DECT NR+指南：非蜂巢式5G無線協議
作者 : Mark Patrick，貿澤電子
隨著IoT和IIoT部署規模不斷擴大，對可靠、低延遲和低功耗無線通訊需求變得及其緊要。DECT NR+具有蜂巢級安全性和可靠性，已經做好準備能夠滿足其他短程無線協議無法滿足的要求。
我們生活在一個互連世界，會不斷給朋友發訊息，瞭解全球各地新聞，遠端控制家用電器或與同事一起合作，無論他們身在何處。物聯網(IoT)和工業物聯網(IIoT)出現將先進技術帶入我們家庭、汽車和工廠，這其中大部份都嚴重仰賴無線通訊。Wi-Fi、藍牙和3G/4G/5G蜂巢式通訊是我們非常熟悉的術語。還有一些其他不太熟悉的無線技術，如超寬頻(UWB)、LoRa、Sigfox和ISM等，也同樣是重要通訊手段。
本文將介紹一種全新無線通訊協議，即數位增強無線通訊(DECT) New Radio plus (NR+)，該協議有望解決現有通訊方法許多局限，填補超可靠、低延遲、遠距離通訊空白。
支援現代社會的無線通訊
無線通訊無時不刻在我們周圍，也許就像電源插座上的電力和管道中的水一樣，我們可能會想當然地認為無線通訊理應存在。過去幾十年來，我們對無線通訊，特別是無線資料通訊的依賴顯著增加。當坐在辦公室寫這篇文章時，我數了一下並發現至少有八個無線連接裝置：筆記型電腦、外接鍵盤、觸控板、麥克風、智慧型手機、頭戴式耳機、智慧手錶和影印機。我們不需要知道它們使用什麼無線協議，或者如何運作，只要能夠可靠操作就足矣。在家裡和車內的情況也是如此。同樣地，在工廠、零售店和管道網路都仰賴持續可用和可靠的無線資料通訊。
未來我們會發現更多應用將受益於自動化，尤其是基於IIoT應用，對無線通訊需求也會不斷演變。如果我們深入研究無線資料協議技術細節，就會發現其中許多協議都經過了最佳化，以適應特定應用案例，而不是全能型技術。縱觀有線資料網路發展，你會發現許多類似技術。在過去40年中，乙太網路等產業重量級技術取得了顯著進步，如今典型乙太網路部署已經達到10Gbps傳送速率，比最初版本快1,000倍。但重要的不僅僅是速度，延遲、資料封包成本和功耗等都是決定協議是否滿足要求，以及能否最終成功之關鍵因素。無線資料通訊也是如此。
為IoT和IIoT選擇無線協議
在我們探索全新DECT NR+無線協議技術層面之前，首先快速回顧一下選擇無線協議時一些基本考量因素。
傳送速率：資料傳輸速度(通常以Mbps或Gbps度量)至關重要。在最短時間內傳輸大量資料對許多應用都非常重要。然而，有一些應用案例並不需要高速度。例如，一個簡單的IoT溫度感測器每分鐘只發送幾個位元的中繼資料。Wi-Fi技術已經有了長足進步，Wi-Fi 6有望達到Gigabit (GB)速度，幾乎與乙太網路相媲美。相較之下，4G蜂巢下載資料速度通常達到30Mbps。5G部署正在進行，但早期測試表明，可能實現速度是150Mbps。低速度無線候選技術包括1Mbps的藍牙、最高27kbps的LoRa和127kbps的蜂巢NB-IoT。
延遲：延遲表示訊號到達目的地以及在原發站接收到確認所需時間，通常量測往返行程。延遲可能成為高速通訊限制因素，因為等待資料封包確認會降低輸送量，還會嚴重影響需要確定性和可預測回應時間的即時應用。低延遲對於工業自動化系統至關重要，這也是5G部署所要實現的關鍵目標。5G有望顯著改善蜂巢延遲，平均時間為5ms，而4G平均時間為80ms。延遲還取決於主機系統回應。受延遲影響較大的其他應用包括線上遊戲和音訊/視訊流傳輸等。
距離範圍：無線通訊有效範圍變化很大。在家庭和商務場所，牆壁和地板會衰減無線訊號，從而將大多數Wi-Fi通訊限制在數公尺距離內。戶外有效範圍則受地形、植物和樹木等影響，在非常高頻率下，還會受到降水影響。圖1給出本文中提到的幾種流行無線協議主要特徵。
圖1：幾種流行無線協議的關鍵屬性。(來源：Mouser Electronics)
功耗：功耗是一個重要考量因素，尤其是對於電池供電嵌入式系統。無線收發器啟動和維持可靠鏈路都會消耗一定電流，顯著影響電池壽命，這是許多消費者關注的重要問題。例如，儘管Wi-Fi速度很快，但它消耗了相當多功率，這也表明在某些應用中需要其他低功率協議。
拓撲架構：流行拓撲架構包括星形(蜂巢、Wi-Fi、LoRa)和網狀(藍牙)連接，也存在一些專用直接點對點(P2P)無線鏈路。
在更深層技術層面上，無線協議還設置了資料封包大小。它定義了鏈路級「交握」、糾錯方法(如果實施)以及資料前向封包轉發。對於IoT和IIoT應用，穩健、彈性和可靠無線鏈路性能至關重要。
用於大規模IIoT部署的DECT NR+ URLLC
國際電信聯盟(ITU)與歐洲電信標準協會(ETSI)最近批准了DECT-2020新無線電(NR)+標準，並將它作為5G標準一部份。DECT論壇，無線電話DECT標準創建者開發了DECT NR+。但它並不起源於無線標準。DECT NR+規格能夠滿足大規模、超可靠、低延遲IoT和IIoT部署需求，例如智慧城市、智慧計量、工業4.0和專業音訊串流(如體育場館和大型會議場所)等應用。
相較於5G，DECT NR+並不是一種蜂巢式標準，但基於其超可靠、低延遲通訊(URLLC)和大規模機器類型通訊(mMTC)能力，依照5G國際行動電信(IMT-2020)標準獲得了ITU-R 5G批准。圖2顯示基於IMT-2020標準的URLLC、mMTC和增強型行動寬頻(eMBB)等DECT NR+用例類型。
圖2：5G IMT-2020金三角應用案例示意圖。(來源：Nordic Semiconductor)
DECT NR+主要特性包括：
- 在全球可用9GHz免授權無線頻譜中運作(目前中國除外)，因而具有開發單一版本產品而非針對不同區域提供產品變體巨大潛力，從而節省大量生產和審核成本。DECT NR+能夠與已經使用1.9GHz頻段的傳統無線DECT裝置共存。
- 包括星形、網狀和P2P等多種拓撲架構功能，具有自組織和自我修復網路功能。
- 低至1ms極低延遲，因而可能首次在許多應用中實現無線通訊。
- 基於在協議堆疊中發生率較低的前向糾錯(FEC)和混合自動重傳請求(HARQ)等經過驗證的蜂巢技術，可靠性優於99%，從而避免更高層級的重傳管理。
- 使用AES和CCM安全最佳實踐。
- 巨大可擴展性，多達40億個節點和1600萬個網路。
- 採用高效通道編碼和先進調變技術的正交頻分多工(OFDM)調變。
- 非蜂巢網路方法，允許客戶創建私人網路，而無需存取基地台或服務供應商基礎設施。
- 適用於大規模部署，有效距離1千公尺，最大資料速度為9Gbps。
- 無需訂閱或SIM卡。
圖3比較DECT NR+與其他常見的短距離無線協議。
圖3：DECT NR+與其它流行無線通訊技術比較。(來源：Mouser Electronics)
NR+協議疊實體層(PHY)支援OFDM訊號雙相移鍵控(BPSK)、四相移鍵控(QPSK)和正交振幅調變(QAM)(參見圖4)。DECT NR+規範在最高9Gbps速度下支援高達1024QAM。依照具體應用要求降低資料速度將最佳化低功率嵌入式應用功耗。
圖4：DECT NR+可用實體資料通道調變I/Q方法。(來源：Nordic Semiconductor)
PHY層另一個特點是HARQ糾錯技術(參見圖5)。在PHY內執行重新發送不再需要應用層提供該功能，並允許八個併發HARQ過程。由於提高可靠性得重新發送出現在PHY層，因此重新傳輸延遲小於417μs。
圖5：PHY中HARQ提高可靠性，具有最小延遲，並節省應用層資源。(來源：Nordic Semiconductor)
Nordic Semiconductor率先宣佈支援DECT NR+協議，將於2023年推出低功耗nRF91 DECT NR+無線收發器、參考設計和評估平台。基於現有市場成功的nRF91蜂巢(LTE和NB-IoT)系統，Nordic與物聯網軟體供應商Wirepas合作，在nRF91上整合Wirepas Mesh Connectivity Suite。
DECT NR+填補大規模、超可靠、低延遲無線通訊空白
隨著IoT和IIoT部署規模不斷擴大，對可靠、低延遲和低功耗無線通訊需求變得及其緊要。DECT NR+具有蜂巢級安全性和可靠性，已經做好準備能夠滿足其他短程無線協議無法滿足的要求。
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