蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)NB-IoT與eMTC的對(duì)比研究

摘? 要：隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，3GPP制定了低功耗低成本的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)NB-IoT與eMTC技術(shù)，是目前全球運(yùn)營(yíng)商主推方向，這兩種技術(shù)之間既存在共性又各自有其優(yōu)點(diǎn)。本文詳細(xì)介紹了NB-IoT與eMTC技術(shù)的各項(xiàng)參數(shù)，并通過(guò)多方面對(duì)比，分析了兩種技術(shù)各自對(duì)應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景，找出其互補(bǔ)關(guān)系和共同發(fā)展的方向。據(jù)此，下文主要就NB-IoT與eMTC技術(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，希望可以為該方面的研究提供參考與建議，有助于促進(jìn)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的快速成熟，推動(dòng)中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);NB-IoT;eMTC

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5;TP391.44? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）07-0157-03

Abstract：With the continuous development of information technology，3GPP has developed low-power and low-cost cellular internet of things technology NB-IoT and eMTC technology，which are the main direction of global operators at present. There are both similarities and advantages between the two technologies. In this paper，the parameters of NB-IoT and eMTC technology are introduced in detail，and the corresponding application scenarios of each technology are analyzed through multi-aspect comparison，so as to find out the complementary relationship and common development direction. Accordingly，the following is a comparative study of NB-IoT and eMTC technology，hoping to provide reference and suggestions for the research in this area，which will help promote the rapid maturity of cellular internet of things products and promote the development of China’s internet of things.

Keywords：internet of things;NB-IoT;eMTC

0? 引? 言

物聯(lián)網(wǎng)（IoT，Internet of Things）是未來(lái)信息技術(shù)發(fā)展的重要組成部分，其主要特點(diǎn)是將物品通過(guò)通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)連接，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)互連、物物互連的智能化網(wǎng)絡(luò)。目前3GPP正式明確了5G NR（全球性5G標(biāo)準(zhǔn)），增強(qiáng)型機(jī)器類(lèi)型通信（eMTC）/窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）將應(yīng)用于不同的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，繪制了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展藍(lán)圖。在3GPP協(xié)議中，NB-IoT/eMTC將與5G NR長(zhǎng)時(shí)間共存，這也是行業(yè)重點(diǎn)研究和發(fā)展的對(duì)象。

1? NB-IoT與eMTC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的演變過(guò)程

1.1? NB-IoT技術(shù)

為了應(yīng)對(duì)將來(lái)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)所要求的增強(qiáng)室內(nèi)覆蓋、可以匹配更多低速率設(shè)備連接、低時(shí)延敏感度、并滿足超低功耗、超低成本的技術(shù)需求。2014年5月Vodafone在3GPP TSG GERANMeeting #62次會(huì)議上，提出了從GERAN系統(tǒng)進(jìn)行演進(jìn)或者設(shè)計(jì)出新的通信接入制式這兩個(gè)設(shè)想。2015年4月3GPP組織通過(guò)PCGMeeting#34次會(huì)議將EC-GSM、N-GSM、NBM2M、NBOFDMA、NB-CIoT、C-UNB以及NB-LTE等多種技術(shù)匯總于3GPPTR48.820中。并于2015年9月3GPPTSGRANMeeting#69全會(huì)確定主要基于NB-CIoT以及NB-LTE技術(shù)，定義NB-IoT技術(shù)即Cat-NB1。最終在2016年6月22日3GPP將NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布于其官網(wǎng)，如圖1所示。

1.2? eMTC技術(shù)

eMTC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化經(jīng)歷了LTER8→LTER12→LTER13三階段的演變，最終3GPP在R13中提出更輕量終端技術(shù)類(lèi)別LTE Enhanced MTC（eMTC），此技術(shù)能在降低帶寬的同時(shí)采用半雙工的方式，并且其上行/下行速率仍各有1Mbit/s，且支持語(yǔ)音技術(shù)。（如圖2所示）

NB-IoT與eMTC雖然都是低功耗微蜂窩通信技術(shù)，但在帶寬、速率、覆蓋增強(qiáng)及移動(dòng)性上還是存在明顯的差異。由上表可看出，NB-IoT的帶寬、速率均低于eMTC，而且eMTC支持連接態(tài)的切換，終端在不同的小區(qū)間移動(dòng)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸不中斷，更適用于語(yǔ)音通話、物流追蹤等業(yè)務(wù)場(chǎng)景。另一方面NB-IoT的覆蓋與功耗要優(yōu)于eMTC，更具適應(yīng)性，芯片的成本更低。

同屬于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的NB-IoT和eMTC有著共同特征，現(xiàn)從覆蓋目標(biāo)、低功耗、低成本三個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比：

（1）在覆蓋目標(biāo)上，NB-IoT（MCL164dB）比eMTC（MCL155.7dB）高8dB左右。NB-IoT和eMTC均采用了重復(fù)發(fā)送的方式來(lái)增強(qiáng)覆蓋，eMTC與LTE共享發(fā)射功率和系統(tǒng)帶寬，在功率譜密度上無(wú)增強(qiáng)，主要通過(guò)重復(fù)發(fā)送和跳頻來(lái)實(shí)現(xiàn)覆蓋增強(qiáng)。在上行方向，兩種模式基本沒(méi)區(qū)別。但是在下行方向，NB-IoT只有獨(dú)立部署的功率可獨(dú)立配置，帶內(nèi)和保護(hù)帶部署模式的功率均受限于LTE的功率，因此，在帶內(nèi)和保護(hù)帶部署模式下，NB-IoT需要更多重傳次數(shù)才能達(dá)到與獨(dú)立部署模式下相當(dāng)?shù)母采w水平。

（2）在低功耗上，NB-IoT和eMTC采用相同手段，一般通過(guò)省電模式、擴(kuò)展的不連續(xù)接收和延長(zhǎng)周期定時(shí)器實(shí)現(xiàn)。

（3）在低成本上，NB-IoT和eMTC手段是一致的，都是通過(guò)低速率和低帶寬來(lái)降低芯片處理的復(fù)雜度或者通過(guò)減少協(xié)議棧處理開(kāi)銷(xiāo)、單天線和頻分雙工、半雙工模式以降低成本。由對(duì)比可知NB-IoT的特點(diǎn)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(duì)時(shí)延不敏感的業(yè)務(wù)。R14版本的NB-IoT依然不支持語(yǔ)音，速率依然在百kbit/s數(shù)量級(jí)。而eMTC最大的特點(diǎn)是支持語(yǔ)音和切換，速率相對(duì)較高，適合高可靠和時(shí)延敏感型業(yè)務(wù);總之eMTC和NB-IoT各有所長(zhǎng)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

2.3? 覆蓋能力的對(duì)比

加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力、提高覆蓋率或減少站址密度可以降低網(wǎng)絡(luò)成本。因此覆蓋半徑也是NB-IoT和eMTC對(duì)比的重點(diǎn)之一。若在同等環(huán)境下，以城鎮(zhèn)為例，通過(guò)模擬計(jì)算，最高的NB-IoT覆蓋半徑約2.65km，而eMTC覆蓋半徑只有2 km左右。通過(guò)比較，eMTC覆蓋半徑只有NB-IoT覆蓋半徑的75%左右，NB-IoT擁有更深的覆蓋能力。因此覆蓋率、上行速率目標(biāo)、干擾余量、穿透損耗、物聯(lián)網(wǎng)終端功耗等影響覆蓋半徑的因素都是我們實(shí)際在做NB-IoT和eMTC網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)應(yīng)綜合考慮的地方。

2.4  應(yīng)用場(chǎng)景的對(duì)比

NB-IoT與eMTC技術(shù)有著相輔相成的關(guān)系。它們的技術(shù)特點(diǎn)類(lèi)似的同時(shí)又有著明顯的各自?xún)?yōu)劣。綜上所述現(xiàn)階段NB-IoT技術(shù)在提供更強(qiáng)覆蓋、更低功耗、更低成本的同時(shí)卻無(wú)法進(jìn)行移動(dòng)性管理，上下行速率過(guò)低，同時(shí)需要網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行一定程度的硬件升級(jí)才能夠支持。而反觀eMTC技術(shù)與NB-IoT技術(shù)正好互補(bǔ)，在提供更高速率、更好的移動(dòng)性管理同時(shí)又帶來(lái)了覆蓋以及成本的問(wèn)題。因此這兩種技術(shù)沒(méi)有優(yōu)劣，只能根據(jù)實(shí)際工作場(chǎng)景來(lái)選擇最適合的技術(shù)。在峰值速率、移動(dòng)性、語(yǔ)音能力方面eMTC技術(shù)優(yōu)于NB-IoT技術(shù)，適合于傳輸速率較快、具備移動(dòng)性以及語(yǔ)音能力的應(yīng)用場(chǎng)景，例如電梯衛(wèi)士、行車(chē)衛(wèi)士、智能物流、智能穿戴、健康監(jiān)測(cè)、室內(nèi)移動(dòng)應(yīng)用等。另一方面在低速率、小數(shù)據(jù)量、成本低且移動(dòng)性要求較低的應(yīng)用場(chǎng)景就應(yīng)該選用NB-IoT技術(shù)，因?yàn)槠湓诟采w、功耗、成本、連接數(shù)等方面有著更好的性能，例如智能路燈、智慧物流、表類(lèi)業(yè)務(wù)、智能停車(chē)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。

3? 運(yùn)營(yíng)商對(duì)NB-IoT和eMTC具體部署分析

隨著NB-IoT技術(shù)在我國(guó)全面大力發(fā)展，整個(gè)產(chǎn)業(yè)從芯片、模組、終端到運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算平臺(tái)、應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域全面發(fā)展。我國(guó)運(yùn)營(yíng)商正在積極推進(jìn)NB-IoT，已有明確商用的方向和目標(biāo)，并開(kāi)展多個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目。目前，我國(guó)已成為全球NB-IoT市場(chǎng)規(guī)模最大的國(guó)家，其中中國(guó)電信已經(jīng)在我國(guó)完成全網(wǎng)覆蓋NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，而中國(guó)移動(dòng)和聯(lián)通也將會(huì)在近期完善相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。另一方面，針對(duì)eMTC技術(shù)，盡管三大運(yùn)營(yíng)商尚未明其確發(fā)展路線，但相關(guān)工作已在籌備，并開(kāi)始了相關(guān)測(cè)試工作。eMTC技術(shù)網(wǎng)絡(luò)相比NB-IoT發(fā)展要滯后一些。

下面主要對(duì)中國(guó)移動(dòng)對(duì)NB-IoT和eMTC具體部署進(jìn)行分析。因?yàn)镹B-IoT只適合中國(guó)移動(dòng)FDD制式，因此中國(guó)移動(dòng)在推動(dòng)NB-IoT試商用的工作的同時(shí)，更加迫切尋找NB-IoT最佳的互補(bǔ)組合。為了實(shí)現(xiàn)技術(shù)互補(bǔ)，中國(guó)移動(dòng)將同步推進(jìn)NB-IoT與eMTC協(xié)同發(fā)展，產(chǎn)業(yè)共進(jìn)。目前，中國(guó)移動(dòng)是全球最大的物聯(lián)網(wǎng)連接提供商，其中物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)接近1.3億，承載物聯(lián)網(wǎng)基站約165萬(wàn)個(gè)。對(duì)于NB-IoT和eMTC具體部署所需要考慮的因素，根據(jù)中國(guó)移動(dòng)的現(xiàn)狀，除了考慮物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)本身的技術(shù)特性之外，還需綜合考慮相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的成熟度、頻段的分配、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難度、項(xiàng)目成本及與其他制式等因素。通過(guò)比較，了解到NB-IoT與TDD eMTC的關(guān)系是各自針對(duì)的是不同速率的業(yè)務(wù)，并非相互替代的。使用時(shí)需考慮以下因素，以及其優(yōu)劣勢(shì)，如表2所示。

4? 結(jié)? 論

物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算作為未來(lái)信息基礎(chǔ)設(shè)施，在云網(wǎng)融合、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)浪潮的助推之下，技術(shù)進(jìn)步日新月異。蜂窩物聯(lián)網(wǎng) NB-IoT和eMTC兩種技術(shù)的出現(xiàn)，大力推動(dòng)了社會(huì)發(fā)展，為人們帶來(lái)更多便利。

現(xiàn)階段的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT和eMTC技術(shù)在應(yīng)用上依然處在技術(shù)開(kāi)發(fā)的初步發(fā)展階段，我們想要更好地在相關(guān)領(lǐng)域融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，就需不斷對(duì)其進(jìn)行研究，分析其在應(yīng)用上存在的難點(diǎn)。隨著行業(yè)的逐步融合，如何做到提高技術(shù)水平，掌握物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，達(dá)到領(lǐng)先于全球水平，對(duì)我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)提出了更大的挑戰(zhàn)。最后相信蜂窩物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)使社會(huì)生產(chǎn)更高效，人們生活更美好。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：葉國(guó)超（1979.09-），男，漢族，廣東新會(huì)人，設(shè)計(jì)三所所長(zhǎng)，通信工程師，研究方向：移動(dòng)通信。