NB-IoT與eMTC技術對比淺析

1 引言

物聯網行業近幾年發展迅速，被稱為世界信息產業發展的第三次浪潮，低功耗低成本物聯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、大連接的優勢，極其契合未來物聯網業務的發展趨勢。

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網解決方案，全新設計了無線物聯網絡的空口技術，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據業務，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不占優勢，所以NB-IoT智能停車業務主要發力點在于街邊室外停車場。通過NB-IoT結合第三方集成平臺，實現室外停車場的自動化管理，該方案具有非常明顯的優勢，總成本低、干擾小、可靠性高[2]。

智能抄表：該業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，實現準確、快速獲取用戶數據。該業務特點是單用戶APRU值不高，但數量驚人。且可以通過管理平臺獲取相關額外高價值數據，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網解決方案。eMTC基于LTE接入技術設計了無線物聯網絡的軟特性，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網應用場景。

eMTC無線物聯網技術可支持語音、移動、定位業務，適合進行速率為100 kbit/s-1 Mbit/s范圍內的中速小包數據或語音業務，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據采集設備，通過eMTC網絡實時傳輸推送至物業單位終端、數據管理服務器，可實現實時監控電梯運行情況，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同，共同做大產業鏈，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網絡的空口技術，eMTC基于LTE現有協議框架，主要針對物聯網特征進行部分信道優化。

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，循環前綴CP分為兩種類型：常規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性的π/2-BITS/SK或π/4-QPSK。

eMTC UE通過PRACH識別，復用傳統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不接收傳統的PDCCH、PCFICH和PHICH下行信道，其他物理信道復用傳統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、調制規范的重新定義，使得上下行控制信息與業務信息可以在相對LTE更窄的帶寬中發送 ，相同發射功率下的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選階優化，實現覆蓋增強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；

（2）對測量的SINR進行濾波，并考慮ACK/NACK外環調整，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，查表得到重復次數和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協議規定eMTC可在20 MHz帶寬內跳頻，可實現提升eMTC覆蓋能力1～2 dB：

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

（2）跳頻的時候，可根據參數配置每隔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來支持大規模的IoT容量。NB-IOT容量評估方法，首先需要從業務模型出發計算單用戶單位時間業務量和單個用戶的業務量，根據不同覆蓋等級的重發次數，分別分析上下行開銷，其次分別計算業務信容量、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)業務模型：發送和接收越頻繁，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越小；

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

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

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

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

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

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

按每1小時發送一包100字節上行數據話務模型計算，在不考慮重復的情況下，基于RB數計算eMTC TDD支持用戶數（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）比例，因為重復后每次數據發送消耗的RB數會按倍數增加，因此支持的用戶數會相應減小，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。當設備從連接狀態轉移到空閑狀態后，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，但設備仍然注冊在網絡中。UE進入PSM模式后，只有在UE需要發送MO數據，或者周期TAU/RAU定時器超時后需要執行周期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，其優點是可進行長時間睡眠，缺點是對MT業務響應不及時，主要應用于表類等對下行實時性要求不高的業務。

對于極低頻次數據發送業務的發送終端，數據發送完成后迅速進入極低功耗的PSM態，期間不監聽網絡，以達到UE節電的目的，如圖7所示。

圖7 PSM技術信令工作流程示意圖

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

空閑態eDRX（Extended DRX）通過延長Idle態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節電的目的，示意圖見圖8。連接態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eDRX涉及UE、基站，不涉及核心網需要核心網升級支持空閑態eDRX功能，MME根據業務類型配置周期。

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，詳細對比了兩者的業務特點、物理資源、網絡容量、部署優勢等方面，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、一定實時性的物聯網需求，但同時對于功耗、成本非常敏感的場景，NB-IoT在現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，運營商在部署物聯網時，應該因地制宜，充分結合兩者的技術特點及業務優勢，才能發揮出這兩種技術的最大價值。