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

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。

图1 蜂窝M2M连接数(数据来源：GSMA Database)

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。

图2 中国蜂窝M2M连接数占全球比例 (数据来源：GSMA Database)

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。

图3 定位功能

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。

● 非锚点载波增强

为了获得更好的负载均衡，R14中增加了在非锚点载波上进行寻呼和随机接入的功能，R14的NB-IoT终端必须支持非锚点载波上的PRACH和寻呼。这样网络可以更好地支持大连接，减少随机接入冲突概率。

● 移动性增强

R14中NB-IoT控制面CIoT EPS优化方案引入了RRC连接重建和S1 eNB Relocation Indication流程。RRC连接重建时，原基站可以通过S1 eNB Relocation Indication流程把没有下发的NAS数据还给MME，MME再通过新基站下发给UE。用户面CIoT EPS优化方案在无线链路失败时，使用LTE原有切换流程中的数据前传功能。

● 更低UE功率等级

R14在原有23/20dBm功率等级的基础上，引入了14dBm的UE功率等级。这样可以满足一些无需深度覆盖但是需要小容量电池的应用场景。

R14的NB-IoT增强技术，在2017年6月份完成了核心规范，2017年底完成了性能规范。3GPP在R15中对NB-IoT进行了进一步增强，支持TDD工作模式，并在降低时延、降低功耗、提高测量精度、提高NPRACH检测精度、减少小区搜索时间、接入控制等方面进行了增强。该项标准化工作计划在2018年6月完成核心规范，2018年底完成性能规范。

eMTC增强技术

R13中引入的eMTC主要包括支持覆盖增强模式、扩展非连续接收、降低终端复杂度等关键技术。为了更好地支持日益丰富的应用场景，R14中对eMTC从多播、数据速率、定位、VoLTE和移动性等方面进行了增强。

● 多播功能

为了支持消息群发、批量终端固件软件升级等应用场景，eTMC增强引入了基于SC-PTM的多播技术。和LTE类似，SIB20包含了SC-MCCH的配置信息，SCMCCH中包含了最多128个SC-MTCH的信息。每条SC-MTCH可以通过配置来选择在1.4MH在带宽下支持1Mbit/s的速率，或者在5MHz的带宽下支持4Mbit/s的速率。为了保持终端的低复杂度，UE仅需在RRC_IDLE态接收SC-PTM，并且不要求终端同时处理SC-MCCH和SC-MTCH，在寻呼和随机接入的时候也不需要终端处理SC-PTM传输；MT呼叫和MO信令都比MBMS接收的优先级高，终端接收MBMS服务时应具备来电通知的能力，终端也可以选择因主动发起呼叫而暂停MBMS接收。

● 定位增强

定位增强技术主要包括增加定位相关测量的性能要求，增加PRS（定位参考信号）个数，缩小PRS间隔和增加PRS传输持续长度三个方面。R13已经支持基于E-CID和OTDOA的定位所需的信令，但是并没有相应的测量性能要求，在R14中引入了定位所需的测量性能要求。eMTC终端在覆盖增强模式下工作时信噪比较低，定位增强技术将每个终端的定位参考信号从1条增加到3条；将PRS最小传输间隔从160毫秒下降到10毫秒，PRS传输持续时长从6毫秒上升到160毫秒；从而增强OTDOA定位的性能。

● 数据速率提升

R13中引入的CE Mode A和CE Mode B，传统LTE和Cat-M1终端都可以支持，但是覆盖增强模式下工作带宽被限制在1.4MHz。R13 Cat-M1终端射频带宽为1.4MHz，支持的上下行峰值速率为1Mbit/s。R14中为了提高终端速率，引入了以下技术。

一是引入新终端类型UE Category M2（Cat-M2）。Cat-M2终端射频带宽为5MHz，在全双工FDD工作模式时上下行峰值速率分别可达7Mbit/s和4Mbit/s。

二是Cat-M1支持更高上行峰值速率。Cat-M1终端上行支持的最大传输块大小，从R13的1000比特提升到2984比特；这样可在不明显提升终端的复杂度的同时明显提升上行峰值速率。

三是覆盖增强模式下支持更宽的带宽。CE mode A和CE mode B支持的最大带宽，下行由1.4MHz提升到5MHz或20MHz；CE mode A上行由1.4MHz提升至5MHz。为了尽可能复用R13的设计，控制信令如MPDCCH和系统信息的带宽仍然限制在1.4MHz以内。

四是半双工FDD HARQ-ACK捆绑。在半双工FDD工作模式下，UE需要切换到上行去发送下行数据的HARQ-ACK反馈。引入HARQ-ACK捆绑功能之后，终端可以将多个下行传输块的HARQ-ACK一起传输，从而有更多时间来接收下行数据，进而提高数据速率。

上述这些增强特性对Cat-M2和处于覆盖增强模式的传统LTE终端都适用。Cat-M1可支持除更宽带宽以外的其他增强特性。

图4 NB-IoT/eMTC网络发展(数据来源：GSMA)

● VoLTE增强

R13中eMTC已可支持VoLTE。 R14中引入了以下几个提升VoLTE覆盖和性能的增强技术。

一是SRS覆盖增强。在TDD特殊子帧中引入了Sounding参考信号重复功能以提升链路自适应性能。

二是动态HARQ-ACK时延。在下行控制信息DCI中引入了用来指示HARQACK时延的域，这样可以更灵活地在上行链路进行下行传输块的HARQ-ACK反馈。

三是新增PUSCH重复系数。对于上行数据信道PUSCH，在已有子帧重复系数(1,2,4,8,16,32)的基础上，新增（12,24）这两种子帧重复系数，从而可以更有效地利用子帧资源。

● 移动性增强

R13可以完整支持同频切换，规范中包括同频/异频测量相关信令和同频测量性能要求。R14中引入了异频测量性能要求，从而可以从信令和性能要求两个层面完整地支持异频测量和异频切换。

R14的eMTC增强技术在2017年6月份完成了核心规范，2017年底完成了性能规范。3GPP在R15中对eMTC进行了进一步增强，主要从降低时延、降低功耗、提升提高频谱效率和增强负载控制方面进行一系列增强。该项标准化工作计划在2018年6月完成核心规范，2018年底完成性能规范。

蜂窝物联网产业发展情况

截至2018年4月初，全球共有50个NB-IoT商用网络，15个eMTC商用网络；此外还分别有58/19个正在试验或者计划部署NB-IoT/eMTC网络。

图4是全球NB-IoT和eMTC网络发展柱状图。从图中可以看出，NB-IoT从2017年8月份的8张商用网络，迅速在2018年1月初增长到39张商用网络，发展速度非常可观。

作为产业链重要环节的物联网终端是物联网中连接传感网络层和传输网络层，实现采集数据及向网络层发送数据的设备。物联网终端产品可划分成芯片、模组、物联网终端3个层级。2017年8月，全球已发布14款NB-IoT模组，20款eMTC模组，其中有16款模组同时支持NB-IoT和eMTC。截至2018年1月初，全球共有17款NB-IoT芯片，12款eMTC芯片，其中有10款芯片同时支持NB-IoT和eMTC。

我国蜂窝物联网发展迅猛。工业和信息化部办公厅关于全面推进移动物联网（NB-IoT）建设发展的通知中提到，“加快推进网络部署，构建NB-IoT网络基础设施。到2017年末，实现NB-IoT网络覆盖直辖市、省会城市等主要城市，基站规模达到40万个。到2020年，NB-IoT网络实现全国普遍覆盖，面向室内、交通路网、地下管网等应用场景实现深度覆盖，基站规模达到150万个。”国内三大运营商在全面开展NB-IoT网络建设的同时，也在积极推进各自的物联网生态建设。主流芯片厂商在推出NB-IoT商用芯片之后，继续研发支持R14 NB-IoT增强技术的新产品，预计在2018年下半年推向市场。

蜂窝物联网的应用遍及智能交通、环境保护、公共安全、智能消防、工业监测、环境监测、照明管控、水系监测、食品溯源和情报搜集等多个领域。目前蜂窝物联网发展迅速，产业链日趋成熟，应用日益丰富。随着网络发展、技术演进和应用的拓展，相信蜂窝物联网将会使社会生产更高效，人们生活更美好。