NB-IoT和eMTC的關(guān)鍵技術(shù)對(duì)比

NB-IoT和eMTC同屬于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)，也同時(shí)具備了蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的“3C”特征：

?Coverage 增強(qiáng)覆蓋

?Consumption 低功耗

?Cost 低成本

為了滿足“3C”目標(biāo)，NB-IoT和eMTC的實(shí)現(xiàn)方式也有不同之處，具體如下：

NB-IoT和eMTC的關(guān)鍵技術(shù)對(duì)比

1

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增強(qiáng)覆蓋

NB-IoT的覆蓋目標(biāo)是MCL 164dB，其覆蓋增強(qiáng)主要通過(guò)提升上行功率譜密度和重復(fù)發(fā)送來(lái)實(shí)現(xiàn)。

eMTC的覆蓋目標(biāo)是MCL 155.7dB，其功率譜密度與LTE相同，覆蓋增強(qiáng)主要是通過(guò)重復(fù)發(fā)送和跳頻來(lái)實(shí)現(xiàn)。

MCL，(Maximum Coupling Loss，最大耦合損耗），指從基站天線端口到終端天線端口的路徑損耗。從覆蓋目標(biāo)看，eMTC比NB-IoT低8dB左右。

重復(fù)發(fā)送如何增強(qiáng)覆蓋？

重復(fù)發(fā)送就是在多個(gè)子幀傳送一個(gè)傳輸塊。Repetition Gain=10log Repetition Times，也就是說(shuō)重傳2次，就可以提升3dB啊。NB-IoT最大可支持下行2048次重傳，上行128次重傳。

NB-IoT和eMTC均采用了重復(fù)發(fā)送的方式來(lái)增強(qiáng)覆蓋。

提升上行功率譜密度如何增強(qiáng)覆蓋？

上下行控制信息與業(yè)務(wù)信息在更窄的LTE帶寬中發(fā)送，相同發(fā)射功率下的PSD（Power Spectrum Density）增益更大，降低接收方的解調(diào)要求。

在下行方向，若NB-IoT采用獨(dú)立部署模式，下行發(fā)射功率可獨(dú)立配置，其功率譜密度與GSM相同，但比LTE FDD功率譜密度高14dB左右。

在上行方向，由于NB-IoT最小調(diào)度帶寬為3.75K或15K，上行功率譜密度最大增強(qiáng)17dB，考慮GSM終端發(fā)射功率最大可以到33dBm，NB-IoT發(fā)射功率最大23dBm，所以實(shí)際NB-IoT終端比GSM終端功率譜密度最高可達(dá)7dB左右。

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)送和跳頻實(shí)現(xiàn)覆蓋增強(qiáng)。

對(duì)于NB-IoT，值得一提的是：

?在下行方向，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。

?在上行方向，三種模式基本沒(méi)區(qū)別。

2

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低功耗

在低功耗上，NB-IoT和eMTC采用相同的技術(shù)，包括：PSM、eDRX和延長(zhǎng)周期定時(shí)器。

①PSM（power saving mode，省電模式）

手機(jī)需要時(shí)刻待命，不然有人打電話給你找不到怎么辦？但這意味著手機(jī)需不時(shí)監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)，這是要耗電的。

但物聯(lián)網(wǎng)終端不同于手機(jī)，絕大部分時(shí)間處于深度睡眠狀態(tài)，每天甚至每周就上報(bào)一兩條消息后，在idle態(tài)停留一段時(shí)間后便進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)，不用監(jiān)聽(tīng)空口消息。

PSM就是讓物聯(lián)網(wǎng)終端發(fā)完數(shù)據(jù)就進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)，類似于關(guān)機(jī)，不進(jìn)行任何通信活動(dòng)。

②eDRX

DRX(Discontinuous Reception)，即不連續(xù)接收。eDRX就是擴(kuò)展的不連續(xù)接收。

手機(jī)可以斷斷續(xù)續(xù)的接收信號(hào)以達(dá)到省電的目的。NB-IoT和eMTC擴(kuò)展了這個(gè)斷續(xù)間隔，更加省電。

③延長(zhǎng)周期定時(shí)器

靈活配置長(zhǎng)周期位置更新定時(shí)器RAU/TAU，減少喚醒次數(shù)。

3

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低成本

如何降低成本，包括減少協(xié)議棧處理開(kāi)銷、單天線和FDD半雙工模式以降低RF成本、低速率和低帶寬本身意味著降低芯片處理的復(fù)雜度等等。

比如FDD半雙工模式，意味著不必同時(shí)處理發(fā)送和接收，比起全雙工成本更低廉，更省電。

NB-IoT和eMTC的技術(shù)參數(shù)對(duì)比

NB-IoT和eMTC主要差異在于：

NB-IoT追求的是最低的成本，最長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間，沒(méi)有移動(dòng)性、數(shù)據(jù)速率非常低，它比較適合于無(wú)移動(dòng)性，小數(shù)據(jù)量，對(duì)時(shí)延不敏感，對(duì)成本很敏感，終端數(shù)量級(jí)大的應(yīng)用，比如智能停車，智能燈桿，智能抄表等。

為了滿足更多的應(yīng)用場(chǎng)景和市場(chǎng)需求，Re-14和后續(xù)版本將對(duì)NB-IoT進(jìn)行了一系列增強(qiáng)技術(shù)，包括增加了定位和多播功能，提供更高的數(shù)據(jù)速率，在非錨點(diǎn)載波上進(jìn)行尋呼和隨機(jī)接入，增強(qiáng)連接態(tài)的移動(dòng)性，支持更低UE功率等級(jí)等。

eMTC支持語(yǔ)音，傳輸速率較快，支持移動(dòng)性，但模塊成本相對(duì)較高，適合于可穿戴設(shè)備、健康監(jiān)測(cè)、室內(nèi)移動(dòng)應(yīng)用等。

NB-IoT和eMTC部署方式對(duì)比

1

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NB-IoT部署方式

NB-IoT分為三種部署方式：獨(dú)立部署（Stand alone）、保護(hù)帶部署（Guard band）和帶內(nèi)部署（In-band）。

獨(dú)立部署適用于重耕GSM頻段，GSM的信道帶寬為200KHz，這剛好為NB-IoT 180KHz帶寬辟出空間，且兩邊還有10KHz的保護(hù)間隔。

保護(hù)帶部署利用LTE邊緣保護(hù)頻帶中未使用的180KHz帶寬的資源塊。

帶內(nèi)部署利用LTE載波中間的任何資源塊。不過(guò)，在帶內(nèi)部署模式下，有些PRB，NB-IoT是不能占用的。

2

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eMTC部署方式

eMTC支持與LTE共同部署，也支持獨(dú)立部署。

主要采用LTE帶內(nèi)部署方式，支持TDD和FDD兩種方式。eMTC和LTE在同一頻段內(nèi)協(xié)同工作，由基站統(tǒng)一進(jìn)行資源分配，共用部分控制信道。因此，運(yùn)營(yíng)商可以在已有的LTE頻段內(nèi)直接部署eMTC，無(wú)需再分配單獨(dú)的頻譜。

NB-IoT和eMTC物理層技術(shù)對(duì)比

1

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時(shí)頻域結(jié)構(gòu)對(duì)比

NB-IoT

下行：

NB-IoT下行與LTE一致，采用正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)，子載波間隔15kHz，時(shí)隙、子幀和無(wú)線幀長(zhǎng)分別為0.5ms、1ms和10ms，包括每時(shí)隙的OFDM符號(hào)數(shù)和循環(huán)前綴（cyclic prefix）都是與LTE一樣的。

NB-IoT載波帶寬為180KHz，相當(dāng)于LTE一個(gè)PRB(Physical Resource Block)的頻寬，即12個(gè)子載波*15KHz/子載波=180KHz，這確保了下行與LTE的相容性。比如，在采用LTE載波帶內(nèi)部署時(shí)，可保持下行NB-IoT PRB與其它LTE PRB的正交性。

上行：

NB-IoT上行支持多頻傳輸（multi-tone）和單頻（single- tone）傳輸。

多頻傳輸基于SC-FDMA，子載波間隔為15kHz，0.5ms時(shí)隙，1ms子幀（與LTE一樣）。

單頻傳輸子載波間隔可為15KHz以及3.75KHz，其中15KHz與LTE一樣，以保持兩者在上行的相容性；其中當(dāng)子載波為3.75KHz時(shí)，其幀結(jié)構(gòu)中一個(gè)時(shí)隙為2ms長(zhǎng)（包含7個(gè)符號(hào)），15KHz為3.75KHz的整數(shù)倍，所以對(duì)LTE系統(tǒng)有較小的干擾。

eMTC

eMTC是LTE的演進(jìn)功能，頻域結(jié)構(gòu)與LTE保持一致，在TDD及FDD LTE 1.4M~20MHz系統(tǒng)帶寬上都有定義，但無(wú)論在哪種帶寬下工作，eMTC的最大調(diào)度為6RB，3GPP定義將LTE系統(tǒng)寬帶劃分為一系列6個(gè)RB的窄帶（NB），eMTC窄帶劃分方式如下圖所示：

eMTC的幀結(jié)構(gòu)與LTE一致。

2

●

物理信道對(duì)比

NB-IoT的物理信道

下行：

對(duì)于下行鏈路，NB-IoT定義了三種物理信道：

①NPBCH，窄帶物理廣播信道

②NPDCCH，窄帶物理下行控制信道

③NPDSCH，窄帶物理下行共享信道

還定義了兩種物理信號(hào)：

①NRS，窄帶參考信號(hào)

②NPSS和NSSS，主同步信號(hào)和輔同步信號(hào)

與LTE不同，由于NB-IoT頻率帶寬最多只有1個(gè)PRB，因此，這些下行物理信道間采用時(shí)分復(fù)用模式，也就是在不同的時(shí)間上輪流出現(xiàn)。

▲NB-IoT下行物理信道和信號(hào)之間的時(shí)分復(fù)用

如上圖，NB-IoT子幀被分配給了不同的物理信道和信號(hào)，每一個(gè)NB-IoT子幀在頻域上是一個(gè)PRB（12個(gè)子載波），在時(shí)域上為1ms。

NPBCH

NPBCH信道與LTE的PBCH不同，廣播周期640ms，重復(fù)8次發(fā)送，如下圖所示，終端接收若干個(gè)子幀信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。

NPBCH位于每無(wú)線幀中的子幀#0，承載MIB-NB（Narrowband Master Information Block），其余系統(tǒng)信息如SIB1-NB等承載于NPDSCH中。

NPDCCH

NPDCCH承載上行和下行數(shù)據(jù)信道的調(diào)度信息，包括上行數(shù)據(jù)信道的HARQ確認(rèn)信息、尋呼指示和隨機(jī)接入響應(yīng)調(diào)度信息、來(lái)自更高層的數(shù)據(jù)信息、尋呼消息、系統(tǒng)消息和隨機(jī)接入響應(yīng)消息等。

LTE的PDCCH固定使用子幀前幾個(gè)符號(hào)，NPDCCH與PDCCH差別較大，使用的NCCE（Narrowband Control Channel Element，窄帶控制信道資源）頻域上占6個(gè)子載波。

Stand alone和Guard band模式下，可使用所有 OFDM 符號(hào)，In-Band模式下，錯(cuò)開(kāi)LTE的控制符號(hào)位置。NPDCCH有2種format：

?NPDCCH format 0的聚合等級(jí)為 1，占用NCCE0或NCCE1

?NPDCCH format 1的聚合等級(jí)為 2，占用NCCE0和NCCE1。

NPDCCH最大重復(fù)次數(shù)可配,取值范圍 {1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048}。

NPDSCH

NPDSCH頻域資源占12個(gè)子載波，Standalone和Guard band模式下，使用全部OFDM符號(hào)。In-band模式時(shí)需錯(cuò)開(kāi)LTE控制域的符號(hào)，由于SIB1-NB中指示控制域符號(hào)數(shù)，因此如果是SIB1-NB使用的NPDSCH子幀時(shí)，固定錯(cuò)開(kāi)前3個(gè)符號(hào)。

NPDSCH調(diào)制方式為QPSK，MCS 只有 0~12。重復(fù)次數(shù) {1, 2, 4, 8, 16,32, 64, 128, 192, 256, 384, 512, 768, 1024, 1536, 2048}。

NRS

NRS（窄帶參考信號(hào)），也稱為導(dǎo)頻信號(hào)，主要作用是下行信道質(zhì)量測(cè)量估計(jì)，用于終端的相干檢測(cè)和解調(diào)。在用于廣播和下行專用信道時(shí)，所有下行子幀都要傳輸NRS，無(wú)論有無(wú)數(shù)據(jù)傳送。

NRS與承載NPBCH、NPDCCH和NPDSCH的子幀中的信息承載符號(hào)時(shí)頻復(fù)用，每天線端口每子幀使用8個(gè)RE。

NPSS和NSSS

NPSS和NSSS用于NB-IoT終端執(zhí)行小區(qū)搜索，包括時(shí)間、頻率同步和偵測(cè)Cell ID。因?yàn)長(zhǎng)TE的同步序列占用6個(gè)PRB，NB-IoT不能占用這6個(gè)PRB。為避免沖突，NB-IoT需要重新設(shè)計(jì)。

NPSS位于每10ms無(wú)線幀中5號(hào)子幀（＃5），周期為10ms，使用每子幀中的最后11個(gè)OFDM符號(hào)（如下圖）。

對(duì)于NB-IoT終端來(lái)講，執(zhí)行NPSS檢測(cè)是一項(xiàng)計(jì)算復(fù)雜的過(guò)程，有違于其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化的目標(biāo)，因此，NPSS的設(shè)計(jì)為短的ZC(Zadoff-Chu)序列。

NSSS位于子幀#9，周期為20ms，僅出現(xiàn)于偶數(shù)幀，同樣使用每子幀中的最后11個(gè)OFDM符號(hào)。

NPSS為NB-IoT終端提供時(shí)間和頻率同步參考信號(hào)，與LTE不同的是，NPSS中不攜帶任何小區(qū)信息，NSSS帶有PCI。

上行：

對(duì)于上行鏈路，NB-IoT定義了兩種物理信道：

①NPUSCH，窄帶物理上行共享信道。

②NPRACH，窄帶物理隨機(jī)接入信道。

還有DMRS，上行解調(diào)參考信號(hào)。

NPRACH

由于LTE的PRACH信道帶寬為1.08MHz，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NB-IoT上行帶寬，因此需重新設(shè)計(jì)。

和LTE的Random Access Preamble不同，NB-IoT的Random Access Preamble是單頻傳輸，子載波間隔3.75kHz，占用1個(gè)子載波，有Preamble format0和fomrat1 兩種格式，對(duì)應(yīng)66.7us和266.7us兩種CP長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)不同的小區(qū)半徑。

一次的Random Access Preamble傳送包含四個(gè)Symbol Group，組成1個(gè)NPRACH信道，一個(gè)Symbol Group包括5個(gè)Symbol和1個(gè)CP（如下圖）。

當(dāng)CP長(zhǎng)度為66.67s (Format 0) 時(shí)，小區(qū)覆蓋半徑達(dá)10公里。當(dāng)CP長(zhǎng)度為266.7s (Format 1) ，覆蓋半徑達(dá)40公里。為了擴(kuò)展覆蓋，NPRACH信道可通過(guò)重復(fù)獲得覆蓋增強(qiáng)，重復(fù)次數(shù)可以是 {1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128}。

NPUSCH

NPUSCH用來(lái)傳送上行數(shù)據(jù)以及上行控制信息，上行子載波間隔有3.75KHz和15KHz兩種，上行有兩種傳輸方式：?jiǎn)屋d波傳輸 (Single tone)和多載波傳輸(Multi-tone)，其中 Single tone的子載波帶寬包括3.75KHz和 15KHz兩種，Multi-tone子載波間隔15KHz，支持3、6、12個(gè)子載波的傳輸。

NPUSCH定義了兩種格式：Format 1和Format 2。

Format 1為UL-SCH上的上行信道數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)，使用與LTE相同的Turbo碼糾錯(cuò)，其資源塊大小遠(yuǎn)低于LTE，不大于1000 bits。

Format 2用于NPDSCH的HARQ確認(rèn)信令，傳送上行控制信息（UCI），使用重復(fù)碼來(lái)糾錯(cuò)。

映射到傳輸快的最小單元叫資源單元（RU，resource unit），它由NPUSCH格式和子載波空間決定。上行傳輸資源是以RU（Resource Unit）為單位進(jìn)行分配的，Single tone和Mulit-tone的RU單位定義如下，調(diào)度RU數(shù)可以為 {1,2,3,4,5,6,8,10}，在NPDCCH N0中指示。

有別于LTE系統(tǒng)中的資源分配的基本單位為子幀，NB-IoT根據(jù)子載波和時(shí)隙數(shù)目來(lái)作為資源分配的基本單位：

對(duì)于NPUSCH format 1，當(dāng)子載波空間為3.75 kHz時(shí)，只支持單頻傳輸，一個(gè)RU在頻域上包含1個(gè)子載波，在時(shí)域上包含16個(gè)時(shí)隙，所以，一個(gè)RU的長(zhǎng)度為32ms。

當(dāng)子載波空間為15kHz時(shí)，支持單頻傳輸和多頻傳輸，一個(gè)RU包含1個(gè)子載波和16個(gè)時(shí)隙，長(zhǎng)度為8ms；當(dāng)一個(gè)RU包含12個(gè)子載波時(shí)，則有2個(gè)時(shí)隙的時(shí)間長(zhǎng)度，即1ms，此資源單位剛好是LTE系統(tǒng)中的一個(gè)子幀。資源單位的時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為2的冪次方，是為了更有效的運(yùn)用資源，避免產(chǎn)生資源空隙而造成資源浪費(fèi)。

對(duì)于NPUSCH format 2，RU總是由1個(gè)子載波和4個(gè)時(shí)隙組成，所以，當(dāng)子載波空間為3.75 kHz時(shí)，一個(gè)RU時(shí)長(zhǎng)為8ms；當(dāng)子載波空間為15kHz時(shí)，一個(gè)RU時(shí)長(zhǎng)為2ms。

NPUSCH采用低階調(diào)制編碼方式MCS 0`11，重復(fù)次數(shù)為 {1,2,4,8,16,32,64,128}。

DMRS

DMRS用于信道估計(jì)。NPUSCH Format 1格式與LTE PUSCH時(shí)隙結(jié)構(gòu)相同，每時(shí)隙7個(gè)OFDM符號(hào)，中間一個(gè)符號(hào)作為DMRS。Format 2格式同樣為每時(shí)隙7個(gè)OFDM符號(hào)，但將中間3個(gè)符號(hào)用作DMRS。

eMTC的物理信道

eMTC的子幀結(jié)構(gòu)與LTE相同，與LTE相比，eMTC下行PSS/SSS及CRS與LTE一致，同時(shí)取消了PCFICH、PHICH信道，兼容LTE PBCH，增加重復(fù)發(fā)送以增強(qiáng)覆蓋，MPDCCH基于 LTE的EPDCCH設(shè)計(jì)，支持重復(fù)發(fā)送，PDSCH采用跨子幀調(diào)度。上行PRACH、PUSCH、PUCCH與現(xiàn)有LTE結(jié)構(gòu)類似。

eMTC最多可定義4個(gè)覆蓋等級(jí)，每個(gè)覆蓋等級(jí)PRACH可配置不同的重復(fù)次數(shù)。eMTC根據(jù)重復(fù)次數(shù)的不同，分為Mode A及Mode B，Mode A無(wú)重復(fù)或重復(fù)次數(shù)較少，Mode B 重復(fù)次數(shù)較多。

▲eMTC的不同信道在Mode A和Mode B下的最大重傳次數(shù)

下行：

PBCH

eMTC PBCH完全兼容LTE系統(tǒng)，周期為40ms，支持 eMTC的小區(qū)有字段指示。采用重復(fù)發(fā)送增強(qiáng)覆蓋，每次最多傳輸重復(fù)5次發(fā)送。

MPDCCH

MPDCCH（MTC Physical Downlink Control Channel）用于發(fā)送調(diào)度信息，基于LTE R11的EPDCCH設(shè)計(jì)，終端基于DMRS來(lái)接收控制信息，支持控制信息預(yù)編碼和波束賦形等 功能，一 個(gè)EPDCCH傳輸一個(gè)或多個(gè)ECCE（Enhanced Control Channel Element，增強(qiáng)控制信道資源），聚合等級(jí)為 {1,2,4,8,16,32}，每個(gè)ECCE由多個(gè)EREG（Enhanced Resource Element Group）組成。

MPDCCH最大重復(fù)次數(shù)Rmax可配，取值范圍 {1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256}。

PDSCH

eMTC PDSCH與LTE PDSCH信道基本相同，但增加了重復(fù)和窄帶間跳頻，用于提高PDSCH信道覆蓋能力和干擾平均化。eMTC終端可工作在ModeA和ModeB兩種模式：

?在 Mode A 模式下，上行和下行HARQ進(jìn)程數(shù)最大為8，在該模式下，PDSCH重復(fù)次數(shù)為 {1,4,16,32}

?在 Mode B 模式下，上行和下行HARQ進(jìn)程數(shù)最大為2，在該模式下，PDSCH重復(fù)次數(shù)為 {4,16,64,128,256,512,1024,2048 }

上行：

PRACH

eMTC的PRACH的時(shí)頻域資源配置沿用LTE的設(shè)計(jì)，支持format 0,1,2,3。頻率占用6個(gè)PRB資源，不同重復(fù)次數(shù)之間的發(fā)送支持窄帶間跳頻。每個(gè)覆蓋等級(jí)可以配置不同的PRACH 參數(shù)。

PRACH信道通過(guò)重復(fù)獲得覆蓋增強(qiáng)，重復(fù)次數(shù)可以是 {1,2,4,8,16,32,64, 128,256}。

PUCCH

PUCCH頻域資源格式與LTE相同，支持跳頻和重復(fù)發(fā)送。

Mode A支持PUCCH上發(fā)送HARQ-ACK/NACK、SR、CSI，即支持PUCCH format 1/1a/2/2a，支持的重復(fù)次數(shù)為 {1,2,4,8}；Mode B不支持CSI反饋，即僅支持PUCCH format 1/1a，支持的重復(fù)次數(shù)為 {4,8,16,32}。

PUSCH

PUSCH與LTE 一樣，但可調(diào)度的最大RB數(shù)限制為6個(gè)。支持Mode A和Mode B兩種模式，Mode A重復(fù)次數(shù)可以是 {8,16,32}，支持最多8個(gè)進(jìn)程，速率較高；Mode B覆蓋距離更遠(yuǎn)，重復(fù)次數(shù)可以是 {192,256,384,512,768,1024,1536,2048}，最多支持上行2個(gè)HARQ進(jìn)程。

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