[ez-toc]

مقدمه:

با توسعه روزافزون اینترنت اشیاء (IoT)، نیاز به فناوری‌هایی با مصرف انرژی پایین، پوشش گسترده و قابلیت پشتیبانی از میلیون‌ها دستگاه هوشمند به‌شدت احساس می‌شود. LTE-M (LTE for Machines) یکی از پاسخ‌های کلیدی صنعت مخابرات به این نیازهاست که با بهره‌گیری از ساختار LTE و بهینه‌سازی برای MTC (Machine-Type Communication)، بستری مناسب برای کاربردهای متنوع IoT فراهم می‌کند. در این مطلب، معماری، اهداف، ویژگی‌ها و تکامل استاندارد LTE-M در نسخه‌های مختلف 3GPP بررسی می‌گردد.

خلاصه

 اهداف اصلی فناوری LTE-M

• نرخ داده متغیر و تطبیق‌پذیر

• پشتیبانی از تعداد انبوهی دستگاه (تا 100,000 دستگاه در هر سلول)

• پوشش عمیق در محیط‌های داخلی

• عمر باتری تا 10 سال

• پشتیبانی از برنامه‌های real-time و mission-critical

• سازگاری کامل با شبکه‌های LTE و بدون نیاز به گیت‌وی اختصاصی

 معماری LTE-M و تفاوت آن با NB-IoT

• بر اساس ساختار LTE و سازگار با EPC (Evolved Packet Core)

• استفاده از RAN با تکنیک‌های OFDMA در DL و SC-FDMA در UL

• بهره‌گیری از کانال‌های کنترل جدید مانند MPDCCH برای کاهش پیچیدگی

• طراحی شده برای پهنای باند باریک (1.4 MHz) در برابر NB-IoT با 180 kHz

 بهبودهای LTE-M در نسخه‌های 3GPP

 نسخه 12: معرفی Cat-0

• کاهش نرخ داده و حذف MIMO برای کاهش هزینه

• استفاده از Half-Duplex و صرفه‌جویی در توان

 نسخه 13: معرفی Cat-M1

• پوشش گسترده با MCL تا 156 دسی‌بل

• کاهش توان، ارسال تکراری و مدولاسیون QPSK

• صرفه‌جویی در انرژی با استفاده از PSM و eDRX

• معرفی کانال‌های جدید MPDCCH، MPDSCH و MUPSCH

 نسخه 14: معرفی Cat-M2

• افزایش throughput، پشتیبانی از مولتی‌کست و VoLTE

• بهبود قابلیت موقعیت‌یابی

• کاهش زمان تاخیر، پشتیبانی بهتر از mobility

 نسخه 15:

• افزایش کارایی طیفی با QAM-64

• بهبود HARQ، پشتیبانی از سرعت بالاتر (تا 200km/h)

• مصرف انرژی کمتر و بهبود DRX

 عملیات Narrowband و تخصیص منابع در LTE-M

• استفاده از 6 Resource Block متوالی با مجموع پهنای باند 1.08 MHz

• پشتیبانی از نرخ داده 375kbps تا 1Mbps

• روش RF retuning برای مقابله با fading و outage

 کاهش هزینه و سادگی پیاده‌سازی

• کاهش تعداد TM به 4 حالت (1، 2، 6، 9)

• حذف PHICH و PCFICH برای کاهش بار سیگنالینگ

• دیکدینگ کور کمتر و عدم نیاز به دریافت همزمان

ساختار اولویت و مدیریت QoS

• 13 سطح اولویت برای ترافیک کاربر از GBR و Non-GBR

• ترکیب میزان تأخیر و نرخ خطای بسته (PER)

• نگاشت کلاس‌های MTC به سطوح مختلف اولویت (مثل MTC1، MTC2، MTC3)

 بهینه‌سازی هسته شبکه (EPC) برای IoT

• پشتیبانی از ترافیک ناپیوسته و حجم کم داده‌ها

• ادغام اجزای هسته در قالب EPC-lite

• مدیریت هزاران دستگاه MTC به‌صورت گروهی

اهداف LTE-M

برای پاسخ به اپلیکیشن­ های مختلف، معماری LTE-M به منظور دستیابی به اهداف اصلی زیر طراحی شده است:

نرخ داده متغیر: برای پشتیبانی از انواع برنامه‌ها و تنوع  موارد استفاده، نرخ داده‌ها متغیر است.

پشتیبانی از تعداد زیادی از دستگاه‌ها: امکان پشتیبانی از 100،000 یا بیشتر دستگاه در هر ایستگاه دسترسی وجود دارد. این خصوصیات به ویژه در شرایطی که دستگاه‌ها نیاز به نرخ انتقال داده  (Data Throughput) بسیار پایین دارند، حائز اهمیت است.

پوشش گسترده و عمیق در داخل ساختمان: در مقایسه با LTE، پوشش در داخل ساختمانها را گسترش داده‌ شده تا در مواجهه با تلفات افت مسیر (Path Loss) و تضعیف (Attenuation) گذر از دیوارها و طبقات مقابله شود.

پشتیبانی از شرایط کارکرد با مصرف انرژی بسیار پایین با عمر باتری 10 ساله: این خصوصیت به ویژه برای دستگاه‌هایی که در مکان‌های دوردست هستند و شرایط دسترسی دشوار دارند یا جایی که تامین تغذیه از طریق برق امکان‌پذیر نیست، لازم است. باتری با 5 وات-ساعت یک کاندیدای اصلی برای چنین استفاده‌هایی است.

پشتیبانی انتخابی از برنامه‌های Real-Time و مأموریت‌مند (Mission-Oriented):کاربردهای که نیازمند تاخیر کم در حدود چند میلی‌ثانیه هستند یا  کاربردهای که تاخیر در محدوده چند ثانیه نیز قابل قبول است.

هزینه مقرون به صرفه دستگاه در مقایسه با LTE: هزینه دستگاه در مقایسه‌ با LTE پایین­تر است.

پشتیبانی از سرویس صدا به عنوان بخشی از عملکرد استاندارد LTE، اما نه لزوماً در سناریوهای پوشش گسترده.

سازگاری با شبکه‌های LTE و اتصال برای ترافیک MTC بدون نیاز به گيت وي اختصاصی.

پیاده‌سازی LTE-M درون باند در یک حامل LTE به دلیل سازگاری با شبکه.

قابلیت ارتقاء نرم‌افزار (Oftware Upgrad) از طریق شبکه LTE برای ایجاد یک مسیر یکپارچه به سمت شبکه MTC 5G.

معماریLTE-M

LTE-M و NB-IoT دارای معماری‌های بسیار مشابهی بر اساس ساختار LTE هستند. در جریان بحث معماری NB-IoT، ویژگی‌های اصلی شبکه ارتباطی LTE به طور کامل در فصل قبل پوشش داده شد. برخی از جنبه‌های مرتبط با معماری LTE-M از ساختار LTE در اینجا به منظور کامل کردن مطلب ارائه شده است.

LTE یک استاندارد مبتنی بر پروتکل اینترنت (IP) است که بهبود قابل ملاحظه‌ای نسبت به عملکرد 3G از نظر برنامه‌های چندرسانه‌ای (Multimedia) به وجود آورده است.

شبکه دسترسی رادیوی (RAN) به نام eUTRAN/eNodeB از دسترسی تقسیم فرکانس به صورت تک‌حامل در ارسال (UL) Single-Carrier Frequency Division Access و دسترسی چندگانه به فرکانس Orthogonal Frequency-Division Multiple Access با راندمان بالا در دریافت (DL) استفاده می‌کند.  هسته Packet Core به عنوان هسته بهبود یافته (EPC) شناخته می‌شود. ایستگاه پایه/کنترل کننده یکپارچه eNodeB وظایف دسترسی به رادیو، مدیریت و اختصاص Bearer رادیویی به دستگاه‌های LTE فراهم می‌کند. EPC انواع مختلف ترافیک کاربر و دستگاه را مدیریت و اداره کرده، تجهیزات و برنامه‌های جدید را پشتیبانی و معرفی کرده، و پشتیبانی از قابلیت تحرک در سراسر شبکه‌های IP بی‌سیم را فراهم می‌کند.

کانال‌های داده در LTE با استفاده از بلوک‌های منابع (RB) Resource Blocks در باند فرکانسی 180 کیلوهرتز پیاده­سازی شده­اند. بازه زمانی ارسال 1 میلی‌ثانیه (Transmission Time Interval TTI) کوچکترین واحد زمانی است که eNodeB قادر به زمان‌بندی هر کاربر برای ارسال UL یا DL آن است. اگر کاربری در حال دریافت داده DL است، در هر 1 میلی‌ثانیه، eNodeB منابع را به او اختصاص می‌دهد و از طریق کانال کنترل پایین­سو فیزیکی (PDCCH) Physical Downlink Control Channel به کاربر اعلام می‌کند که باید برای دریافت داده DL خود کجا را بررسی کند. در صورت وجود خطا در بسته‌های دریافتی، فرآیند (IR-HARQ) Incremental Redundancy Hybrid Automatic Repeat Request  استفاده می‌شود.

بر اساس LTE، معماری LTE-M به عنوان یک مجموعه پیشرو در نسخه‌های 3GPP Release 13-15 توسعه یافته است. Release 12 نخستین تلاش در 3GPP بود که از LTE برای پشتیبانی اولیه از  اپلیکیشن­های MTC IoT ارائه شد.

3GPP Release 12

مطابق با نیازمندی­های اینترنت اشیاء، در Release 12، تمرکز اصلی برای پشتیبانی از MTC، ارائه راندمان بالاتر مصرف توان دستگاه و راه‌حل ساده‌تر و ارزان‌تر نسبت به LTE است. این نسخه، عملکردی جدید برای Cat-0 تعریف کرده است. این عملکردها شامل یک آنتن دریافت، سایز کاهش یافته بافر برای بسته HARQ، کاهش نرخ ارسال داده (1 مگابیت بر ثانیه) و Half-Duplex (HD) هستند.

برای این که مصرف انرژی در دستگاه کاهش یابد و طول عمر برای باتری یک سال باشد، حالت صرفه‌جویی انرژی (PSM) مهم­ترین راهکار است. در استاندارد LTE، یک راه حل برای حفظ توان باتری است که UE خود را برای بازه‌های کوتاهی خاموش کند. با این حال، هنگامی که مجدداً نیاز به ارتباط با شبکه دارد، باید به شبکه متصل شود که انرژی مصرف می‌کند. راه­حل جایگزین PSM این است که UE خود را خاموش نکرده بلکه از چک کردن برای Paging خودداری می‌کند. کاربر در شبکه رجیستر شده و تنظیمات اتصال را نگه می­دارد. در طول این دوره، UE قابل دسترس نیست.

تا زمانی که ارسال از دستگاه رخ ‌دهد  در  وضعیت Hibernate یا خواب عمیق Deep Sleep باقی می‌ماند.

استفاده از یک آنتن دریافت و عملیات Chain دریافت تک‌گانه، Chain دریافت چندگانه برای MIMO را حذف می‌کند. کاهش اندازه بافر اجازه می‌دهد که سربار کمتری وجود داشته باشد. Cat-0 تا باند استاندارد 20 مگاهرتز LTE عمل می‌کند تا با عملکرد LTE سازگار باشد و از نرخ داده‌های پایین پشتیبانی کند. کاهش نرخ ارسال داده، پیچیدگی و هزینه را به طور قابل توجهی در توان مورد نیاز پردازش و حافظه کاهش می‌دهد. رویکرد HD در (FDD) Frequency Division Duplex  امکان اجتناب از فیلتر داپلکس را میسر می­کند.

Modifications for LTE-M in 3GPP Release 13 اصلاحات LTE-M در 3GPP نسخه 13

Release 13 به عنوان اولین نسخه استاندارد برای هر دو LTE-M و NB-IoT در نظر گرفته می‌شود. بهبودهای مربوط به LTE-M و NB-IoT در این نسخه نسبت به Release 12 شامل گسترش پوشش و صرفه‌جویی قابل توجه در انرژی است. LTE-M عملکرد Cat-M1 را برای این نیازها تعریف می‌کند. لایه فیزیکی امکانات پایه پوشش گسترده و بهره‌وری بالاتر از نظر انرژی را فراهم می‌کند و در عین حال سازگاری با LTE را حفظ می‌کند. کنترل دسترسی رسانه (MAC) و لایه‌های بالاتر جدید شامل مکانیزم‌هایی برای افزایش صرفه‌جویی انرژی باتری لایه 1 می­شود.

LTE-M در کوچک‌ترین  باند 1.4 مگاهرتز LTE به صورت مستقل عمل می‌کند و همچنین می‌تواند به عنوان بخشی از باندهای بزرگتر 3، 5، 10 یا 20 مگاهرتز LTE در نظر گرفته شود.

تغییرات کلیدی مربوط به LTE-M به شرح زیر است. برخی از این تغییرات مشترک بین LTE-M و NB-IoT هستند. تغییرات خاص LTE-M نیز ذکر شده است.

ویژگی هایی برای پوشش گسترش یافته

تقویت پوشش (CE) با استفاده از ترکیبی از تکنیک‌ها از جمله افزایش توان سیگنال‌های داده و مرجع، تکرار/ارسال مجدد هم برای هر وی کانال­های کنترل و  داده، و کاهش نیازهای عملکردی انجام می‌شود. در حالت تقویت شده برای LTE-M، افزایش چگالی طیف توان و تکرار اضافی برای دستگاه‌ها در پوشش ضعیف استفاده می‌شود. LTE-M همچنین امکان کاهش توان خروجی به 3 دسی‌بل برای کاهش هزینه پیاده‌سازی را فراهم می‌کند در حالی که هنوز هم پوشش را حفظ می‌کند.

معیار معمول برای پوشش ، حداکثر افت کاپلینگ (MCL) است. این معیار حداکثر مقدار افت کاپلینگ است که با ان می­توان سرویس را  ارائه داد و بنابراین پوشش خدمات را تعریف می‌کند. MCL معیار خوبی برای طراحی است زیرا مستقل از فرکانس و عوامل محیطی است. بدون تقویت پوشش، سیستم‌های LTE نسخه Release 12 یا نسخه‌های قبلی تا MCL حدود 144 دسی‌بل عمل می‌کنند. در بیشتر موارد برای محیط‌های شهری یا حومه خارج از منزل، شبکه LTE قدرت سیگنال کافی را برای ارضا این MCL ارائه می‌دهد.

با این حال، پوشش در داخل ساختمان به دلیل محیط درون‌ساختمانی دشوارتر است. به عنوان مثال، اگر دستگاه در زیرزمین یا داخل یک ساختمان عمیق باشد، افت نفوذ سیگنال در دیوار خارجی و و در داخل معنادار است.

ارسال‌های تکراری: ارسال همان داده در مدت زمان مشخص یا ارسال همان بلوک چندین بار در زیرفریم‌های متوالی با استفاده از bundling TTI می‌تواند به طور قابل‌توجهی احتمال موفقیت در تشخیص صحیح پیام‌های ارسالی را افزایش دهد. تکرار در طول زمان هر کانال فراتر از یک زیرفریم (1 میلی‌ثانیه) امکان تجمع انرژی کافی برای اهداف کدگشایی را فراهم می‌کند. این امر پوشش در لبه سلول یا در شرایط رادیویی ضعیف را بهبود می‌بخشد. در bundling TTI به جای ارسال داده‌های نادرست، می­توان با ارسال مجموعه­ی جدیدی از بیت کد شده در فرستنده، نسخه‌های تکراری از همان مجموعه بیت‌ها را در TTI متوالی بر اساس تکنیک بازیابی بسته HARQ ارسال کرد.

این امر از تأخیر جلوگیری می‌کند و همچنین سربار پلن کنترل را در لایه MAC کاهش می‌دهد. TTI bundling هم در DL و هم در UL استفاده می‌شود.

مودولاسیون پایین‌تر: با استفاده از Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK) به جای مدولاسیون Quadrature Amplitude Modulation (16 QAM) احتمال تشخیص موفقیت‌آمیز بیت‌ها افزایش می‌یابد. با این حال، مدولاسیون پایین‌تر منجر به کارآیی طیف پایین‌تر (bps/Hz) است. این امر باعث کاهش پهنای باند اما افزایش پوشش می‌شود.

ارسال تکراری و نرخ مدولاسیون پایین امکان این که MCL برای LTE-M به 156 دسی‌بل افزایش یابد را می­دهد. این مقدار 12 دسی‌بل بیشتر از مقادیر در نظر گرفته شده برای LTE Cat-1 در LTE Release8  یا Cat-0 در LTE Release 12 است. این امر منجر به تقریباً هفت برابر شدن پوشش می‌شود.

استاندارد LTE-M دو حالت CE را پشتیبانی می‌کند: حالت CE A و حالت CE B. حالت CE A می‌تواند تا 32 تکرار را استفاده کند در حالی که حالت CE B می‌تواند تا 2048 تکرار را برای کانال‌های داده به کار گیرد. حالت CE A حالت پیش‌فرض عملکرد برای شبکه‌های LTE-M است که بهره‌وری مؤثر در سناریوهای پوششی فراهم می‌کند که نیاز به CE متوسط با پشتیبانی از تمامیت حرکت دارند. در این حالت، بازخورد اطلاعات وضعیت کانال (CSI) پشتیبانی می‌شود.

هدف از این طراحی، حفظ مزایای LTE-M شامل نرخ‌های داده بالاتر، امکان تماس صوتی و پشتیبانی از حرکت است. حالت CE B که محدوده پوشش را نسبت به حالت A گسترش می‌دهد، امکان اختیاری است که CE بیشتری را با از دست دادن throughput و تاخیر فراهم می‌کند.

عمدتاً برای فراهم کردن پوشش درون ساختمان‌ها طراحی شده است. حالت B برای برنامه‌هایی مناسب است که سرعت ثابت یا در حد پیاده‌روی است و نیاز به نرخ داده و حجم داده محدود در طول زمان دارند.

صرفه جویی در توان و عمر باتری افزوده

صرفه‌جویی در مصرف انرژی یکی از نیازهای اساسی LPWAN است تا به دستگاه‌های اینترنت اشیاء کمک شود در مصرف انرژی باتری صرفه‌جویی کرده و به صورت احتمالی عمر باتری را به 10 سال و بیشتر برساند. علاوه بر مکانیزم PSM که در دستگاه‌های Release 12 Cat-0 استفاده شده است، صرفه‌جویی در مصرف انرژی توسط انواع تکنیک‌ها در LTE-M امکان‌پذیر است که شامل (eDRX) extended Discontinuous Reception، تغییر در فرآیند اتصال، استفاده از پلن کنترل برای ترافیک داده و حالت Connected Mobility Mode (CMM) می‌شود.

امکانات CE برای کانال LTE کم­تر 1.4 مگاهرتز و نرخ مدولاسیون کاهش یافته که در بخش قبلی ذکر شده‌اند نیز پیچیدگی و مصرف انرژی باتری را کاهش می‌دهند.

eDRX: در حال حاضر، دستگاه‌های استاندارد LTE از DRX که در Release 10 معرفی شده است برای افزایش عمر باتری بین شارژ‌ مجدد استفاده می‌کنند. چرخه DRX شامل یک دوره عملیات دستگاه برای جستجوی پیجینگ است و یک دوره که دستگاه در حالت خواب است. دستگاه می‌تواند از مانیتورینگ کانال کنترل برای حالت‌های خواب و متصل اجتناب کند و این به توانمندی افزایش بیشتر صرفه‌جویی در انرژی دستگاه منجر می‌شود.

با خاموش کردن موقت بخش دریافت ماژول رادیویی برای مدت کوتاهی از ثانیه، دستگاه می‌تواند انرژی را صرفه‌جویی کند. در حالی که دستگاه در حال گوش دادن نیست، شبکه نمی‌تواند با آن تماس برقرار کند، اما اگر این دوره زمانی کوتاه باشد، دستگاه با نقص در ارائه سرویس مواجه نخواهد داشت. به عنوان مثال، هنگامی که ایستگاه پایه به دستگاه دسترسی پیدا می‌کند، دستگاه ممکن است با تاخیری کوتاه‌تر از زمانی که DRX فعال نبوده باشد، پاسخ دهد.

eDRX این امکان را فراهم می‌کند که دوره زمانی که دستگاه به شبکه گوش نمی‌دهد به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش یابد.

برای بسیاری از برنامه‌های اینترنت اشیاء، قابل‌قبول است که دستگاه برای چند ثانیه یا بیشتر قابل دسترس نباشد. برای LTE، حداکثر DRX  2.56 ثانیه است. برای LTE-M در حالت خواب، حداکثر طول چرخه DRX ممکن به 43.69 دقیقه افزایش می‌یابد، در حالی که برای حالت متصل، حداکثر چرخه DRX به 10.24 ثانیه است. eDRX می‌تواند همراه یا بدون PSM برای صرفه‌جویی در انرژی استفاده شود. هر چند همانند PSM سطوح یکسانی از کاهش مصرف انرژی را فراهم نمی‌کند، اما برای برخی از برنامه‌ها می‌تواند یک تعادل خوب بین دسترس‌پذیری دستگاه و مصرف انرژی فراهم کند.

فرآیند اتصال تغییر یافته: هنگامی که PSM یا eDRX فعال است، سیستم ممکن است ارتباط خود را با دستگاه برای ترافیک DL از دست دهد. در LTE-M، فرآیند اتصال تغییر یافته پیاده‌سازی شده است که به دستگاه این امکان را می‌دهد که یک اتصال اد-هاک را که توسط PSM یا eDRX زمان‌بندی نشده‌است، برپا کند. این ویژگی پکت اتصال به شبکه داده از طریق مکانیزم خدمات پیام کوتاه را به وجود می‌آورد.

پلن کنترل: استفاده از پلن کنترل برای انتقال ترافیک داده کاربر برای خدماتی که گاهاً مقدار کوچکی از داده را انتقال می‌دهند، بسیار موثر است. استفاده از سطح کنترل برای ترافیک کاربر منجر به کاهش مقدار سیگنال‌گذاری مورد نیاز و کاهش زمان لازم برای تنظیم حامل داده می‌شود، که بهینه‌سازی مصرف انرژی را نتیجه می‌دهد. این موضوع به ویژه برای سناریوهایی که حرکت در آنها دخالت دارد، اهمیت دارد.

CMM: CMM حالت پیش‌فرض استفاده شده توسط LTE-M است که در آن شبکه انتخاب سلول را برای حفظ نشست در زمان تغییر دست دهی انجام می‌دهد. استقرارهای استاندارد LTE بر مبنای حالت خلاء حرکت استوار است، جایی که دستگاه انتخاب سلول را انجام می‌دهد. این به وضوح فقط در مورد دستگاه‌های IoT غیر ایستانی اعمال می‌شود.

عملیات باندبندی

دستگاه LTE-M برای انتقال و دریافت کانال‌ها و سیگنال‌های فیزیکی از عملکرد باند باریک پیروی می‌کند. حداکثر پهنای باند کانال به 1.08 مگاهرتز کاهش می‌یابد و دستگاه از مجموعه تعریف‌شده‌ای از شش RB متوالی استفاده می‌کند.

شش RB با پهنای 180باند کیلوهرتز همراه با باندهای نگهبان، پهنای باند 1.4 مگاهرتز را تشکیل می‌دهند که کمترین باند LTE است. برای مدیریت برنامه‌های پهنای باند پایین با سرعت انتقال اطلاعات از 10 کیلوبیت بر ثانیه تا 1 مگابیت بر ثانیه، باند 1.4 مگاهرتز LTE برای هر دو ارتباط کنترل و ارسال داده استفاده می‌شود. این به این معناست که سرعت آپلود و دانلود به ترتیب 375 کیلوبیت بر ثانیه در حالت HD و سرعت 1 مگابیت بر ثانیه در حالت FD است. دستگاه‌های LTE-M از همان روش‌های جستجوی سلول و دسترسی تصادفی استفاده می‌کنند که توسط تجهیزات قدیمی UE استفاده می‌شود.

یکی از نتایج عملکرد باند باریک محدودیت‌های تنوع فرکانسی، فضایی و زمانی است. این منجر به ناتوانی در مدیریت اثرات محوشدگی Fading و قطع Outages می‌شود. برای حل این مشکل، جابه‌جایی فرکانسی بین باندهای باریک مختلف با استفاده از RF retuning معرفی شده است. این جابه‌جایی بر روی کانال‌های فیزیکی UL و DL مختلف هنگام فعال بودن تکرار اعمال می‌شود. استفاده از کانال 1.4 مگاهرتز به طور مشخص با NB-IoT با پهنای باند 180 کیلوهرتز متفاوت است.

هزینه کم و عملیات ساده شده

به جز تغییرات مرتبط با ویژگی‌های اصلی LPWAN مانند پوشش بهبودیافته، کاهش مصرف انرژی و عملکرد باند باریک، چندین حوزه دیگر نیز در 3GPP release 13 بهبود یافته است. این تغییرات شامل کاهش پیچیدگی، ساده‌سازی عملیات و کاهش هزینه می‌شوند. استفاده بهینه از منابع و بهره‌وری بهتر منابع از طریق ساده‌سازی ساختار کانال‌های LTE از طریق حذف کانال‌های مرتبط با برنامه‌های نوع non-MTC، امکان‌پذیر شده است. Cat-M1 کانال‌های جدید کنترل و داده را معرفی می‌کند که برای عملکرد MTC با باند باریک بهینه‌تر هستند.

تقویت‌ کانال‌های متمرکز بر MTC: برای مدیریت انتقال اطلاعات کنترلی DL در LTE با باند پهن، PDCCH از اولین سمبل OFDM در یک زیرفریم استفاده می­کند. این به این معناست که کنترل و داده در حوزه زمان در یک زیرفریم است. دستگاه LTE-M با باند باریک قادر به نظارت بر این کانال‌ها نیست. به همین دلیل، این عملکرد توسط یک کانال کنترل جدید به نام کانال کنترل فیزیکی MTC Physical Downlink Control Channel (MPDCCH) جایگزین می‌شود.

این کانال مشابه PDCCH LTE است با افزودن تکرارها و پشتیبانی از جابجایی فرکانسی. MPDCCH برای عملکرد با پهنای باند کمتر است و سیگنال‌های مشترک و خاص دستگاه را حمل می‌کند. این کانال کنترل جدید تا شش RB در حوزه فرکانس و یک زیرفریم در حوزه زمان را پوشش می‌دهد.

کانال‌های فیزیکی Downlink  یعنی(PDSCH و PUSCH) LTE-M با افزودن تکرار و جابجایی فرکانس به همراه Enhanced MTC Physical Downlink Shared Channel و MTC Physical Uplink Shared Channel افزایش می‌یابند. این کانال‌های MTC همراه با کانال‌های کنترل مرتبط مذکور، از برنامه‌های MTC IoT پشتیبانی می‌کنند.

مدیریت ناحیه کنترل: در LTE، تعداد نمادهای OFDM که اندازه ناحیه کنترل را مشخص می­کند، در Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) نشان داده شده و ممکن است هر زیرفریم تغییر یابد. در LTE-M، این اطلاعات به صورت نیمه‌استاتیک در بلوک اطلاعات سیستم نشان داده می‌شود. این اقدام نیاز به دیکد PCFICH برای دستگاه‌های LTE-M را از بین می‌برد.

بازخورد HARQ برای انتقال UL: در LTE، این اطلاعات در (PHICH) قرار دارد. PHICH در LTE-M حذف می‌شود. ارسال مجدد در LTE-M طراحی شده است که به صورت وفقی، آسنکرون و بر اساس زمان­بندی جدید دریافت شده در یک MPDCCH است.

کانال‌های قابل اجرا UL و DL در LTE-M در شکل زیر نشان داده شده‌اند. بدیهی است که نسبت به کانال‌های قدیمی LTE سادگی قابل توجهی وجود دارد.

کاهش هزینه: تغییرات مختلف مرتبط با عملکرد در باند باریک، مکانیسم‌های صرفه­جویی در مصرف انرژی و ساده‌سازی لایه‌ی فیزیکی کاهش هزینه قابل توجه­ای به دنبال دارد. ویژگی‌های اضافی دیگری نیز معرفی شده‌اند تا هزینه دستگاه‌های LTE-M را بیشتر کاهش دهند. این مکانیزم­ها شامل پشتیبانی از حالت انتقال (TM) Transmission Modeکاهش یافته، کاهش تعداد دیکدینگ‌های کور برای کانال کنترل و عدم دریافت همزمان است.

TM ها در LTE به روش‌های مختلف پیکربندی دایورسیتی، مولتیپلکسینگ، پیش-کدینگ و غیره در شرایط چندآنتن انجام می­شود. در LTE، هشت TM پشتیبانی می‌شود. برای LTE-M تنها به چهار حالت TM کاهش می‌یابد: حالت TM 1، 2، 6 و 9. دیکدینگ کور به دیکدینگ یک مجموعه از کاندیداها برای شناسایی اینکه کدام ارسال­ها به دستگاه مربوط به خود است. عدم دریافت همزمان به معنای این است که نیازی به دیکد کردن داده‌های یونیکست و پخشی به صورت همزمان ندارد.

سیگنال‌دهی کارآمدتر: مکانیسم‌های کنترل دسترسی جدید مانند محدودیت گسترده دسترسی، از تقاضای دسترسی دستگاه‌ها در شرایط شلوغ بودن شبکه جلوگیری می­کند. شبکه همچنین می‌تواند از پیجینگ و پیام‌رسانی گروهی برای ارتباط کارآمدتر با چندین دستگاه استفاده کند.

مدیریت بهبودیافته منابع: LTE-M امکان به اشتراک گذاری یک مجموعه بزرگ از دستگاه‌ها را با یک اشتراک فراهم می‌کند. منابع و مدیریت دستگاه می‌تواند یکپارچه‌تر شود. به عنوان مثال، یک گروه از کنتورهای گاز در یک شهر هوشمند می‌توانند جمعیتی را تشکیل دهند که به طور گروهی تأسیس، کنترل و صورتحسابی ‌شوند.

تأکید بر عملیات HD: استاندارد LTE-M، عملیات FDD و TDD را برای پیاده‌سازی‌های LTE-M در هر دو حالت FD و HD به ترتیب در باندهای Paired و Unpaired پشتیبانی می‌کند. عملیات HD به عنوان انتخاب اصلی در بیشتر برنامه‌های LPWAN مورد استفاده قرار می‌گیرد. این عملیات پیچیدگی و هزینه‌ کمتری دارد. این امکان را فراهم می‌کند که دستگاه از یک سوئیچ فرکانس رادیویی ساده به جای یک دوپلکسر کامل استفاده کند. با این حال، عملیات HD منجر به نرخ بیشینه پایین‌تر نسبت به دستگاه‌هایی می‌شود که از عملیات FD پشتیبانی می‌کنند.

استفاده از ساختار اولویت LTE برای کاربردهای LTE-M

یکی از ویژگی‌های ممتاز LTE، ساختار تخصیص اولویت بسیار متنوع و مقاوم برای حامل‌های ترافیک کاربر است. در این ساختار 13 سطح اولویت وجود دارد که از 0.5 (بالاترین) تا 9 (پایین‌ترین) متغیر است و از حامل‌های نرخ بیت تضمین‌شده (GBR) و بدون تضمین نرخ بیت (N-GBR) پشتیبانی می‌کند.

این سطوح اولویت با ترکیب‌های مختلفی از تاخیر بسته و نرخ خطای بسته (PER) مشخص می‌شوند. تاخیر بسته‌ها در بازه 50 تا 300 میلی‌ثانیه است و بازه 2-10 تا 6-10 برای PER در دسترس است. استانداردها پیشنهادهایی برای نگاشت کلاس‌های مختلف برنامه به این سطوح اولویت ارائه می‌دهند، اما اپراتورهای شبکه می‌توانند با توجه به شرایط خود اولویت‌های لازم را اختصاص دهند. این یک پلتفرم قوی و موثر برای مدیریت نیازهای متفاوت کیفیت خدمات (QoS) برای خدمات LPWAN مبتنی بر LTE-M است و یک مزیت منحصر به فرد برای LTE-M ارائه می‌دهد.

چندین کلاس از برنامه‌ها می‌توانند برای استفاده در LTE-M استفاده شوند. PER بهترین مقدار ممکن 6-10 است زیرا صحت داده برای برنامه‌های نوع MTC بسیار مهم است. این مقدار با سه گزینه برای تاخیر بسته  60، 100 و 300 میلی‌ثانیه ترکیب می‌شود.

برنامه‌های MTC1 که ممکن است تاخیر تحمل کنند، مثل گاز. برنامه‌های نوع MTC 3 که ممکن است حساس به تاخیر باشند، به عنوان مثال جراحی روباتیک از راه دور. MTC 2 می‌تواند به برنامه‌هایی مانند شهرهای هوشمند که در میان این دو خصوصیت قرار دارند، اعمال شود.

بهینه‌سازی شبکه هسته تکامل درازمدت (LTE)

تاکنون، امکانات ارائه شده توسط شبکه دسترسی بی‌سیم (RAN) بحث شد. شبکه کلان EPC (Evolved Packet Core) نیز نقش کلیدی در پشتیبانی از برنامه‌های IoT مبتنی بر LTE-M دارد. EPC بهبود یافته است تا امکان ارائه سیگنالینگ (Signaling) و مدیریت بهینه منابع را برای مدیریت حجم قابل توجهی از ترافیک سگنالینگ و کنترل در برنامه‌های MTC (Machine Type Communication) فراهم کند. این امر نیاز به پشتیبانی از تعداد عظیمی از دستگاه‌های متصل در برنامه‌های IoT ایجاد می‌کند. ترافیک MTC نیازهای چالش‌برانگیزتری نسبت به برنامه‌های چندرسانه‌ای صوتی، داده، و تصویر با پهنای باند عریض اعمال می‌کند. بیشتر دستگاه‌های IoT MTC ویژگی‌های داده‌های کوچک و طبیعت ناپیوسته ارسال داده را دارند.

بنابراین، ظرفیت به تنهایی یک مسئله اصلی برای عملیات LTE-M نیست.

یک رویکرد دیگر مربوط به ادغام اجزای مختلف تشکیل دهنده EPC است. این ادغام شامل ادغام MME (Mobility Management Entity)، (SGW) و (PGW) به یک هسته یکپارچه به نام EPC-lite است. انتخاب بین EPC-lite یا EPC از طریق ملاحظات هزینه در مقایسه با عملکرد انجام می‌شود.

LTE-M release sequence 13> 14> 15

هدف اصلی در نسخه‌های 13، 14 و 15، بهبود عمر باتری، تاخیر پیام، و جوانب دیگر عملکردی است. هر دو LTE-M و NB-IoT در نسخه‌های 14 و 15 تکامل یافته‌، قابلیت‌ها و کارآیی بهتری را برای برنامه‌های اینترنت اشیاء (IoT) به ارمغان می‌آورند. امکاناتی مانند مولتی‌کست در یک سلول، موقعیت‌یابی دستگاه و نرخ‌های داده بالاتر برای هر دو LTE-M و NB-IoT قابل اجرا هستند. اما بهبود‌های مرتبط با افزایش کیفیت صدا (VoLTE) تنها برای LTE-M قابل اجرا است. ویژگی گسترش اندازه سلول تنها برای NB-IoT اعمال می‌شود زیرا گسترش پوشش برای NB-IoT اهمیت بیشتری دارد.

امکانات بهبود یافته نسخه 14:

– افزایش Data Throughput، معرفی دستگاه جدید Cat-M2، پشتیبانی از مولتی‌کست، بهبودهای موقعیت‌یابی، بهینه‌سازی صدا، پشتیبانی بهتر از حرکت، و کاهش مصرف انرژی.

– برای دستگاه‌های Cat-M2 CE class A، پهنای باند به 5 مگاهرتز افزایش یافته است در حالی که Cat-M2 CE class B در پهنای باند 1.4 مگاهرتز باقی می‌ماند.

– افزودن باندهای 25 و 40 به Release 14.

– افزایش نرخ داده و کاهش تاخیر با افزایش اندازه بلوک انتقال و فرآیندهای HARQ بیشتر.

– مولتی‌کست تک سلولی برای به‌روزرسانی‌های نرم‌افزاری از طریق هوا و موقعیت‌یابی دستگاه.

– بهبود OTDA برای امکان ارائه خدمات مکان‌یابی به صورت Real Time.

– بهینه‌سازی صدا برای VoLTE برای کمک به دستگاه‌هایی مانند دستبند‌های هوشمند در مد HD.

– پشتیبانی از اندازه‌گیری‌های بین‌فرکانس برای بهبود اجرای Handover.

– کاهش بیشتر مصرف انرژی در زمانی که دستگاه در حالت متصل قرار دارد.

امکانات بهبودی نسخه 15:

– تمرکز بر بهبود تاخیر، کارایی طیفی، و کاهش مصرف انرژی.

– افزایش کارایی طیفی در DL با معرفی مودولاسیون بهتر (64 QAM) و در UL با معرفی تخصیص منابع با Finer-Granularity.

– معرفی ویژگی‌های افزایش کارایی توان مانند سیگنال‌های بیداری، سیگنال‌های هماهنگی جدید، و بازخورد HARQ بهبود یافته.

– پشتیبانی از طیف TDD تا سرعت 200 کیلومتر بر ساعت گسترش یافته است.

 

نتیجه‌گیری:

LTE-M با بهره‌گیری از قابلیت‌های شبکه LTE و بهبودهای کلیدی در نسخه‌های 13 تا 15 استاندارد 3GPP، بستری قدرتمند، مقرون‌به‌صرفه و کم‌مصرف برای اتصال دستگاه‌های IoT فراهم کرده است. پشتیبانی از پوشش عمیق، ارسال تکراری، اولویت‌بندی QoS، و صرفه‌جویی در مصرف باتری، آن را به یکی از فناوری‌های اصلی در حوزه LPWAN و اینترنت اشیاء صنعتی تبدیل کرده است.

 سوالات متداول

LTE-M چیست؟

LTE-M نسخه‌ای بهینه‌سازی شده از LTE برای ارتباطات ماشین به ماشین (MTC) و دستگاه‌های IoT است.

تفاوت اصلی LTE-M با NB-IoT چیست؟

LTE-M نرخ داده بالاتر، پشتیبانی از تماس صوتی (VoLTE) و قابلیت mobility بهتر نسبت به NB-IoT دارد، اما پهنای باند بیشتری نیز نیاز دارد.

LTE-M از چه نسخه‌هایی از 3GPP پشتیبانی می‌کند؟

LTE-M در نسخه‌های 13، 14 و 15 استاندارد 3GPP تعریف و توسعه یافته است.

آیا LTE-M با شبکه‌های LTE فعلی سازگار است؟

بله، LTE-M کاملاً با زیرساخت‌های شبکه LTE فعلی سازگار بوده و نیازی به گیت‌وی جداگانه ندارد.

آیا LTE-M برای کاربردهای صنعتی مناسب است؟

بله، LTE-M با عمر باتری بالا، پوشش گسترده و قابلیت تحمل تأخیر، گزینه‌ای عالی برای صنایع، شهرهای هوشمند و کاربردهای mission-critical است.