深析蜂窝物联网关键技术NB-IoT及eMTC演进之路

深析蜂窝物联网关键技术NB-IoT及eMTC演进之路

中国信息通信研究院泰尔终端实验室|宋爱慧 赵慧麟 孙向前 【期刊名称】通信世界 【年(卷),期】2018(000)019 【总页数】3

eMTC和NB-IoT各有所长，适用于不同的应用场景。eMTC支持语音和切换，速率相对较高，适合高可靠和时延敏感型业务；NBIoT的特点在于更深的覆盖，更低的功耗和成本，适合低功耗、深度覆盖、对时延不敏感的业务。

物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业革命性发展。移动通信正在从人和人的连接向人与物以及物与物的连接迈进。全球移动终端连接数的增长率，从2013年开始，就在3%～5%之间徘徊。全球移动用户数在2017年底达到了78.56亿，用户渗透率已达103.44%，用户数已经饱和。蜂窝M2M连接数目的增长率近几年平均在30%左右。中国的蜂窝物联连接数增长率连续几年超过了全球的平均增长率（见图1、图2）。蜂窝物联网业务虽然目前占比较小，但是增速非常可观，因此蜂窝物联网获得了业内的广泛关注。 随着移动宽带时代的到来，公众电信服务越来越趋于饱和，对运营商来说，需要找到新的增长点，而LPWA（低功耗广覆盖）物联网市场就是一个潜在的巨大市场。

蜂窝物联网技术总体情况

在技术标准方面，3GPP在R13引入了支持物联网应用的两大特色技术NBIoT和eMTC，为了降低功耗引入了eDRX技术，更好地支持小数据包引入了CIoT信令优化流程；R14、R15中则对NB-IoT和eMTC技术持续进行了增强。

NB-IoT标准项目于2015年9月在3GPP正式立项，2016年6月完成了核心规范。NB-IoT目前只支持FDD半双工工作方式，可以采用In-band、Guard band、Standalone这3种部署方式，终端射频带宽仅有200kHz，引入了20dBm的新UE功率等级。NB-IoT最突出的是低功耗、低成本、广覆盖、大连接这四大特性。低功耗主要靠PSM和eDRX以及CP/UP模式的信令流程优化。20dB的覆盖增益主要通过灵活的上下行重传机制，以及上行引入了Single tone的概念，子载波带宽最低可为3.75kHz，从而进一步降低发射机带宽，提升功率谱密度。低成本主要得益于在工作带宽、双工方式、天线、功能等各方面进行了最大程度的简化。

eMTC标准项目于2014年9月在3GPP立项，2016年3月完成了核心规范。eMTC可支持各种双工方式（FDD半双工、FDD全双工、TDD），eTMC终端射频带宽为1.4MHz，可以在LTE小区内和其他LTE终端频率复用。如果NB-IoT是为低功耗、低成本、广覆盖专门定制的一个比较新的系统和技术，那么eMTC则尽可能继承了LTE的原有特性和工作流程，但是为了降低终端复杂度，将终端的基带工作带宽限制在6个PRB以内，通过重传技术实现覆盖增强，通过简化物理信道、减少支持的MIMO传输模式种类，降低终端复杂度。eMTC也支持PSM和eDRX节电技术，但是有些具体参数和NB-IoT不同，比如睡眠周期NB-IoT可以设置得更长。基于终端的能力，eMTC也可支持CIoT的CP和UP方案。

对比NB-IoT和eMTC这两种技术，eMTC最大的特点是支持语音和切换，速率相对较高，适合高可靠和时延敏感型业务；NB-IoT的特点在于更深的覆盖，更低的功耗和成本，适合低功耗、深度覆盖、对时延不敏感的业务。R14 版本

的NBIoT依然不支持语音，速率依然在百kbit/s数量级。总体上可以说eMTC和NB-IoT各有所长，适用于不同的应用场景。

NB-IoT增强技术

为了满足更多的应用场景和市场需求，3GPP在R14中对NB-IoT进行了一系列增强并于2017年6月完成了核心规范。增强技术包括增加了多播和定位功能，提供更高的数据速率，在非锚点载波上进行寻呼和随机接入，增强连接态的移动性，支持更低UE功率等级。 ● 多播功能

为了更有效地支持消息群发、软件升级等功能，NB-IoT增强引入了多播技术。多播技术基于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，终端通过SC-MTCH接收群发的业务数据。为了降低复杂度，NB-IoT终端仅在RRC_IDLE态进行SC-PTM接收。 ● 定位功能

定位服务是物联网诸多业务的基础需求，基于位置信息可以衍生出很多增值服务如图3。NB-IoT增强引入了OTDOA和E-CID定位技术。终端可以向网络上报其支持的定位技术，包括基于OTDOA、A-GNSS、E-CID、WLAN和蓝牙等定位技术，网络侧根据终端的能力和当下的无线环境，选择合适的定位技术。

● 数据速率提升

R14中引入了新的能力能级UE Category NB2，Cat NB2 UE支持的最大传输块上下行都提高到2536比特，一个非锚点载波的上下行峰值速率可提高到140/125 kbit/s。