UE喚醒時，必須先與時間、頻率及基站參數同步才能接收資料。本文的主要重點為UE的初始蜂巢網搜尋，此時的載波頻率不確定性的範圍非常高。此流程是NB-IoT中最耗能的流程之一，因為需要UE持續啟動Rx射頻(RF)鏈及不斷處理輸入樣本，直到同步階段完成為止。
本文的目標讀者為期望拓展關於執行同步創新方法新知的通訊及訊號處理工程師，以及有志於NB-IoT通訊系統的工程師。本文亦提出同步程序，以強化NB-IoT在UE喚醒時的主要同步程序性能。此新程序能讓UE以相對低的偵測延遲評估傳輸的NB-IoT訊號正時及頻率，即使在非常艱困的都會環境亦然；此程序是發展用在CEVA-X核心系列進行高效率執行。
本文分為上下兩篇，上篇主要探討不同的已知同步程序、討論其優缺點；下篇則針對DSP架構實作提出能加強運用窄頻主要同步訊號(NPSS)結構的新同步程序。
物聯網(IoT)是快速成長的市場，並以機器類通訊為基礎，且只需最低的人力監控。Ericsson預測2021年將有大約280億台具備IoT功能的裝置，其中超過150億台將屬於機器對機器類型及消費者電子裝置。Cisco預估從2015年到2020年，機器對機器連線的年度成長率將為38%。
NB-IoT獨到優勢攻物聯網市場
在廣泛領域範圍內，近期這類步調快速的技術發展對提供機器類通訊的簡易可靠連線解決方案產生急迫的需求，如感測器、儀表、智慧電網、監控及安全性等等。然而，由於IoT市場的需求與基地台市場的需求不同(例如低複雜性及耐用性)，故稱為NB-IoT的新式無線存取技術應運而生。此技術最近由第三代合作夥伴計畫(3GPP)在第13版中推出。
NB-IoT技術具有適合IoT市場的許多優勢，例如降低裝置複雜性、延伸覆蓋範圍、增加電池壽命及低成本。此外，NB-IoT僅使用一小部分的可用頻譜，因而能與LTE及UMTS其他通訊訊號同時進行傳輸。NB-IoT的主要設計為適用於超低階IoT應用。
NB-IoT需要的最低頻寬為180kHz，等於LTE物理資源區塊(PRB)的最小大小，可部署於下列情境(視可用頻譜而定)：
1.獨立部署
2.現有LTE/UMTS頻譜的保護載波(保護波段部署)
3.LTE載波內部，取代其中一個波內部署(PRB)
在以上所有可能的部署情況中，LTE系統與NB-IoT間的資源衝突需要在各子訊框開始時使用下行控制頻道來處理衝突。若採用波內部署，則必須在分配NB-IoT系統的資源前，在每個子訊框插入額外的蜂巢網專用參考訊號(CRS)。
NB-IoT會重複使用大部分的LTE設計，例如在下行方向使用正交分頻調變(OFDM)，以及在上行方向使用單一載頻分頻多重存取(SC-FDMA)，另外也會使用頻道編碼、速率匹配及交錯，因此可與LTE頻譜同時部署。而且，NB-IoT也承襲了舊版LTE的變更，如同步訊號、廣播頻道及控制頻道，因此其設計能提供良好性能並與舊版LTE共存。
NB-IoT設計有挑戰
NB-IoT採專門設計以支援物聯網裝置間的M2M通訊。因此，此通訊技術必須解決下列挑戰：
1.低訊號雜訊比(SNR)和困難頻道
IoT裝置可能置放於室內深處的位置(如地窖及地下室)或都會環境(如智慧城市)，進而導致低SNR和多徑衰弱傳播的頻道。
若要因應這類型的環境及/或SNR問題，NB-IoT通訊頻道必須包含極為耐用的訊號處理方法，並且需在設計上能耐受非常低的SNR(如-12.6dB)。
2.頻率偏移
NB-IoT預定用於可從周圍區域的基站接收資訊的超低價UE裝置。這類UE通常配備低價振盪器，可能會因其最高百萬分之20ppm的有限穩定性以及頻率柵格(100kHz柵格)的額外±7.5kHz，進而引發初始載波頻率偏差(CFO)。
3.低偵測延遲
UE RF鏈開啟及啟用的時段稱為RF-ON，包括放大器、類比轉數位轉換器(ADC)及數位前端(DFE)。RF-ON階段非常耗能；為了延長電池使用壽命，我們的目標是藉由縮短NPSS的偵測時間(需要常態性處理輸入)以將其降到最低。
4.複雜性
IoT裝置可能會設置於無可靠電源供應的位置，或是不容易更換電池。因此，裝置的壽命通常取決於其電池耗電量。超低價UE裝置的處理功率有限，因此NB-IoT訊號處理演算法必須能輕易實作且具備低取樣率。
NB-IoT初始同步有訣竅
IoT UE裝置大部分時間預期處於休眠狀態。開啟電源時，UE必須進行下列各項設定工作：
1.將載波頻率與基站的載波頻率校準，以低位元錯誤率接收資料。基站會每10 msec以重複結構(又稱為無線訊框)傳輸資訊，另外，UE則必須偵測到無線訊框的開頭以在正確時間擷取資料。這代表了UE必須與基站(eNodeB)執行時間和頻率同步才能夠傳輸和接收資料。在此篇文章中，此同步流程稱為主要同步流程。
2.完成第一步驟後，UE必須擷取其他資料，如基站蜂巢網ID及無線訊框80 msec邊界。在本文中，此同步流程稱為次要同步流程。
3.偵測到必要的系統組態後，蜂巢網同步流程即完成，UE會開始解碼控制頻道(NPBCH、NPDCCH)及資料頻道(NPDSCH)。
NB-IoT無線訊框係由10個子訊框組成，各子訊框皆有1msec的時段。子訊框含有14個OFDM符號。前三個符號用於舊版LTE的控制頻道，並假設不用於NB-IoT傳輸。
同步程序的目的為根據窄頻主要及次要訊號(NPSS及NSSS)估算系統參數；主要及次要訊號會分別每1及2個無線訊框重複一次。主要同步程序會嘗試偵測無線訊框窗段內的NPSS，因而UE需要持續接收資料，直到找出此訊號為止。
UE RF鏈開啟及啟用的時段稱為RF-ON，包括放大器、類比轉數位轉換器(ADC)及數位前端(DFE)。RF-ON階段非常耗能，我們的目標是藉由縮短NPSS的偵測時間以將其降到最低。
NPSS/NSSS部署有訣竅
NB-IoT物理通道大多數是以舊版LTE為基礎，但同步訊號已經全盤重新設計，以能在LTE載波內部及鄰近採用不同的部署方式。舊版LTE系統的同步訊號如下：
1.主要同步訊號(PSS)用於訊框正時及頻率估算，另外也納入蜂巢網身分偵測(NID2)內。
2.次要同步訊號(SSS)保留蜂巢網身分(NID1)的補充部分，並用於CP偵測及雙工模式判定(FDD/TDD)。
但是，NB-IoT系統的窄頻同步訊號是由多個OFDM訊號組成，其占用的頻寬與LTE不同(180kHz與1.08MHz)：
1.窄頻PSS(NPSS)會取得訊框正時及載波頻率的估算值。
2.窄頻SSS(NSSS)會在80msec窗段內取得蜂巢網身分及訊框邊界，然後啟用蜂巢網追蹤。
同步訊號會占用180kHz的頻寬。NPSS位於每個無線訊框的第六個子訊框，NSSS則位於每個偶數無線訊框的第十個子訊框，如圖1所示。NPSS會在第六個子訊框每10msec傳輸一次(圖2)。NPSS由子訊框內的後11個OFDM符號組成(前三個符號保留給舊版LTE控制區)，並使用分配到的PRB前11個子載波(共12個)。若為波內部署，則NPSS會由CRS穿刺。
為了有效實作及取得良好的同步表現，NB-IoT採用預先判定的偽隨機碼做為OFDM正負符號的記號，如表1所列。
由於UE已知NPSS，因而能用於同步流程。另外，也有鑒於傳輸訊號正時及頻率的高度不確定性，所以NPSS偵測是UE執行的過程中，最為消耗運算資源的作業之一。
在偶數編號的無線訊框索引中，NSSS會在第十個子訊框每20msec傳輸一次。NSSS是由子訊框內的後11個OFDM符號組成(前三個符號保留給舊版LTE控制區)，並使用分配到的PRB所有12個子載波(圖3)。
NSSS是由總計132個頻域項目所組成(即11個OFDM符號中的12個子載波)，其數值是以長度-131 ZC順序為基礎，且ZC順序的根是以基站的蜂巢網ID為基礎。NSSS是根據80msec邊界的系統訊框編號(SFN)為基礎，透過ZC順序與二進位碼之間的項目式乘法產生。
UE藉由蜂巢網ID及無線訊框索引可以得知NSSS，亦即可將其用在判定蜂巢網 ID和無線訊框索引。只有當時間及頻率同步完成後，UE才會偵測到這些參數，否則即必須解決四維估算問題。蜂巢網ID及SFN是UE作業及資料擷取的必要資訊。
時間及頻率估算完成，以及偵測到蜂巢網ID和無線訊框邊界後，UE即可開始解碼控制頻道(NPBCH、NPDCCH)及資料頻道(NPDSCH)。
