深析蜂窩物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)NB-IoT及eMTC演進之路

中國信息通信研究院泰爾終端實驗室|宋愛慧 趙慧麟 孫向前

eMTC和NB-IoT各有所長，適用于不同的應(yīng)用場景。eMTC支持語音和切換，速率相對較高，適合高可靠和時延敏感型業(yè)務(wù)；NBIoT的特點在于更深的覆蓋，更低的功耗和成本，適合低功耗、深度覆蓋、對時延不敏感的業(yè)務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)革命性發(fā)展。移動通信正在從人和人的連接向人與物以及物與物的連接邁進。全球移動終端連接數(shù)的增長率，從2013年開始，就在3%～5%之間徘徊。全球移動用戶數(shù)在2017年底達到了78.56億，用戶滲透率已達103.44%，用戶數(shù)已經(jīng)飽和。蜂窩M2M連接數(shù)目的增長率近幾年平均在30%左右。中國的蜂窩物聯(lián)連接數(shù)增長率連續(xù)幾年超過了全球的平均增長率（見圖1、圖2）。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)雖然目前占比較小，但是增速非?？捎^，因此蜂窩物聯(lián)網(wǎng)獲得了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。

隨著移動寬帶時代的到來，公眾電信服務(wù)越來越趨于飽和，對運營商來說，需要找到新的增長點，而LPWA（低功耗廣覆蓋）物聯(lián)網(wǎng)市場就是一個潛在的巨大市場。

圖1 蜂窩M2M連接數(shù)(數(shù)據(jù)來源：GSMA Database)

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)總體情況

在技術(shù)標準方面，3GPP在R13引入了支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的兩大特色技術(shù)NBIoT和eMTC，為了降低功耗引入了eDRX技術(shù)，更好地支持小數(shù)據(jù)包引入了CIoT信令優(yōu)化流程；R14、R15中則對NB-IoT和eMTC技術(shù)持續(xù)進行了增強。

NB-IoT標準項目于2015年9月在3GPP正式立項，2016年6月完成了核心規(guī)范。NB-IoT目前只支持FDD半雙工工作方式，可以采用In-band、Guard band、Standalone這3種部署方式，終端射頻帶寬僅有200kHz，引入了20dBm的新UE功率等級。NB-IoT最突出的是低功耗、低成本、廣覆蓋、大連接這四大特性。低功耗主要靠PSM和eDRX以及CP/UP模式的信令流程優(yōu)化。20dB的覆蓋增益主要通過靈活的上下行重傳機制，以及上行引入了Single tone的概念，子載波帶寬最低可為3.75kHz，從而進一步降低發(fā)射機帶寬，提升功率譜密度。低成本主要得益于在工作帶寬、雙工方式、天線、功能等各方面進行了最大程度的簡化。

eMTC標準項目于2014年9月在3GPP立項，2016年3月完成了核心規(guī)范。eMTC可支持各種雙工方式（FDD半雙工、FDD全雙工、TDD），eTMC終端射頻帶寬為1.4MHz，可以在LTE小區(qū)內(nèi)和其他LTE終端頻率復(fù)用。如果NB-IoT是為低功耗、低成本、廣覆蓋專門定制的一個比較新的系統(tǒng)和技術(shù)，那么eMTC則盡可能繼承了LTE的原有特性和工作流程，但是為了降低終端復(fù)雜度，將終端的基帶工作帶寬限制在6個PRB以內(nèi)，通過重傳技術(shù)實現(xiàn)覆蓋增強，通過簡化物理信道、減少支持的MIMO傳輸模式種類，降低終端復(fù)雜度。eMTC也支持PSM和eDRX節(jié)電技術(shù)，但是有些具體參數(shù)和NB-IoT不同，比如睡眠周期NB-IoT可以設(shè)置得更長?；诮K端的能力，eMTC也可支持CIoT的CP和UP方案。

圖2 中國蜂窩M2M連接數(shù)占全球比例 (數(shù)據(jù)來源：GSMA Database)

對比NB-IoT和eMTC這兩種技術(shù)，eMTC最大的特點是支持語音和切換，速率相對較高，適合高可靠和時延敏感型業(yè)務(wù)；NB-IoT的特點在于更深的覆蓋，更低的功耗和成本，適合低功耗、深度覆蓋、對時延不敏感的業(yè)務(wù)。R14 版本的NBIoT依然不支持語音，速率依然在百kbit/s數(shù)量級?？傮w上可以說eMTC和NB-IoT各有所長，適用于不同的應(yīng)用場景。

圖3 定位功能

NB-IoT增強技術(shù)

為了滿足更多的應(yīng)用場景和市場需求，3GPP在R14中對NB-IoT進行了一系列增強并于2017年6月完成了核心規(guī)范。增強技術(shù)包括增加了多播和定位功能，提供更高的數(shù)據(jù)速率，在非錨點載波上進行尋呼和隨機接入，增強連接態(tài)的移動性，支持更低UE功率等級。

● 多播功能

為了更有效地支持消息群發(fā)、軟件升級等功能，NB-IoT增強引入了多播技術(shù)。多播技術(shù)基于LTE的SC-PTM，在SIB20-NB中包含SC-MCCH的配置信息，SCMCCH中包含SC-MTCHs的配置信息，終端通過SC-MTCH接收群發(fā)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。為了降低復(fù)雜度，NB-IoT終端僅在RRC_IDLE態(tài)進行SC-PTM接收。

● 定位功能

定位服務(wù)是物聯(lián)網(wǎng)諸多業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)需求，基于位置信息可以衍生出很多增值服務(wù)如圖3。NB-IoT增強引入了OTDOA和E-CID定位技術(shù)。終端可以向網(wǎng)絡(luò)上報其支持的定位技術(shù)，包括基于OTDOA、A-GNSS、E-CID、WLAN和藍牙等定位技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)終端的能力和當(dāng)下的無線環(huán)境，選擇合適的定位技術(shù)。

● 數(shù)據(jù)速率提升

R14中引入了新的能力能級UE Category NB2，Cat NB2 UE支持的最大傳輸塊上下行都提高到2536比特，一個非錨點載波的上下行峰值速率可提高到140/125 kbit/s。

● 非錨點載波增強

為了獲得更好的負載均衡，R14中增加了在非錨點載波上進行尋呼和隨機接入的功能，R14的NB-IoT終端必須支持非錨點載波上的PRACH和尋呼。這樣網(wǎng)絡(luò)可以更好地支持大連接，減少隨機接入沖突概率。

● 移動性增強

R14中NB-IoT控制面CIoT EPS優(yōu)化方案引入了RRC連接重建和S1 eNB Relocation Indication流程。RRC連接重建時，原基站可以通過S1 eNB Relocation Indication流程把沒有下發(fā)的NAS數(shù)據(jù)還給MME，MME再通過新基站下發(fā)給UE。用戶面CIoT EPS優(yōu)化方案在無線鏈路失敗時，使用LTE原有切換流程中的數(shù)據(jù)前傳功能。

● 更低UE功率等級

R14在原有23/20dBm功率等級的基礎(chǔ)上，引入了14dBm的UE功率等級。這樣可以滿足一些無需深度覆蓋但是需要小容量電池的應(yīng)用場景。

R14的NB-IoT增強技術(shù)，在2017年6月份完成了核心規(guī)范，2017年底完成了性能規(guī)范。3GPP在R15中對NB-IoT進行了進一步增強，支持TDD工作模式，并在降低時延、降低功耗、提高測量精度、提高NPRACH檢測精度、減少小區(qū)搜索時間、接入控制等方面進行了增強。該項標準化工作計劃在2018年6月完成核心規(guī)范，2018年底完成性能規(guī)范。

eMTC增強技術(shù)

R13中引入的eMTC主要包括支持覆蓋增強模式、擴展非連續(xù)接收、降低終端復(fù)雜度等關(guān)鍵技術(shù)。為了更好地支持日益豐富的應(yīng)用場景，R14中對eMTC從多播、數(shù)據(jù)速率、定位、VoLTE和移動性等方面進行了增強。

● 多播功能

為了支持消息群發(fā)、批量終端固件軟件升級等應(yīng)用場景，eTMC增強引入了基于SC-PTM的多播技術(shù)。和LTE類似，SIB20包含了SC-MCCH的配置信息，SCMCCH中包含了最多128個SC-MTCH的信息。每條SC-MTCH可以通過配置來選擇在1.4MH在帶寬下支持1Mbit/s的速率，或者在5MHz的帶寬下支持4Mbit/s的速率。為了保持終端的低復(fù)雜度，UE僅需在RRC_IDLE態(tài)接收SC-PTM，并且不要求終端同時處理SC-MCCH和SC-MTCH，在尋呼和隨機接入的時候也不需要終端處理SC-PTM傳輸；MT呼叫和MO信令都比MBMS接收的優(yōu)先級高，終端接收MBMS服務(wù)時應(yīng)具備來電通知的能力，終端也可以選擇因主動發(fā)起呼叫而暫停MBMS接收。

● 定位增強

定位增強技術(shù)主要包括增加定位相關(guān)測量的性能要求，增加PRS（定位參考信號）個數(shù)，縮小PRS間隔和增加PRS傳輸持續(xù)長度三個方面。R13已經(jīng)支持基于E-CID和OTDOA的定位所需的信令，但是并沒有相應(yīng)的測量性能要求，在R14中引入了定位所需的測量性能要求。eMTC終端在覆蓋增強模式下工作時信噪比較低，定位增強技術(shù)將每個終端的定位參考信號從1條增加到3條；將PRS最小傳輸間隔從160毫秒下降到10毫秒，PRS傳輸持續(xù)時長從6毫秒上升到160毫秒；從而增強OTDOA定位的性能。

● 數(shù)據(jù)速率提升

R13中引入的CE Mode A和CE Mode B，傳統(tǒng)LTE和Cat-M1終端都可以支持，但是覆蓋增強模式下工作帶寬被限制在1.4MHz。R13 Cat-M1終端射頻帶寬為1.4MHz，支持的上下行峰值速率為1Mbit/s。R14中為了提高終端速率，引入了以下技術(shù)。

一是引入新終端類型UE Category M2（Cat-M2）。Cat-M2終端射頻帶寬為5MHz，在全雙工FDD工作模式時上下行峰值速率分別可達7Mbit/s和4Mbit/s。

二是Cat-M1支持更高上行峰值速率。Cat-M1終端上行支持的最大傳輸塊大小，從R13的1000比特提升到2984比特；這樣可在不明顯提升終端的復(fù)雜度的同時明顯提升上行峰值速率。

三是覆蓋增強模式下支持更寬的帶寬。CE mode A和CE mode B支持的最大帶寬，下行由1.4MHz提升到5MHz或20MHz；CE mode A上行由1.4MHz提升至5MHz。為了盡可能復(fù)用R13的設(shè)計，控制信令如MPDCCH和系統(tǒng)信息的帶寬仍然限制在1.4MHz以內(nèi)。

四是半雙工FDD HARQ-ACK捆綁。在半雙工FDD工作模式下，UE需要切換到上行去發(fā)送下行數(shù)據(jù)的HARQ-ACK反饋。引入HARQ-ACK捆綁功能之后，終端可以將多個下行傳輸塊的HARQ-ACK一起傳輸，從而有更多時間來接收下行數(shù)據(jù)，進而提高數(shù)據(jù)速率。

上述這些增強特性對Cat-M2和處于覆蓋增強模式的傳統(tǒng)LTE終端都適用。Cat-M1可支持除更寬帶寬以外的其他增強特性。

圖4 NB-IoT/eMTC網(wǎng)絡(luò)發(fā)展(數(shù)據(jù)來源：GSMA)

● VoLTE增強

R13中eMTC已可支持VoLTE。 R14中引入了以下幾個提升VoLTE覆蓋和性能的增強技術(shù)。

一是SRS覆蓋增強。在TDD特殊子幀中引入了Sounding參考信號重復(fù)功能以提升鏈路自適應(yīng)性能。

二是動態(tài)HARQ-ACK時延。在下行控制信息DCI中引入了用來指示HARQACK時延的域，這樣可以更靈活地在上行鏈路進行下行傳輸塊的HARQ-ACK反饋。

三是新增PUSCH重復(fù)系數(shù)。對于上行數(shù)據(jù)信道PUSCH，在已有子幀重復(fù)系數(shù)(1,2,4,8,16,32)的基礎(chǔ)上，新增（12,24）這兩種子幀重復(fù)系數(shù)，從而可以更有效地利用子幀資源。

● 移動性增強

R13可以完整支持同頻切換，規(guī)范中包括同頻/異頻測量相關(guān)信令和同頻測量性能要求。R14中引入了異頻測量性能要求，從而可以從信令和性能要求兩個層面完整地支持異頻測量和異頻切換。

R14的eMTC增強技術(shù)在2017年6月份完成了核心規(guī)范，2017年底完成了性能規(guī)范。3GPP在R15中對eMTC進行了進一步增強，主要從降低時延、降低功耗、提升提高頻譜效率和增強負載控制方面進行一系列增強。該項標準化工作計劃在2018年6月完成核心規(guī)范，2018年底完成性能規(guī)范。

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

截至2018年4月初，全球共有50個NB-IoT商用網(wǎng)絡(luò)，15個eMTC商用網(wǎng)絡(luò)；此外還分別有58/19個正在試驗或者計劃部署NB-IoT/eMTC網(wǎng)絡(luò)。

圖4是全球NB-IoT和eMTC網(wǎng)絡(luò)發(fā)展柱狀圖。從圖中可以看出，NB-IoT從2017年8月份的8張商用網(wǎng)絡(luò)，迅速在2018年1月初增長到39張商用網(wǎng)絡(luò)，發(fā)展速度非?？捎^。

作為產(chǎn)業(yè)鏈重要環(huán)節(jié)的物聯(lián)網(wǎng)終端是物聯(lián)網(wǎng)中連接傳感網(wǎng)絡(luò)層和傳輸網(wǎng)絡(luò)層，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)及向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)品可劃分成芯片、模組、物聯(lián)網(wǎng)終端3個層級。2017年8月，全球已發(fā)布14款NB-IoT模組，20款eMTC模組，其中有16款模組同時支持NB-IoT和eMTC。截至2018年1月初，全球共有17款NB-IoT芯片，12款eMTC芯片，其中有10款芯片同時支持NB-IoT和eMTC。

我國蜂窩物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅猛。工業(yè)和信息化部辦公廳關(guān)于全面推進移動物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）建設(shè)發(fā)展的通知中提到，“加快推進網(wǎng)絡(luò)部署，構(gòu)建NB-IoT網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。到2017年末，實現(xiàn)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋直轄市、省會城市等主要城市，基站規(guī)模達到40萬個。到2020年，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全國普遍覆蓋，面向室內(nèi)、交通路網(wǎng)、地下管網(wǎng)等應(yīng)用場景實現(xiàn)深度覆蓋，基站規(guī)模達到150萬個?！眹鴥?nèi)三大運營商在全面開展NB-IoT網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的同時，也在積極推進各自的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)建設(shè)。主流芯片廠商在推出NB-IoT商用芯片之后，繼續(xù)研發(fā)支持R14 NB-IoT增強技術(shù)的新產(chǎn)品，預(yù)計在2018年下半年推向市場。

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用遍及智能交通、環(huán)境保護、公共安全、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、照明管控、水系監(jiān)測、食品溯源和情報搜集等多個領(lǐng)域。目前蜂窩物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟，應(yīng)用日益豐富。隨著網(wǎng)絡(luò)發(fā)展、技術(shù)演進和應(yīng)用的拓展，相信蜂窩物聯(lián)網(wǎng)將會使社會生產(chǎn)更高效，人們生活更美好。