NB-IoT与eMTC差异全解析

NB-IoT与eMTC差异全解析们NB-IoT和eMTC同属于蜂窝物联网，也同时具备了蜂窝物联网的“3C”特征：•Coverage增强覆盖•Consumption低功耗•Cost低成本为了满足“3C”目标，NB-IoT和eMTC的实现方式也有不同之处，具体如下：一NB-IoT和eMTC的关键技术对比增强覆盖NB-IoT的覆盖目标是MCL164dB，其覆盖增强主要通过提升上行功率谱密度和重复发送来实现。eMTC的覆盖目标是MCL155.7dB，其功率谱密度与LTE相同，覆盖增强主要是通过重复发送和跳频来实现。MCL，(MaximumCouplingLoss，最大耦合损耗），指从基站天线端口到终端天线端口的路径损耗。从覆盖目标看，eMTC比NB-IoT低8dB左右。重复发送如何增强覆盖？重复发送就是在多个子帧传送一个传输块。RepetitionGain=10logRepetitionTimes，也就是说重传2次，就可以提升3dB啊。NB-IoT最大可支持下行2048次重传，上行128次重传。NB-IoT和eMTC均采用了重复发送的方式来增强覆盖。提升上行功率谱密度如何增强覆盖？上下行控制信息与业务信息在更窄的LTE带宽中发送，相同发射功率下的PSD（PowerSpectrumDensity）增益更大，降低接收方的解调要求。在下行方向，若NB-IoT采用独立部署模式，下行发射功率可独立配置，其功率谱密度与GSM相同，但比LTEFDD功率谱密度高14dB左右。在上行方向，由于NB-IoT最小调度带宽为3.75K或15K，上行功率谱密度最大增强17dB，考虑GSM终端发射功率最大可以到33dBm，NB-IoT发射功率最大23dBm，所以实际NB-IoT终端比GSM终端功率谱密度最高可达7dB左右。eMTC与LTE共享发射功率和系统带宽，在功率谱密度上无增强，主要通过重复发送和跳频实现覆盖增强。对于NB-IoT，值得一提的是：•在下行方向，只有独立部署的功率可独立配置，带内和保护带部署模式的功率均受限于LTE的功率，因此，在带内和保护带部署模式下，NB-IoT需要更多重传次数才能达到与独立部署模式下相当的覆盖水平。•在上行方向，三种模式基本没区别。低功耗在低功耗上，NB-IoT和eMTC采用相同的技术，包括：PSM、eDRX和延长周期定时器。①PSM（powersavingmode，省电模式）手机需要时刻待命，不然有人打电话给你找不到怎么办？但这意味着手机需不时监听网络，这是要耗电的。但物联网终端不同于手机，绝大部分时间处于深度睡眠状态，每天甚至每周就上报一两条消息后，在idle态停留一段时间后便进入深度睡眠状态，不用监听空口消息。PSM就是让物联网终端发完数据就进入深度睡眠状态，类似于关机，不进行任何通信活动。②eDRXDRX(DiscontinuousReception)，即不连续接收。eDRX就是扩展的不连续接收。手机可以断断续续的接收信号以达到省电的目的。NB-IoT和eMTC扩展了这个断续间隔，更加省电。③延长周期定时器灵活配置长周期位置更新定时器RAU/TAU，减少唤醒次数。低成本如何降低成本，包括减少协议栈处理开销、单天线和FDD半双工模式以降低RF成本、低速率和低带宽本身意味着降低芯片处理的复杂度等等。比如FDD半双工模式，意味着不必同时处理发送和接收，比起全双工成本更低廉，更省电。二NB-IoT和eMTC的技术参数对比NB-IoT和eMTC主要差异在于：NB-IoT追求的是最低的成本，最长的续航时间，没有移动性、数据速率非常低，它比较适合于无移动性，小数据量，对时延不敏感，对成本很敏感，终端数量级大的应用，比如智能停车，智能灯杆，智能抄表等。为了满足更多的应用场景和市场需求，Re-14和后续版本将对NB-IoT进行了一系列增强技术，包括增加了定位和多播功能，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功率等级等。eMTC支持语音，传输速率较快，支持移动性，但模块成本相对较高，适合于可穿戴设备、健康监测、室内移动应用等。三NB-IoT和eMTC部署方式对比NB-IoT部署方式NB-IoT分为三种部署方式：独立部署（Standalone）、保护带部署（Guardband）和带内部署（In-band）。独立部署适用于重耕GSM频段，GSM的信道带宽为200KHz，这刚好为NB-IoT180KHz带宽辟出空间，且两边还有10KHz的保护间隔。保护带部署利用LTE边缘保护频带中未使用的180KHz带宽的资源块。带内部署利用LTE载波中间的任何资源块。不过，在带内部署模式下，有些PRB，NB-IoT是不能占用的。eMTC部署方式eMTC支持与LTE共同部署，也支持独立部署。主要采用LTE带内部署方式，支持TDD和FDD两种方式。eMTC和LTE在同一频段内协同工作，由基站统一进行资源分配，共用部分控制信道。因此，运营商可以在已有的LTE频段内直接部署eMTC，无需再分配单独的频谱。四NB-IoT和eMTC物理层技术对比4.1时频域结构对比NB-IoT下行：NB-IoT下行与LTE一致，采用正交频分多址(OFDMA)技术，子载波间隔15kHz，时隙、子帧和无线帧长分别为0.5ms、1ms和10ms，包括每时隙的OFDM符号数和循环前缀（cyclicprefix）都是与LTE一样的。NB-IoT载波带宽为180KHz，相当于LTE一个PRB(PhysicalResourceBlock)的频宽，即12个子载波*15KHz/子载波=180KHz，这确保了下行与LTE的相容性。比如，在采用LTE载波带内部署时，可保持下行NB-IoTPRB与其它LTEPRB的正交性。上行：NB-IoT上行支持多频传输（multi-tone）和单频（single-tone）传输。多频传输基于SC-FDMA，子载波间隔为15kHz，0.5ms时隙，1ms子帧（与LTE一样）。单频传输子载波间隔可为15KHz以及3.75KHz，其中15KHz与LTE一样，以保持两者在上行的相容性；其中当子载波为3.75KHz时，其帧结构中一个时隙为2ms长（包含7个符号），15KHz为3.75KHz的整数倍，所以对LTE系统有较小的干扰。eMTCeMTC是LTE的演进功能，频域结构与LTE保持一致，在TDD及FDDLTE1.4M~20MHz系统带宽上都有定义，但无论在哪种带宽下工作，eMTC的最大调度为6RB，3GPP定义将LTE系统宽带划分为一系列6个RB的窄带（NB），eMTC窄带划分方式如下图所示：eMTC的帧结构与LTE一致。4.2物理信道对比NB-IoT的物理信道下行：对于下行链路，NB-IoT定义了三种物理信道：①NPBCH，窄带物理广播信道②NPDCCH，窄带物理下行控制信道③NPDSCH，窄带物理下行共享信道还定义了两种物理信号：①NRS，窄带参考信号②NPSS和NSSS，主同步信号和辅同步信号与LTE不同，由于NB-IoT频率带宽最多只有1个PRB，因此，这些下行物理信道间采用时分复用模式，也就是在不同的时间上轮流出现。▲NB-IoT下行物理信道和信号之间的时分复用如上图，NB-IoT子帧被分配给了不同的物理信道和信号，每一个NB-IoT子帧在频域上是一个PRB（12个子载波），在时域上为1ms。NPBCHNPBCH信道与LTE的PBCH不同，广播周期640ms，重复8次发送，如下图所示，终端接收若干个子帧信号进行解调。NPBCH位于每无线帧中的子帧#0，承载MIB-NB（NarrowbandMasterInformationBlock），其余系统信息如SIB1-NB等承载于NPDSCH中。NPDCCHNPDCCH承载上行和下行数据信道的调度信息，包括上行数据信道的HARQ确认信息、寻呼指示和随机接入响应调度信息、来自更高层的数据信息、寻呼消息、系统消息和随机接入响应消息等。LTE的PDCCH固定使用子帧前几个符号，NPDCCH与PDCCH差别较大，使用的NCCE（NarrowbandControlChannelElement，窄带控制信道资源）频域上占6个子载波。Standalone和Guardband模式下，可使用所有OFDM符号，In-Band模式下，错开LTE的控制符号位置。NPDCCH有2种format：•NPDCCHformat0的聚合等级为1，占用NCCE0或NCCE1•NPDCCHformat1的聚合等级为2，占用NCCE0和NCCE1。NPDCCH最大重复次数可配,取值范围{1,2,4,8,16,32,64,128,256,512,1024,2048}。NPDSCHNPDSCH频域资源占12个子载波，Standalone和Guardband模式下，使用全部OFDM符号。In-band模式时需错开LTE控制域的符号，由于SIB1-NB中指示控制域符号数，因此如果是SIB1-NB使用的NPDSCH子帧时，固定错开前3个符号。NPDSCH调制方式为QPSK，MCS只有0~12。重复次数{1,2,4,8,16,32,64,128,192,256,384,512,768,1024,1536,2048}。NRSNRS（窄带参考信号），也称为导频信号，主要作用是下行信道质量测量估计，用于终端的相干检测和解调。在用于广播和下行专用信道时，所有下行子帧都要传输NRS，无论有无数据传送。NRS与承载NPBCH、NPDCCH和NPDSCH的子帧中的信息承载符号时频复用，每天线端口每子帧使用8个RE。NPSS和NSSSNPSS和NSSS用于NB-IoT终端执行小区搜索，包括时间、频率同步和侦测CellID。因为LTE的同步序列占用6个PRB，NB-IoT不能占用这6个PRB。为避免冲突，NB-IoT需要重新设计。NPSS位于每10ms无线帧中5号子帧（＃5），周期为10ms，使用每子帧中的最后11个OFDM符号（如下图）。对于NB-IoT终端来讲，执行NPSS检测是一项计算复杂的过程，有违于其设计简单化的目标，因此，NPSS的设计为短的ZC(Zadoff-Chu)序列。NSSS位于子帧#9，周期为20ms，仅出现于偶数帧，同样使用每子帧中的最后11个OFDM符号。NPSS为NB-IoT终端提供时间和频率同步参考信号，与LTE不同的是，NPSS中不携带任何小区信息，NSSS带有PCI。上行：对于上行链路，NB-IoT定义了两种物理信道：①NPUSCH，窄带物理上行共享信道。②NPRACH，窄带物理随机接入信道。还有DMRS，上行解调参考信号。NPRACH由于LTE的PRACH信道带宽为1.08MHz，这远远高于NB-IoT上行带宽，因此需重新设计。和LTE的RandomAccessPreamble不同，NB-IoT的RandomAccessPreamble是单频传输，子载波间隔3.75kHz，占用1个子载波，有Preambleformat0和fomrat1两种格式，对应66.7us和266.7us两种CP长度，对应不同的小区半径。一次的RandomAccessPreamble传送包含四个SymbolGroup，组成1个NPRACH信道，一个SymbolGroup包括5个Symbol和1个CP（如下图）。当CP长度为66.67s(Format0)时，小区覆盖半径达10公里。当CP长度为266.7s(Format1)，覆盖半径达40公里。为了扩展覆盖，NPRACH信道可通过重复获得覆盖增强，重复次数可以是{1,2,4,8,16,32,64,128}。NPUSCHNPUSCH用来传送上行数据以及上行控制信息，上行子载波间隔有3.75KHz和15KHz两种，上行有两种传输方式：单载波传输(Singletone)和多载波传输(Multi-tone)，其中Singletone的子载波带宽包括3.75KHz和15KHz两种，Multi-tone子载波间隔15KHz，支持3、6、12个子载波的传输。NPUSCH定义了两种格式：F