DECT NR+：探討非蜂窩5G技術

世界上首個非蜂窩5G技術在2020年獲得ETSI組織標準化，并隨后于2022年被采納為5G標準，最近受到業(yè)界的關注。DECT NR+(或者技術上稱為DECT-2020 NR的標準)是有史以來第一個被納入ITU-R定義5G標準的非蜂窩技術。

DECT NR+標準可能是大規(guī)模部署物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的重要關鍵，它實現(xiàn)了免許可的無線5G網(wǎng)絡，其中的設備使用mesh技術形成網(wǎng)絡來相互連結，且僅僅需要一個外部連接。

本篇博文旨在介紹DECT NR+，包括主要特性和應用領域，以及它與5G的關聯(lián)性、網(wǎng)絡拓撲結構和頻段。然后講述DECT NR+為了成為5G標準而滿足的某些具體要求，包括密度、可擴展性、可靠性和低延遲特性，以及為了達到這些要求而采用的具體技術。

01. 一項5G技術

在過去，DECT技術是數(shù)字增強無線通信(Digital Enhanced Cordless Telecommunications)的縮寫，主要用于無線電話系統(tǒng)。

簡而言之，DECT-2020 NR標準是由ETSI組織開發(fā)的，以滿足ITU-R對5G技術的要求（正式稱為IMT-2020要求）。5G標準為5G技術的服務定義了三個獨立用例：

• 增強型移動寬帶（eMBB）—— 與前幾代移動網(wǎng)絡相比，eMBB側重于提供更快的數(shù)據(jù)速率和更大的網(wǎng)絡容量。
• 大規(guī)模機器類型通信（mMTC）—— mMTC旨在連接大量的低功耗設備和傳感器，側重于低功耗、高密度和可擴展性。
• 超可靠低延遲通信（URLLC） —— URLLC旨在為需要實時響應和關鍵任務可靠性的關鍵通信和應用提供極低延遲和超高可靠性。

DECT NR+可以同時滿足mMTC和URLLC要求，Nordic Semiconductor正在與解決方案合作伙伴Wirepas一起開發(fā)基于nRF91系列硬件的DECT NR+商業(yè)解決方案。我們的DECT NR+產(chǎn)品針對mMTC市場。

02. 網(wǎng)絡拓撲結構和術語

DECT NR+支持點對點、星形和mesh拓撲結構。值得注意的是，這里所說的mesh拓撲是一種不完全的mesh拓撲，稱為簇樹拓撲。這意味著設備會被分組成幾個獨立的樹，稱為簇。簇樹拓撲是一種包含分支的星形拓撲。所有簇連接起來形成mesh網(wǎng)絡，也就是前面所說的不完全的mesh，因為并非所有的節(jié)點都像在完全mesh拓撲中那樣相互連接。

DECT NR+節(jié)點的角色可以是匯聚節(jié)點、中繼節(jié)點或葉子節(jié)點。匯聚節(jié)點是接入互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關，它選擇工作頻率，并發(fā)起信標幀傳輸，這表明它具有通往外部世界的路由。網(wǎng)絡可以有多個匯聚節(jié)點與外部連接。中繼節(jié)點通過將信息路由傳送到其他簇和自身簇中的葉子設備來擴展網(wǎng)絡。葉子節(jié)點是網(wǎng)絡的最外層節(jié)點，僅能發(fā)送數(shù)據(jù)。

在點對點和星形拓撲結構中，具有互聯(lián)網(wǎng)回程的節(jié)點被定義為匯聚節(jié)點，所有其他節(jié)點被定義為與匯聚節(jié)點相連的葉子節(jié)點。

mesh拓撲結構的情況更加復雜一些。該機制能夠根據(jù)網(wǎng)絡的需要自主地分配設備角色，支持網(wǎng)絡拓撲的"自組織"和"自修復"，并能解決高流量情況下的擁塞問題。每個設備都根據(jù)通往匯聚節(jié)點的可用路由來單獨決定下一跳，這意味著簇樹是自主形成的。上圖顯示了一個DECT NR+ mesh網(wǎng)絡示例，其中有一個匯聚節(jié)點和三個簇，在三個不同的頻率信道上運行。注意，在簇3中，中繼節(jié)點不一定需要轉發(fā)數(shù)據(jù)——節(jié)點的角色只是表明它們具備這樣的功能。

03. 頻段

作為一項DECT技術，DECT NR+可以使用免許可的1.9 GHz DECT頻段，該頻段是全球范圍專用的，除了少數(shù)地區(qū)（中國、印度、日本）之外，DECT論壇正在努力擴大使用范圍。

• 1880 MHz至1900 MHz | 歐洲、南非、亞洲大部分地區(qū)、中國香港、澳大利亞和新西蘭
• 1786 MHz至1892 MHz | 韓國
• 1880 MHz 至 1895 MHz | 中國臺灣
• 1893 MHz至1906 MHz | 日本，正在討論中
• 1910 MHz 至1920 MHz | 巴西
• 1910 MHz 至 1930 MHz | 拉丁美洲，不包括巴西
• 1920 MHz 至 1930 MHz | 美國和加拿大
• 1880 MHz 至 1930 MHz | 印度 – 目前僅有傳統(tǒng)DECT，DECT NR+尚未批準

這樣客戶可以在全球范圍部署單一產(chǎn)品，而不需要進行頻率規(guī)劃。

DECT NR+能夠在DECT頻段上與經(jīng)典DECT共存。由于DECT NR+是為共存而制定的，因此也可以使用ISM頻段。事實上，該標準支持從450MHz到6GHz的多個許可和非許可頻段。Nordic解決方案首先支持經(jīng)典DECT頻段。

04. 大規(guī)模機器類型通信（mMTC）

如前所述，mMTC可以滿足連接大量低功耗設備和傳感器的需求。這與智慧城市、農業(yè)、制造業(yè)和醫(yī)療保健等多個領域相關。滿足ITU-R規(guī)定用例要求的技術必須支持數(shù)項特性，包括：

• 高密度（每平方公里100萬個設備）
• 長電池使用壽命
• 異步訪問

DECT NR+實現(xiàn)了高度可擴展的密集網(wǎng)絡，這部分歸功于該技術的自主性和分散性。DECT NR+ IDs結構也提升了高密度網(wǎng)絡的能力。網(wǎng)絡ID（32位）可實現(xiàn)1.67億個獨特的全球網(wǎng)絡，并且在同一無線電區(qū)域內實現(xiàn)256個重疊網(wǎng)絡。無線電設備ID（48位）則能夠在單個網(wǎng)絡中實現(xiàn)40億個獨立的無線電設備，并且在無線電通信距離范圍內實現(xiàn)6.5萬個設備。

DECT NR+重新使用了蜂窩世界的許多已知技術，例如，結合使用循環(huán)前綴正交頻分復用（CP-OFDM）技術與頻分多址（FDMA）和時分多址（TDMA）操作，這些本質上都是充分利用可用帶寬的技術。

下面的圖片在頂部顯示經(jīng)典信道劃分，說明了這一點。當采用OFDM時，信道劃分可以重疊，從而節(jié)省大量的帶寬。在標準中由此產(chǎn)生的標稱帶寬可從1.728兆赫擴展到221.184兆赫（對于已經(jīng)熟悉OFDM的人來說，還可以擴展子載波的間距）。這使得DECT NR+能夠使用最小的帶寬，實現(xiàn)可靠性更高的數(shù)據(jù)傳輸，并提高數(shù)據(jù)速率。

設備還具有自主的動態(tài)傳輸功率控制功能，范圍從-40 dBm到+23 dBm不等，以限制密集網(wǎng)絡中的串音現(xiàn)象，并實現(xiàn)低功耗。如果對話的對象就在旁邊，根本不需要大聲呼叫。

DECT NR+具有獨特的省電功能集以滿足延長電池使用壽命的要求。由于中繼設備管理集群中的無線電使用，它們可以告訴葉子節(jié)點何時使用中繼設備進行上行數(shù)據(jù)轉發(fā)，從而允許中繼設備在這段時間之外進入休眠。中繼設備在信標信息中向葉子節(jié)點發(fā)出提示，告訴葉子節(jié)點何時必須監(jiān)聽下行鏈路數(shù)據(jù)。葉子節(jié)點僅需要監(jiān)聽信標信息，其信標周期從10ms到32s不等。這使得網(wǎng)絡可以在極低延遲或允許設備休眠以節(jié)省電力之間進行選擇。

另一點需要注意的是，DECT NR+在無線協(xié)議棧層面定義了許多核心功能，如路由和重傳數(shù)據(jù)包。這使得多核系統(tǒng)能夠在不需要喚醒其他核的情況下，僅使用網(wǎng)絡核進行可靠的無線電通信，從而節(jié)省了設備用電。

05. 超可靠低延遲通信(URLLC)

讓我們看看DECT NR+如何滿足這些要求。針對可靠性，NR+物理層采用稱作混合自動重傳請求（HARQ）的方法。不需要涉及太多的細節(jié)，HARQ結合了前向糾錯和自動重傳請求錯誤控制，以改善數(shù)據(jù)包及時、按順序到達的可靠性。如果沒有收到完整的數(shù)據(jù)包，接收器仍然會緩沖接收的內容，并通知發(fā)送器傳送其余的數(shù)據(jù)。然后，HARQ處理將分開的傳輸內容合并為完整的數(shù)據(jù)包。這種組合是在物理層處理的，所以較高的協(xié)議層無需擔心重傳問題，這也節(jié)省了資源。

• 超高可靠性（超過99.99%數(shù)據(jù)包交付率）
• 端至端低延遲（應用層<50ms，無線電接口<1ms）

中繼節(jié)點還可以掃描頻率信道，以最大限度地減少干擾。即使在高密度網(wǎng)絡中，它們也可以指示其他集群內節(jié)點改變信道，以優(yōu)化干擾規(guī)避，從而實現(xiàn)高可靠性和低延遲。

關于超低延遲要求，需要考慮數(shù)個事項。首先，DECT NR+在同一個10 ms無線電幀內支持多個接收和傳輸事件。該幀中有 24 個用于傳輸?shù)臅r隙。這是因為模式轉換所需的時間非常短，即從接收模式轉換到傳輸模式所需的時間很短。這使得DECT NR+能夠滿足URLLC對單鏈路無線電層延遲小于1ms的要求。在mesh拓撲結構中，無線電鏈路也能夠以低延遲運行，以最小化網(wǎng)絡中的端到端延遲。

結論

自2020年標準化以來，DECT NR+已經(jīng)吸引了業(yè)界的廣泛關注。它是第一個被納入5G標準的非蜂窩技術，同時用于mMTC和URLLC用例。在本篇博文中，我們探討了DECT NR+需要滿足哪些具體要求以符合這個資質，以及實現(xiàn)這一要求的基礎技術和功能。

近期，Nordic拓展其無線產(chǎn)品組合，推出了用于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)和DECT NR+設施的全新SiP產(chǎn)品。這一全新端至端蜂窩物聯(lián)網(wǎng)解決方案nRF91系列SiP包括三款nRF91系列SiP（其中有兩個新器件nRF9161?和 nRF9131?）、評測和開發(fā)工具、開發(fā)軟件、nRFCloud服務和技術支持。Nordic致力于為物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)提供完備的設計和部署解決方案。

Nordic設計、支持和提供的芯片組、模塊、軟件和服務，帶來了易用性、穩(wěn)定性和成本效率。這是首次由一家企業(yè)提供全方面的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)解決方案。