NB-IoT與eMTC技術對比淺析

1 引言

物聯(lián)網行業(yè)近幾年發(fā)展迅速，被稱為世界信息產業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，低功耗低成本物聯(lián)網成為了關注的焦點。NB-IoT和eMTC是基于3GPP標準的無線通信技術[1]，采用授權頻譜，具有低功耗、廣覆蓋、低成本、大連接的優(yōu)勢，極其契合未來物聯(lián)網業(yè)務的發(fā)展趨勢。

本文將主要從NB-IoT和eMTC兩種網絡的應用場景、物理結構和關鍵技術三個不同角度出發(fā)進行詳細對比分析。

2 應用場景

2.1 NB-IoT應用場景

NB-IoT是華為提出的無線物聯(lián)網解決方案，全新設計了無線物聯(lián)網絡的空口技術，主要面向低速率、深度覆蓋、低功耗、大連接、低成本的物聯(lián)網應用場景。

NB-IoT的特點是超低成本、超遠覆蓋、超低能耗，可進行速率為100 bit/s～100 kbit/s范圍內的低速小包數(shù)據業(yè)務，目前模組市場價約低于5美元每塊，典型應用為智能停車、抄表、路燈、跟蹤物流等。下面重點介紹NBIoT在智能停車、抄表兩大應用場景的實現(xiàn)形式：

智能停車：目前室內/封閉停車場有較完整的智能停車方案，NB-IoT不占優(yōu)勢，所以NB-IoT智能停車業(yè)務主要發(fā)力點在于街邊室外停車場。通過NB-IoT結合第三方集成平臺，實現(xiàn)室外停車場的自動化管理，該方案具有非常明顯的優(yōu)勢，總成本低、干擾小、可靠性高[2]。

智能抄表：該業(yè)務主要針對城市政務的水、氣、電、熱四類抄表工作，大大減少了人工上門讀表的工作量，實現(xiàn)準確、快速獲取用戶數(shù)據。該業(yè)務特點是單用戶APRU值不高，但數(shù)量驚人。且可以通過管理平臺獲取相關額外高價值數(shù)據，如水質、電力使用峰谷值等。

2.2 eMTC應用場景

eMTC是愛立信提出的無線物聯(lián)網解決方案。eMTC基于LTE接入技術設計了無線物聯(lián)網絡的軟特性，主要面向中低速率、低功耗、大連接、移動性強、具有定位需求的物聯(lián)網應用場景。

eMTC無線物聯(lián)網技術可支持語音、移動、定位業(yè)務，適合進行速率為100 kbit/s-1 Mbit/s范圍內的中速小包數(shù)據或語音業(yè)務，模組市場價約10美元每塊，典型應用為智能電梯、行車、物流跟蹤、穿戴設備等。下面重點介紹智能電梯典型場景的應用：

智能電梯：在電梯內安裝相應的數(shù)據采集設備，通過eMTC網絡實時傳輸推送至物業(yè)單位終端、數(shù)據管理服務器，可實現(xiàn)實時監(jiān)控電梯運行情況，具體應用方案如圖1所示。

圖1 智能電梯解決方案

2.3 對比分析

表1針對NB-IoT與eMTC兩種技術的成本、速率、性能等方面進行對比，可看出兩者其實不存在對立的關系，而是由于網絡性能和應用場景的不同，運營商應選擇將兩者協(xié)同，共同做大產業(yè)鏈，不斷拉動消費升級。

表1 NB-IoT與eMTC對比

3 物理結構

3.1 物理資源

NB-IoT全新設計了無線物聯(lián)網絡的空口技術，eMTC基于LTE現(xiàn)有協(xié)議框架，主要針對物聯(lián)網特征進行部分信道優(yōu)化。

3.1.1 頻域結構

NB-IoT上行采用SC-FDMA技術，有兩種帶寬可選擇，分別為3.75 kHz與15 kHz。

（1）3.75 kHz帶寬時，功率譜更大，覆蓋更好，PRACH可配置3.75 kHz子載波間隔；

（2）15 kHz帶寬時，速率高，時延小，PUSCH可配置15 kHz子載波間隔。

NB-IoT的上行鏈路中，支持Multi-tone和Singletone兩種方式，如圖2所示。Multi-tone是指具有與LTE相同的15 kHz子載波間隔，0.5 ms時隙和1 ms子幀的SC-FDMA；Single-tone方式的180 kHz在頻域上可分配給多用戶，子載波支持兩種配置，分別為15 kHz和3.75 kHz兩種，其中15 kHz與LTE相同，而3.75 kHz方式不同在于使用2 ms時隙，4 ms子幀及40 ms無線幀，但由于OFDM符號變長，其在1個子幀內的RE數(shù)與15 kHz時是一樣的[5]。

圖2 NB-IOT上行傳輸方案

NB-IoT下行采用OFDM技術，在頻域中僅使用1個LTE PRB，即12個15 kHz子載波共計180 kHz，其余時隙、子幀、無線幀與LTE相同，此外當NB-IoT部署在LTE載波內時，NB-IoT PRB和所有其他LTE PRB之間物理信道的正交性在下行鏈路中被保留。

eMTC頻域結構與LTE保持一致，采用OFDM技術，子載波間隔為15 kHz，一個RB在頻域上占用12個帶寬為15 kHz的子載波或者占用24個帶寬為7.5 kHz的子載波。無論在哪種帶寬下工作，eMTC的最大調度為6 RB，因此3GPP定義將LTE系統(tǒng)帶寬劃分成一系列6個RB的窄帶。

3.1.2 時域結構

NB-IoT下行幀結構與LTE一致，上行幀結構與LTE不同，分別有兩種形式：

（1）3.75 kHz帶寬時，1RU為32 ms，1個無線幀為10 ms即10個子幀，1個子幀為1 ms即2個時隙，1個時隙由7個符號組成；

（2）15 kHz帶寬時，1RU為8 ms，1個無線幀為10 ms即10個子幀，1個子幀為1 ms即2個時隙，1個時隙由7個符號組成。

eMTC幀結構與LTE一致，詳見圖3，每個無線幀長10 ms，每個無線幀包含10個子幀；每個子幀里包含2個時隙，每個時隙包含6或7個OFDM符號，循環(huán)前綴CP分為兩種類型：常規(guī)CP和擴展CP。

圖3 eMTC幀結構

3.2 物理信道

3.2.1 上行物理信道

NB-IoT上行信道包括NPRACH和NPUSCH，但是沒有NPUCCH信道。

由于傳統(tǒng)LTE物理隨機接入信道（PRACH）使用1.08 MHz的帶寬，大于NB-IoT上行鏈路帶寬，因此NPRACH需重新設計，其中在LTE中用來承載上行控制信息的PUCCH在NB-IoT中被刪除。NB-PRACH采用Single-tone方式發(fā)送，子載波間隔3.75 kHz，其僅支持時頻域劃分復用，不支持Preamble的碼分復用，一個NPRACH前導碼由4個符號組組成，每個符號組包括一個CP和5個符號。為了支持更廣覆蓋，NPRACH前導碼可以重傳多達128次。

NPUSCH有兩種格式。格式1用于攜帶上行鏈路數(shù)據，并且使用相同于LTE的turbo碼。NPUSCH格式1的最大傳輸塊大小是1 000比特，這比LTE中的小得多。格式2作用類似LTE中的PUCCH，用于NPDSCH的HARQ確認，并且使用重復碼糾錯。NPUSCH格式1可以向UE分配12、6或3個子載波。Single-tone的引入使得資源的分配更具靈活性。為了降低峰值對平均功率比（PAPR），Single-tone方式使用具有符號之間相位連續(xù)性的π/2-BITS/SK或π/4-QPSK。

eMTC UE通過PRACH識別，復用傳統(tǒng)PRACH的Preamble資源，根據RSRP將eMTC PRACH分為四個覆蓋等級。eMTC UE和普通LTE UE的PUCCH資源配置分開，尤其是在同一個PRB中，不禁止普通LTE UE和eMTC UE復用PUCCH資源。eMTC PUCCH支持重復和鏡像跳頻技術，信道設計繼續(xù)沿用LTE模式，eMTC主要通過該技術來提升覆蓋。eMTC UE和普通LTE UE共享PUSCH資源。

3.2.2 下行物理信道

NB-IoT有5個下行物理信道：窄帶主同步信道（NPSS）、窄帶輔同步信道（NSSS）、窄帶物理廣播信道（NPBCH）、窄帶下行物理控制信道（NPDCCH）、窄帶下行物理共享信道（NPDSCH），如圖4所示，與LTE不同，這些NB-IoT物理信道和信號在時間上復用。

Inband部署時，LTE PDCCH和CRE不能使用。

圖4 NB-IoT下行物理信道設計

eMTC UE不接收傳統(tǒng)的PDCCH、PCFICH和PHICH下行信道，其他物理信道復用傳統(tǒng)LTE的物理信道。eMTC基于EPDCCH新增設計了MPDCCH信道，支持跳頻和重復技術，主要用于發(fā)送eMTC UE的PDSCH和PUSCH信道的調度指示以及公共消息的指示，比如尋呼、RAR響應、上行ACK反饋。

4 關鍵技術

4.1 廣覆蓋

NB-IoT主要通過功率譜密度抬升和重復技術，相對LTE覆蓋增強20 dB（MCL=164 dB），如圖5所示。NB-IoT通過上下行物理信道格式、調制規(guī)范的重新定義，使得上下行控制信息與業(yè)務信息可以在相對LTE更窄的帶寬中發(fā)送 ，相同發(fā)射功率下的PSD（Power Spectrum Density）增益更大，降低了接收方的解調要求；同時引入重復發(fā)送的編碼方式，通過重復提升信道條件惡劣時的傳輸可靠性。

圖5 NB-IoT覆蓋增強的2種方式

eMTC主要通過重復和跳頻技術，相對LTE覆蓋增強15 dB（MCL=157.7）[4]。其中重復技術配合MCS選階優(yōu)化，實現(xiàn)覆蓋增強10 dB+，具體解決方案整體思路如下：

（1）為eMTC用戶不同接入等級配置初始的MCS和重復次數(shù)；

（2）對測量的SINR進行濾波，并考慮ACK/NACK外環(huán)調整，得到選階SINR；

（3）計算選階SINR與MCS0的差距DeltaSinr，基于頻譜效率最優(yōu)，查表得到重復次數(shù)和MCS；

重復技術提升覆蓋的增益主要來源于時域擴展對抗信道快衰落，同時通過時域合并獲取有效信號相比噪聲的合并增益。

3GPP協(xié)議規(guī)定eMTC可在20 MHz帶寬內跳頻，可實現(xiàn)提升eMTC覆蓋能力1～2 dB：

（1）下行MPDCCH/PDSCH在2個或者4個NB上跳頻（小區(qū)廣播信令指示），跳頻間隔為小區(qū)級參數(shù)；

（2）跳頻的時候，可根據參數(shù)配置每隔m個子幀跳頻一次；

4.2 大連接

NB-IoT通過在上行鏈路和下行鏈路中僅使用一個PRB來支持大規(guī)模的IoT容量。NB-IOT容量評估方法，首先需要從業(yè)務模型出發(fā)計算單用戶單位時間業(yè)務量和單個用戶的業(yè)務量，根據不同覆蓋等級的重發(fā)次數(shù)，分別分析上下行開銷，其次分別計算業(yè)務信容量、尋呼容量、隨機接入容量，最后綜合考慮不同容量結果的受限結果即為極限容量，如圖6所示。

小區(qū)容量= MIN（NPRACH容量，NPUSCH容量，NPDSCH&NPDCCH容量）

圖6 NB-IoT容量估算

影響eMTC容量的因素包括兩方面：

(1)業(yè)務模型：發(fā)送和接收越頻繁，包大小越大，則單次連接消耗的RB更多，單位時間內支持的用戶數(shù)越小；

(2)覆蓋增強等級：覆蓋等級越大，重復次數(shù)越多，則單次連接消耗的RB更多，單位時間內支持的用戶數(shù)越小。

每次數(shù)據發(fā)送占用的上行RB數(shù)=每條上行信令占用的上行RB資源＊上行信令總條數(shù)+每條下行信令消耗的上行RB資源＊下行信令總條數(shù)+上行數(shù)據占用的上行RB資源；

每次數(shù)據發(fā)送占用的下行RB數(shù)=每條下行信令占用的下行RB資源＊下行信令總條數(shù)+每條上行信令消耗的下行RB資源＊上行信令總條數(shù)+上行數(shù)據占用的下行RB資源；

上行用戶數(shù)=單位周期內上行總RB數(shù)＊（1-公共開銷）＊0.2/每次數(shù)據發(fā)送占用的上行RB數(shù)；

下行用戶數(shù)=單位周期內下行總RB數(shù)＊（1-公共開銷）＊0.7/每次數(shù)據發(fā)送占用的下行RB數(shù)；

每1.4 MHz窄帶支持的eMTC用戶數(shù)=Min（上行用戶數(shù)，下行用戶數(shù)）；

按每1小時發(fā)送一包100字節(jié)上行數(shù)據話務模型計算，在不考慮重復的情況下，基于RB數(shù)計算eMTC TDD支持用戶數(shù)（上行受限）：

S＊TTI＊帶寬＊扣除開銷＊上行占比/每包消耗=3 600 ＊1 000 ＊ 6 ＊ 0.7(剔除PRACH和SRS開銷) ＊ 0.2 / 34 =89 k

如果考慮不同覆蓋等級（不同重復次數(shù)）比例，因為重復后每次數(shù)據發(fā)送消耗的RB數(shù)會按倍數(shù)增加，因此支持的用戶數(shù)會相應減小，如表2所示。

表2 eMTC容量估算

4.3 低功耗

PSM技術可極大降低非實時業(yè)務類終端功耗。[3]如果設備支持PSM（Power Saving Mode），在附著或TAU（Tracking Area Update）過程中，向網絡申請一個激活定時器值。當設備從連接狀態(tài)轉移到空閑狀態(tài)后，該定時器開始運行。當定時器終止，設備進入省電模式。

進入省電模式后設備不再接收尋呼消息，看起來設備和網絡失聯(lián)，但設備仍然注冊在網絡中。UE進入PSM模式后，只有在UE需要發(fā)送MO數(shù)據，或者周期TAU/RAU定時器超時后需要執(zhí)行周期TAU/RAU時，才會退出PSM模式，TAU最大周期為310小時。

PSM技術需要核心網升級支持PSM功能，其優(yōu)點是可進行長時間睡眠，缺點是對MT業(yè)務響應不及時，主要應用于表類等對下行實時性要求不高的業(yè)務。

對于極低頻次數(shù)據發(fā)送業(yè)務的發(fā)送終端，數(shù)據發(fā)送完成后迅速進入極低功耗的PSM態(tài)，期間不監(jiān)聽網絡，以達到UE節(jié)電的目的，如圖7所示。

圖7 PSM技術信令工作流程示意圖

eDRX技術兼顧業(yè)務及時響應能力和節(jié)電能力，UE在每個eDRX周期只在尋呼窗口內內監(jiān)聽PDCCH，其它時間處于深度睡眠。

空閑態(tài)eDRX（Extended DRX）通過延長Idle態(tài)DRX周期減少UE偵聽網絡的信令處理（最大可到43.69 min），從而達到UE節(jié)電的目的，示意圖見圖8。連接態(tài)eDRX將目前的DRX周期從2 560 ms擴展到5.12 s和10.24 s，eNB根據UE能力給UE配置長周期，連接態(tài)eDRX涉及UE、基站，不涉及核心網需要核心網升級支持空閑態(tài)eDRX功能，MME根據業(yè)務類型配置周期。

圖8 eDRX技術工作流程示意圖

5 小結

本文從NB-IoT和eMTC兩種網絡的應用場景、物理結構和關鍵技術3個不同角度出發(fā)，詳細對比了兩者的業(yè)務特點、物理資源、網絡容量、部署優(yōu)勢等方面，驗證了eMTC與NB-IoT兩張網絡其實是互補的關系。

在某些具有移動、定位、一定實時性的物聯(lián)網需求，但同時對于功耗、成本非常敏感的場景，NB-IoT在現(xiàn)有情況下暫不能滿足，其他廣域網絡覆蓋技術因為成本和功耗問題也無法形成替代。尤其是電梯、物流、車輛定位等大量場景對此類連接技術有剛性需求，同為3GPPR 13版本凍結的eMTC技術恰恰補齊了這一短板，同時eMTC支持VoLTE語音功能，使其在一些應急場景下的作用凸顯，與NB-IoT形成了明顯互補。因此，運營商在部署物聯(lián)網時，應該因地制宜，充分結合兩者的技術特點及業(yè)務優(yōu)勢，才能發(fā)揮出這兩種技術的最大價值。