基于eMTC的物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化關鍵技術研究

蔡淇楷，黃必鑫，趙 元，盧麗文

（1.中國聯(lián)通廈門分公司，福建廈門361009；2.中國聯(lián)通網(wǎng)絡技術研究院，北京100048）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是未來信息技術發(fā)展的重要組成部分，其主要技術特點是將物品通過通信技術與網(wǎng)絡連接，從而實現(xiàn)人機互連，物物互連的智能化網(wǎng)絡。協(xié)議3GPPR13針對此類物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的特點，基于LTE進行演進，設計了專門用于物聯(lián)網(wǎng)的FDD eMTC（Enhanced Machine Type Communications）技術，eMTC將被廣泛應用在不同的垂直行業(yè)。本文通過對eMTC網(wǎng)絡架構、eMTC關鍵技術特性、eMTC與LTE共存等多個角度進行分析和研究，通過對國內首個大規(guī)模eMTC試驗網(wǎng)試商用部署和組網(wǎng)技術測評，歸納和總結網(wǎng)絡部署相關建議，為全國商用規(guī)模部署eMTC網(wǎng)絡提供有效的技術支撐和借鑒。

1 eMTC基本概況及關鍵技術

1.1 整體架構

eMTC的端到端系統(tǒng)架構如圖1所示，與LTE相比，新增IoT平臺和應用平臺。IoT平臺匯聚從各種接入網(wǎng)得到的IoT數(shù)據(jù)，根據(jù)不同類型轉發(fā)至相應的業(yè)務應用服務器進行處理。應用平臺是IoT數(shù)據(jù)的最終匯聚點，根據(jù)客戶的需求進行數(shù)據(jù)處理等操作。

圖1 端到端系統(tǒng)架構

1.2 物理層結構

eMTC下行物理層結構與LTE相比，新增一套SIB消息和MPDCCH信道，減少PDCCH、PCFICH和PHICH下行信道。

FDD eMTC上行物理層結構與LTE相比，不共享PRACH和PUCCH信道資源。

1.3 覆蓋增強

為了兼顧FDD eMTCUE的覆蓋深度和容量性能，3GPP協(xié)議引入了覆蓋增強等級（CE——Coverage Enhancement），如表1所示。

表1 eMTC覆蓋增強模式

a）對于空閑態(tài)劃分了4個不同的覆蓋等級（CE Level0～3），4個覆蓋等級分別相對于LTE的覆蓋增強0 dB、5 dB、10 dB和15 dB?？臻e態(tài)FDD eMTCUE可以根據(jù)實際測量的RSRP選擇覆蓋等級，不同覆蓋等級對應的RSRP門限可以通過參數(shù)設置。

b）對于連接態(tài)劃分了CE Mode A和CE Mode B 2個覆蓋模式，空閑態(tài)的覆蓋等級與連接態(tài)的覆蓋模式之間有對應的映射關系。

1.4 eDRX省電機制

3GPPR13引入空閑態(tài)eDRX的差異處理，該特性通過擴展空閑態(tài)的尋呼周期，減少終端監(jiān)聽尋呼消息的時長進而節(jié)省終端功耗，延長待機和續(xù)航時間，提升用戶體驗。

1.5 調度策略

eMTC會占用LTE的RB資源，在不同的場景下資源調度也會有所不同。

場景1：LTE負荷高，eMTC無負荷。在此場景下，LTE可占用全部eMTC的空閑資源，保證LTE的資源利用率。

場景2：LTE負荷輕，eMTC負荷重。在此場景下，F(xiàn)DD eMTC可以占用大部分帶寬。

場景3：LTE和eMTC負荷都重。在此場景下，可以按照設置的目標RB利用率，共享資源。

在對應的小區(qū)帶寬內，eMTCUE采用動態(tài)的資源分配方式，不需要再重新配置Narrow Band。eMTC商用后，該機制可保證eMTC部署對LTE容量的影響可控。

1.6 VoLTE技術

根據(jù)協(xié)議規(guī)定，eMTC支持語音功能，這就使家庭警報、火災警報、手表等應用更加方便進行“人物交互”，進一步提升用戶體驗。

1.7 移動性

eMTC與NB-IoT相比，支持不同小區(qū)間切換，移動性能大大增強，更加適合在穿戴類等產品使用。

1.8 峰值速率

NB-IoT目前僅支持最大200 kbit/s速率，eMTC最大支持1 Mbit/s速率，后續(xù)多載波應用后可達4/7 Mbit/s。eMTC提供更高的數(shù)據(jù)速率，在工業(yè)大數(shù)據(jù)包處理方面更加具有優(yōu)勢。

2 eMTC關鍵技術研究及實踐

2.1 選網(wǎng)方案分析

由于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術及業(yè)務類型與傳統(tǒng)LTE系統(tǒng)差異較大，在未來網(wǎng)絡演進中，運營商希望能按照核心網(wǎng)“人物分離”原則，把NB-IoT和eMTC路由至物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)，以便于集中運維管理，目前有3種方案。

a）Decore方案：通過升級現(xiàn)網(wǎng)所有eNodeB、MME、HSS，將多種不同類型業(yè)務路由至不同專用核心網(wǎng)。MME根據(jù)開戶信息“UE Usage Type”給用戶分配DCN，eNodeB根據(jù)MME提供的DCN信息為UE選擇接入MME。這種方案的缺點是需要改造所有現(xiàn)網(wǎng)設備，成本較高。

b）PLMN選網(wǎng)方案：在基站側配置不同PLMN，開啟ransharing功能，可將eMTC業(yè)務路由至不同專用核心網(wǎng)。該方案的缺點是基站和核心網(wǎng)配置復雜。

c）私有方案：在eMTC終端接入網(wǎng)絡時，通過PRACH區(qū)分eMTC終端并選擇獨立的IoT核心網(wǎng)。該方案的優(yōu)點是不需要升級網(wǎng)元，即可滿足人物分離；該方案的缺點主要有以下2點：一是部分基站設備廠家不支持非標協(xié)議；二是由于未來LTE支持覆蓋增強功能，LTE和eMTCPRACH資源相同無法區(qū)分，LTE可能會誤選至物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)。

2.2 速率的分析及實踐

eMTC在速率上比NB-IoT更具有優(yōu)勢，更適用于電梯廣告等大數(shù)據(jù)包業(yè)務。影響eMTC速率的原因有很多，包括模組的雙工模式、覆蓋情況、覆蓋增強等級等。通過以下實踐探索影響eMTC上下行吞吐率的原因。

首先搭建eMTC和LTE共站部署環(huán)境，然后將eMTC終端分別置于好、中、差點，發(fā)送UDP業(yè)務（持續(xù)大包業(yè)務），每個測試點持續(xù)發(fā)送3～5 min，記錄SINR、RSRP以及不同點位速率等參數(shù)，結果如表2和表3所示。

表2 單用戶定點上行速率測試

表3 單用戶定點下行速率測試

結論如下：

a）峰值速率分析：eMTC終端為半雙工模式，因測試卡限速至256 kbit/s，上下行峰值速率均可達到理論值256 kbit/s。

b）上下行速率分析：eMTC終端好點和中點速率變化不大；差點位置受RSRP/SINR影響，速率有所下降。這說明在覆蓋較差情況下信號強度和質量對速率影響較大。

c）覆蓋分析：eMTC終端在差點位置觸發(fā)覆蓋增強等級1門限，信道重復次數(shù)抬升，eMTC終端在-133電平仍可接入，而此時LTE終端在-128左右的電平下已無法接入，在覆蓋邊緣位置，eMTCUE對比LTE UE有5 dB的覆蓋增益。

2.3 移動性分析及實踐

eMTC技術是在LTE基礎上進行優(yōu)化設計，可支持連接態(tài)小區(qū)切換，這是NB-IoT所不具備的。影響eMTC移動性的原因有很多，包括切換的時延、切換成功率、不同移動速度等。通過以下實驗探索影響eMTC移動性的原因。

在密集城區(qū)開通25個基站，共計91個小區(qū)，測試車以30 km/h及60 km/h速度勻速從起點出發(fā)，按照事先選擇的行駛路線，遍歷交通干道、次干道、主要支路，考察全網(wǎng)覆蓋的連續(xù)性及切換測試。記錄切換時延、RSRP、SINR、不同移動速度下的速率，實驗結果如表4和表5所示。

表4 UE切換指標

表5 不同移動速度對性能影響

結論如下：

a）測試區(qū)域道路信號覆蓋連續(xù)性良好，切換成功率100%，切換時延較低，平均切換時延35 ms，小區(qū)間切換較為順暢，可支撐后續(xù)的移動性業(yè)務需求。

b）在不同移動速度下（30 km/h及60 km/h），Ping包時延變化幅度較小，Ping包成功率均為100%，說明上下行速率在不同移動速度下也無明顯變化。

2.4 eMTC與LTE共存影響測試

eMTC和LTE共享RB資源，需驗證eMTC與LTE共存是否對LTE有影響。分別關閉和開啟eMTC，2個LTE終端與2個eMTC終端分別在好點和差點接入測試，考察eMTC與LTE共存時，用戶峰值速率以及不同覆蓋等級下的定點速率性能，實驗結果如表6和表7所示。

表6 關閉eMTC特性驗證

表7 打開eMTC特性驗證

結論：eMTC特性開通后，LTE終端與eMTC終端共享RB資源，eMTC終端的接入會增加SIB消息、業(yè)務開銷，導致LTE終端的RB資源減少，上下行吞吐率降低。

2.5 單站覆蓋能力測試

eMTC具有覆蓋增強的特性，覆蓋距離更遠，可能跟覆蓋等級有關。選擇一個主測小區(qū)，周圍小區(qū)關閉，沿小區(qū)天線陣列法線方向選擇一條直且長的路線。測試eMTC與LTE終端在1800MLTE&eMTC共部署小區(qū)下，在選定測試路線行駛至脫網(wǎng)，對比1800M eMTC與1800M LTE的極限覆蓋能力。實驗結果如表8所示。

表8 LTE和eMTC極限覆蓋能力

結論：在eMTCModeA模式下（映射覆蓋等級1），1800M eMTC相對1800M LTE覆蓋增益5 dB，最大接入MCL 148 dB左右，單站拉遠場景下，eMTC小區(qū)的覆蓋半徑與覆蓋等級有關。

2.6 空閑態(tài)小區(qū)重選時延及成功率分析

后續(xù)eMTC網(wǎng)絡商用情況下，為了達到節(jié)能效果，終端將長期處于空閑狀態(tài)。因此需要驗證eMTC在空閑態(tài)小區(qū)的重選時延及成功率是否可以達到預商用網(wǎng)絡的要求。

在密集城區(qū)開通25個基站，共計91個小區(qū)。開通1∶1組網(wǎng)測試路線，終端進入IDLE態(tài)進行道路遍歷測試，重選次數(shù)不少于50次。實驗結果如表9所示。

表9 eMTC空閑態(tài)重選指標

結論：eMTC終端1、2互為對比，測試區(qū)域道路信號覆蓋良好，重選成功率100%，且重選時延較低，63～69 ms，符合預期商用指標。

2.7 典型場景定點覆蓋對比

eMTC屬于典型物聯(lián)網(wǎng)技術，其主要技術特點是將物品通過通信技術與網(wǎng)絡連接，從而實現(xiàn)人機互連、物物互連的智能化網(wǎng)絡。通過定點覆蓋情況來探索eMTC在物聯(lián)網(wǎng)場景下是否滿足業(yè)務需求。分別在智能家居寫字樓場景以及地下車庫深度覆蓋場景進行測試，結論如下。

a）寫字樓場景下，主要對高、中、低層的樓道進行了遍歷測試，基站主服務小區(qū)基本可以覆蓋樓道內的弱電井、消防栓等關鍵位置，滿足業(yè)務需求。

b）地下車庫深度覆蓋場景下，抽測的地下車庫位于小區(qū)近點位置，-1樓信號覆蓋基本可滿足業(yè)務需求；-2樓位置明顯有覆蓋空洞，LTE無法接入，但eMTC終端可隨機接入RSRP不低于-130 dBm的信號，邊緣覆蓋能力要比LTE強4～5 dB，滿足物聯(lián)網(wǎng)場景需求。

3 eMTC組網(wǎng)典型問題分析及建議

此次eMTC組網(wǎng)試驗項目是全國第一個大規(guī)模外場測試，在項目研究開展過程中遇到了選網(wǎng)、附著、限速等技術問題，無法參考借鑒別人的經驗，只能通過自主分析研究，攻克一個個難題，現(xiàn)簡要列舉項目中遇到的問題和解決方案。

3.1 終端附著失敗

現(xiàn)象：終端無法正常附著核心網(wǎng)，如圖2所示。原因：APN設置錯誤、460_06的CMS解析失敗。解決方案：終端側需修改APN為“NB-IoT”；在核心網(wǎng)側，在MME添加460_06的CMS解析。

3.2 Ran sharing功能不生效

現(xiàn)象：基站側開通RAN Sharing后，出現(xiàn)S1鏈路異常告警，MIB消息無法同時廣播460_01與460_06 2條PLMN，如圖3所示。

原因：核心網(wǎng)側參數(shù)設置錯誤。

圖2 附著核心網(wǎng)被拒絕

圖3 功能開啟后無法正常廣播PLMN

解決方案：核心網(wǎng)側的MME需要分別添加460_01/460_06 2條HPLMN，同時需要打開Network Share（MOCN）的License開關。

3.3 A2事件無法觸發(fā)

現(xiàn)象：A2事件不觸發(fā)，無法下發(fā)A3測量，無法切換移動性測試終端。

原因：A2觸發(fā)門限為-104 dB，現(xiàn)網(wǎng)路段覆蓋良好，無法觸發(fā)A2門限。

解決方案：將A2門限設置為-85 dB，A3測量可正常下發(fā)，終端切換正常。

3.4 問題小區(qū)重選失敗

現(xiàn)象：問題站點小區(qū)重選失敗。

原因：小區(qū)重選優(yōu)先級設置過低。

解決方案：將涉及的問題小區(qū)優(yōu)先級修改為最大值7后，小區(qū)重選正常（見圖4）。

3.5 選網(wǎng)方案建議

選網(wǎng)方案的選擇對eMTC的規(guī)劃有著重大的意義，有些NB+eMTC雙模模組在不明確PLMN的情況下便無法接入網(wǎng)絡。試驗環(huán)境中LTE的PLMN是46001，NB-IoT的PLMN也是46001，eMTC規(guī)劃的PLMN是46006。LTE和eMTC共小區(qū)，基站開啟RAN Sharing功能，配置主46001和從46006。通過PLMN的不同選擇，基站側將LTE終端路由至傳統(tǒng)核心網(wǎng)，同時將eMTC路由至物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)核心網(wǎng)?，F(xiàn)場測試結果發(fā)現(xiàn)，由于NB+eMTC雙模模組不區(qū)分LTE和eMTC，因此可能會出現(xiàn)eMTC接入失敗的情況。

PLMN選網(wǎng)方案中基站和核心網(wǎng)配置復雜，且NB+eMTC雙模模組無法區(qū)分，后續(xù)無法正式商用；私有方案屬于非標協(xié)議正式商用無法滿足。建議直接升級現(xiàn)網(wǎng)核心網(wǎng)設備，即使用Decore方案。

3.6 頻率規(guī)劃建議

頻率規(guī)劃建議如圖5所示。

圖4 修改小區(qū)重選優(yōu)先級

圖5 頻率使用建議

3.6.1 1800M帶寬頻率規(guī)劃（30M）

若1800M頻段將2個載波（20M+10M）中心頻點間隔壓縮至14.4 MHz，將會預留出600 kHz帶寬。

NB-IoT：在原G1800 637號頻點部署，同時預留200 kHz（638頻點位置）保護帶。

eMTC：在LTE的10M載頻開啟eMTC功能即可，可快速部署。

3.6.2 900M帶寬頻率規(guī)劃（6M）

NB-IoT：在原G900 124號頻點部署，同時預留200 kHz（123號頻點位置）保護帶。

eMTC：建議在LTE 5M帶寬（未來可能10M）開啟eMTC功能。

4 結束語

eMTC支持語音業(yè)務，特別適用于緊急呼叫、報警、汽車緊急求救等情況，此外eMTC速率更高，適合高速移動的環(huán)境，包括穿戴類、健康監(jiān)測、智能物流、電子廣告牌等。業(yè)務前景廣闊，符合市場預期需求。

部署eMTC成本較低，eMTC作為LTE的一個特性，可以通過軟件升級實現(xiàn)平滑演進，不需要增加光纖、基帶板卡等硬件，在現(xiàn)網(wǎng)即可快速部署。

此次廈門eMTC項目是全國第1個大規(guī)模外場測試，驗證、優(yōu)化各項參數(shù)性能指標，通過自主分析研究，攻克了一個個難題，可為后續(xù)的部署應用提供經驗，同時對eMTC的全國商用提供數(shù)據(jù)支撐。