (200 kHz)  ב-NB-IoT, תוך עיבוד מחדש של הספקטרום, למשל רשת רדיו לגישה עבור GSM EDGE ( (GERAN). הדבר אפשרי היות ורוחב הפס (כולל פס שמירה) בשתי השיטות הוא זהה.

2. -הטמעת פס שמירה תוך שימוש במשאבים לא מנוצלים הכלולים בפס השמירה של גל הנושא ב- LTE.

3.- מפעילי רשתות LTE יכולים גם להטמיע את ה- NB-IoT בתוך הגל הנושא של LTE על ידי הקצאת אחד מהבלוקים של משאבים פיסיקליים (PRB) ברוחב 180-kHz עבור NB-IoT , וזאת כיון שההפרעות ההרמוניות  של NB-IoT, שעברו תהליך של אופטימיזציה, מאפשרות קיום ביחד עם LTE בלי לפגוע בביצועים של שתי הרשתות.

טבלה 1 מראה ששיקולי התכן עבור טכנולוגיות סלולאריות קיימות שונות מאלו של רשתות IoT.

טכנולוגיות תקשורת סלולארית דורשות רוחב פס גדול, קצבי העברת נתונים גבוהים והשהיה נמוכה, לעתים על חשבון קיצור חיי הסוללה של ההתקנים. לעומת זאת הקריטריונים של רשתות IoT דורשות יכולת העברת נתונים אמינה אך הקצבים נמוכים בהרבה, יש צורך בכיסוי לטווחים גדולים, ונדרש משך חיי סוללה ארוכים עבור הסוללות שבהתקנים. בעוד שתקשורת בתקן LTE משתמשת ברוחבי פס גדולים מ-1.4MHz, לתקשורת IoT נדרש רוחב פס בסדר גודל של קילוהרץ. מכאן משתמע שהשימוש בתקני GSM ו- LTE עבור תקשורת IoT מביא עמו בזבוז של רוחב פס ויכולת העברת נתונים. בנוסף, מעבר לשימוש בערוצים צרי סרט כגון טון יחיד 3.75 kHz תכפיל פי 4 את מספר החיבורים בתת נושא רגיל בשיטת LTE, המקצה מרווח של 15 kHz.

הבדל נוסף הוא עלות ההתקן. התקן תקשורת ניידת המסוגל לטפל בתקשורת קולית, העברת הודעות, העבר מידע בקצבים גבוהים היא גבוה בהרבה ביחס למחיר התקני IoT שדורשים תקשורת בקצב נמוך אך הדגש הוא על אמינות התקשורת. שיקול המחיר הנמוך נובע משיקולים מעשיים, כגון התקנה פשוטה וקלה וסכנת גניבה.

פיתוח התקן IoT מוקשח, זול, יעיל אנרגטית התומך בתקשורת אמינה בקצבים נמוכים וכיסוי איזור נרחב מחייב נטישת גישות תכנון שיושמו במערכות בעלות דרישות אחרות.  סימולציות מערכות RF יספקו תובנות לגבי האתגרים החדשים ויאפשרו תמיכה בתכנון ובניתוח של מודולי UE, אנטנות, דרגות RF ראשוניות, ורשתות תקשורת אלחוטיות המשלבות אותות משני הסוגים, NB-IoT/LTE . פיתוח מערכות NB-IoT יעשה במידה רבה תוך שימוש בטכנולוגיות LTE, כולל OFDMA , SC-FDMA , קידוד ערוצים, תיאום קצבים, הפרדה ועוד. הדבר יקטין במידה משמעותית את הזמן הדרוש לפיתוח מפרטים חדשים ואת הזמן הדרוש לפיתוח מוצרי NB-IoT בעזרת ציוד קיים וחדש של טכנולוגית LTE וספקי תוכנה.

מערכת בדיקה למקלטי NB-IoT In-Band Uplink eNB

באיור 3 מוצג פרוייקט VSS  (top-level)  והוא מדגים את פעולת מערכת NB-IoT בתוך פס האיתות של LTE.  אות NB-IoT uplink מוגדר בתוך הפס, בפורמט 1NPUSCH  , התואם את מפרט 13 של 3GPP . בדוגמא זו אות ה-NB-IoT ממוקדם בתוך RB שאינו בשימוש בתוך פס ה- LTE. הסימולציה של NB-IoT ושל LTE מתקיימת בתרחישי פעולה שונים, ולפיכך תומכת בחברות הקשורות לתקינת 3GPP ובפיתוח מוצרים. הזמינות של דוגמאות פיתוח מערכי NB-IoT ב-VSS מאפשרות למהנדסים ללמוד אופני פעולה בתוך הפס ובפס השמירה.   תקשורת uplink של NB-IoT תומכת הן בתקשורת multi-tone והן בטון יחיד. שידורי multi-tone מבוססים על SC-FDMA עם אותם מרווחים של גל תת נושא – 15 kHz , חלונות זמן של 0.5 ms ותת מסגרת של 1 מילישניה, כמו ב- LTE. תקן SC-FDMA הוא תחליף אטרקטיבי ל- OFDMA, במיוחד לערוצי uplink שבהם יחס PAPR תורם רבות להתקנים ניידים במונחים של יעילות שידור, וכך הוא מאריך את חיי הסוללה ומוזיל את עלות מגבר ההספק. שידור Single-tone תומך בשתי אופציות של מרווחי תת נושא: 15  ו-3.75 kHz. האופציה האחרונה משתמשת בחריצים של 2 מילישניה ומספקת כיסוי טוב יותר המאפשר להגיע למקומות מאתגרים, כגון בתוך בניינים, שם עוצמת האות יכולה להיות מוגבלת. מבחינה מספרית ה- 15 kHz  זהה ל-LTE וכתוצאה מאפשר דו קיום מעולה.  תת נושא הנתונים מאופנן תוך שימוש ב- π/2-מפתוח הזזת מופע (BPSK)       ו- π /4-מפתוח הזזת מופע מרובע (QPSK) עם רציפות מופע בין הסמלים, דבר המקטין את ה- PAPR ומאפשר למגברי ההספק לעבוד באיזור רוויה וכך להגיע לנצילות גבוהה. את מספר תתי נושא של 15 kH של יחידת המשאבים אפשר לקבוע ל-  1,3,6 , או 12 תוך תמיכה גם בשידור uplink בטון יחיד וגם בשידור multi-tone של נושא NB-IoT ורוחב סרט מירבי של 180 kHz (עד 12 תתי נושא של 15 kH או 48 תתי נושא של 3.75-kHz ).

ערוץ ה-uplink הפיסיקלי כולל ערוץ גישה רנדומלי צר סרט (NPRACH)  וערוץ uplink פיסי צר סרט משותף ערוץ (NPUSCH). ערוץ NPUSCH  הוא ערוץ חדש המתוכנן להכיל את ערוץ ה-uplink של ה-NB-IoT, ברוחב 180 kHz, כיון שערוץ PRACH של ה- LTE דורש רוחב פס של 1.08 MHz . גישה רנדומלית מאפשרת גישה התחלית כאשר יוצרים קשר רדיו ובקשת תור, והיא אחראית על השגת סינרון ב- uplink, דבר בעל חשיבות לקיום האורתוגונליות ב- NB-IoT.

ה- NPUSCH תומך בשני פורמטים. הראשון משמש להעלאת נתונים, תומך בשידור מולטי-טון ומשתמש באותו טורבו -קוד של ה- LTE לתיקון שגיאות. גודלו המירבי של transport block של ה- NPUSCH בפורמט 1 הוא 1000 ביטים, כלומר נמוך בהרבה מ- LTE. פורמט 2 משמש לאישור איתות משולב של בקשות חוזרות (HARQ) עבור NPDSCH ומשמש כקוד חזרה לתיקון שגיאות. במקרה זה, ניתן להקצות ל-UE 12, 6 או 3 צלילים. הפורמט של 6 ו-3 צלילים הוכנסו עבור NB-IoT UEs אשר עקב מגבלות כיסוי אינו יכול להפיק תועלת מהקצאת סרט גבוהה יותר.

באיור 4 מובאת דוגמא לפרוייקט VSS לקידוד NPUSCH. זהו תת מכלול שמייצר מעין רצף פסיאודו-בינארי אשר עובר בדיקת יתירות מחזורית (CRC) ולאחריה קידוד טורבו ותיאום קצב לשידור uplink LTE שמבצע שלוב תת מכלולים בזרם הביטים היוצא מהמקודד. הביטים של כל מילת קוד משודרים בערוץ uplink פיסי משותף בתוך תת מסגרת אחת ואז היא מעורבלת ברצף ערבול יחודי ל- UE לפני מיפוי האפנון, אשר נבחר על ידי מתכנן המערכת מתוך אפשרויות התצורה. את ה- SC-FDMA ניתן לפרש כקדם אפנון לינארי בתצורת OFDMA , במובן זה שהוא כולל שלב דיסקרטי נוסף של המרת פורייה (DFT)  הקודם לתהליך המרת OFDMA רגילה. בדוגמא שבאיור 5 מבוצע DFT  (המרה לפני המקודד) לפני שערוץ NPUSCH מרובב עם אותות היחוס של גלי תת נושא ( של טון יחיד או מולטי-טון) ע”י מיפוי מוקדם על פי המשאב הפיסיקלי המתאים ואז לפי סמל OFDM והחריץ המתאים במסגרת. בדומה ל-OFDMA, גם ה- SC-FDMA מחלק את פס השידור למספר תתי נושא מקבילים, ושומר על האורטוגונליות שלהם על ידי הוספת קידומת מחזורית (CP) כמרווח שמירה. לפיכך סמלי הנתונים ב SC-FDMA אינם  מוקצים באופן ישיר לכל תת נושא באופן עצמאי כמו ב- OFDMA. במקום זאת האות המיועד לכל תת נושא הוא צירוף לינארי של כל סמלי הנתונים המאופננים המשודרים באותו פרק זמן. ההבדל בין שידור  SC-FDMA  לשידור OFDMA הוא תוספת של דרגת  DFT (ראה איור 5) לפני מיפוי תת הנושא הנראה בדרגת האפנן של OFDM (איור 6 ).

מערך דומה של דרגות משמש ליצירת אות LTE, המשולב עם צורת הגל של NB-IoT , עובר דרך ערוץ להוספת רעש גאוסייני לבן (AWGN) ומגיע למקלט NB-IoT האחראי לגילוי ולפענוח של אות ה- PUSCH. עבור מתכנני מערכות ו/או רכיבים, מודל ערוץ  ה- AWGNניתן להחלפה במודל של ערוץ אחר או בהתקן בבדיקה (DUT). מערך הבדיקה בדוגמה זו של VSS תוכנן לניטור ספקרום אות משדר בנקודת שונות לאורך הלינק (איור 7) ושל ביצועי NB-IoT בנוכחות אותות LTE UL, מערך IQ של אותות משודרים לאחר גילוי, BER, BLER ותפוקה, כפי שניתן לראות באיורים 8 ו-9, ושגיאת CRC לכל דרגה. דוגמא קשורה מדגימה את פעולת NB-IoT בפס השמירה של אות LTE. הפרוייקט זהה לזה שבדוגמא הקודמת אך בשינוי קל של מיקום דרגת משאבי  NB-IoT.

לפעולה בפס שמירה NBIoT_RB נקבע בתוך הטווח <0 or >N_RB המגדיר את הגבול העליון,

במטרה לפעול בפס השמירה התחתון או העליון, בהתאם. פעולה בתוך הפס מושגת על ידי קביעת של דרגת משאב NB-IoT בכל ערך שבין שני הגבולות האלה. הספקטרום המתקבל עבור פעולת  NB_IoT/LTE UL באופן פס שמירה מוצג באיור 10.

כפי שהוזכר קודם, ניתן להוסיף או להחליף את מודל הקצה הקדמי, מגבר ההספק ו/או תכנון האנטנה במודל ערוץ AWGN הנוכחי, אשר מייצג את ה-DUT. איור 11 מראה תכנון מגבר בעזרת Microwave Office עם P1dB = 20 dBm המוחדר בין משדר UL למקלט. המתכננים יכולים לשנות את פרמטרי הבקרה כגון הספק המבוא או להחליף בין סכימות האפנון תתי הנושא של NBIoT_RB (π/2 BPSK או π /4 QPSK ) על מנת לחקור את ההשפעות על הביצועים, כגון עוצמת וקטור השגיאה (EVM).

סיכום

תקן NBIoT_RB המוגדר בפרסום 13 של 3GPP  מרחיב את רשתות תקשורת LTE כך שיוכלו לתת תמיכה למרחב המערכות העתידיות הצפויה של התקני IoT ניידים, זולים ורבים. בעוד שהשימוש בתשתיות LTE קיימות ודרישות ביצועים נוחות יקלו על חלק מאתגרי התכנון, הרי שגורמים אחרים כגון הצורך במחיר נמוך, הגדלת שטח הכיסוי, הארכת חיי הסוללה ונגישות ממושכת יציבו דרישות שקשה יהיה לעמוד בהן. VSS תומך בפיתוח מערכות NB-IoT ומציע מערכות בדיקה וסימולציה לרכיבים וירטואלים, בשלב קדם סיליקון, וכך יכול לחסוך למתכננים זמן יקר ומאמצים בהבאת המוצר שלהם לשוק.