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同屬于蜂窩物聯網 NB-IoT和eMTC的區別在哪里?
高頻彩開獎導航聯網2018-02-08 09:22:26來源︰芯師爺

NB-IoT和eMTC同屬于蜂窩物聯網,也同時具備了蜂窩物聯網的“3C”特征︰

•Coverage 增強覆蓋

•Consumption 低功耗

•Cost 低成本

為了滿足“3C”目標,NB-IoT和eMTC的實現方式也有不同之處,具體如下︰

一、NB-IoT和eMTC的關鍵技術對比

增強覆蓋

NB-IoT的覆蓋目標是MCL 164dB,其覆蓋增強主要通過提升上行功率譜密度和重復發送來實現。

eMTC的覆蓋目標是MCL 155.7dB,其功率譜密度與LTE相同,覆蓋增強主要是通過重復發送和跳頻來實現。

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。從覆蓋目標看,eMTC比NB-IoT低8dB左右。

重復發送如何增強覆蓋?

重復發送就是在多個子幀傳送一個傳輸塊。Repetition Gain=10log  Repetition Times,也就是說重傳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均采用了重復發送的方式來增強覆蓋。

提升上行功率譜密度如何增強覆蓋?

上下行控制信息與業務信息在更窄的LTE帶寬中發送,相同發射功率下的PSD(Power Spectrum Density)增益更大,降低接收方的解調要求。

在下行方向,若NB-IoT采用獨立部署模式,下行發射功率可獨立配置,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最小調度帶寬為3.75K或15K,上行功率譜密度最大增強17dB,考慮GSM終端發射功率最大可以到33dBm,NB-IoT發射功率最大23dBm,所以實際NB-IoT終端比GSM終端功率譜密度最高可達7dB左右。

eMTC與LTE共享發射功率和系統帶寬,在功率譜密度上無增強,主要通過重復發送和跳頻實現覆蓋增強。

對于NB-IoT,值得一提的是︰

•在下行方向,只有獨立部署的功率可獨立配置,帶內和保護帶部署模式的功率均受限于LTE的功率,因此,在帶內和保護帶部署模式下,NB-IoT需要更多重傳次數才能達到與獨立部署模式下相當的覆蓋水平。

•在上行方向,三種模式基本沒區別。

低功耗

在低功耗上,NB-IoT和eMTC采用相同的技術,包括︰PSM、eDRX和延長周期定時器。

?PSM(power saving mode,省電模式)

手機需要時刻待命,不然有人打電話給你找不到怎麼辦?但這意味著手機需不時監听網絡,這是要耗電的。

但物聯網終端不同于手機,絕大部分時間處于深度睡眠狀態,每天甚至每周就上報一兩條消息後,在idle態停留一段時間後便進入深度睡眠狀態,不用監听空口消息。

PSM就是讓物聯網終端發完數據就進入深度睡眠狀態,類似于關機,不進行任何通信活動。

?eDRX

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

手機可以斷斷續續的接收信號以達到省電的目的。NB-IoT和eMTC擴展了這個斷續間隔,更加省電。

?延長周期定時器

靈活配置長周期位置更新定時器RAU/TAU,減少喚醒次數。

低成本

如何降低成本,包括減少協議棧處理開銷、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雜度等等。

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

二、NB-IoT和eMTC的技術參數對比

NB-IoT和eMTC主要差異在于︰

NB-IoT追求的是最低的成本,最長的續航時間,沒有移動性、數據速率非常低,它比較適合于無移動性,小數據量,對時延不敏感,對成本很敏感,終端數量級大的應用,比如智能停車,智能燈桿,智能抄表等。

為了滿足更多的應用場景和市場需求,Re-14和後續版本將對NB-IoT進行了一系列增強技術,包括增加了定位和多播功能,提供更高的數據速率,在非錨點載波上進行尋呼和隨機接入,增強連接態的移動性,支持更低UE功率等級等。

eMTC支持語音,傳輸速率較快,支持移動性,但模塊成本相對較高,適合于可穿戴設備、健康監測、室內移動應用等。

三、NB-IoT和eMTC部署方式對比

NB-IoT部署方式

NB-IoT分為三種部署方式︰獨立部署(Stand alone)、保護帶部署(Guard band)和帶內部署(In-band)。

獨立部署適用于重耕GSM頻段,GSM的信道帶寬為200KHz,這剛好為NB-IoT 180KHz帶寬闢出空間,且兩邊還有10KHz的保護間隔。

保護帶部署利用LTE邊緣保護頻帶中未使用的180KHz帶寬的資源塊。

帶內部署利用LTE載波中間的任何資源塊。不過,在帶內部署模式下,有些PRB,NB-IoT是不能佔用的。

eMTC部署方式

eMTC支持與LTE共同部署,也支持獨立部署。

主要采用LTE帶內部署方式,支持TDD和FDD兩種方式。eMTC和LTE在同一頻段內協同工作,由基站統一進行資源分配,共用部分控制信道。因此,運營商可以在已有的LTE頻段內直接部署eMTC,無需再分配單獨的頻譜。

四、NB-IoT和eMTC物理層技術對比

4.1 時頻域結構對比

NB-IoT

下行︰

NB-IoT下行與LTE一致,采用正交頻分多址(OFDMA)技術,子載波間隔15kHz,時隙、子幀和無線幀長分別為0.5ms、1ms和10ms,包括每時隙的OFDM符號數和循環前綴(cyclic prefix)都是與LTE一樣的。

NB-IoT載波帶寬為180KHz,相當于LTE一個PRB(Physical Resource Block)的頻寬,即12個子載波

*15KHz/子載波=180KHz,這確保了下行與LTE的相容性。比如,在采用LTE載波帶內部署時,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;其中當子載波為3.75KHz時,其幀結構中一個時隙為2ms長(包含7個符號),15KHz為3.75KHz的整數倍,所以對LTE系統有較小的干擾。

eMTC

eMTC是LTE的演進功能,頻域結構與LTE保持一致,在TDD及FDD LTE 1.4M~20MHz系統帶寬上都有定義,但無論在哪種帶寬下工作,eMTC的最大調度為6RB,3GPP定義將LTE系統寬帶劃分為一系列6個RB的窄帶(NB),eMTC窄帶劃分方式如下圖所示︰

eMTC的幀結構與LTE一致。

4.2 物理信道對比

NB-IoT的物理信道

下行︰

對于下行鏈路,NB-IoT定義了三種物理信道︰

?NPBCH,窄帶物理廣播信道

?NPDCCH,窄帶物理下行控制信道

?NPDSCH,窄帶物理下行共享信道

還定義了兩種物理信號︰

?NRS,窄帶參考信號

?NPSS和NSSS,主同步信號和輔同步信號

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

▲NB-IoT下行物理信道和信號之間的時分復用

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

NPBCH

NPBCH信道與LTE的PBCH不同,廣播周期640ms,重復8次發送,如下圖所示,終端接收若干個子幀信號進行解調。

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

NPDCCH

NPDCCH承載上行和下行數據信道的調度信息,包括上行數據信道的HARQ確認信息、尋呼指示和隨機接入響應調度信息、來自更高層的數據信息、尋呼消息、系統消息和隨機接入響應消息等。

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

Stand alone和Guard band模式下,可使用所有 OFDM 符號,In-Band模式下,錯開LTE的控制符號位置。NPDCCH有2種format︰

•NPDCCH format 0的聚合等級為 1,佔用NCCE0或NCCE1

•NPDCCH format 1的聚合等級為 2,佔用NCCE0和NCCE1。

NPDCCH最大重復次數可配,取值範圍 {1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048}。

NPDSCH

NPDSCH頻域資源佔12個子載波,Standalone和Guard band模式下,使用全部OFDM符號。In-band模式時需錯開LTE控制域的符號,由于SIB1-NB中指示控制域符號數,因此如果是SIB1-NB使用的NPDSCH子幀時,固定錯開前3個符號。

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

NRS

NRS(窄帶參考信號),也稱為導頻信號,主要作用是下行信道質量測量估計,用于終端的相干檢測和解調。在用于廣播和下行專用信道時,所有下行子幀都要傳輸NRS,無論有無數據傳送。

NRS與承載NPBCH、NPDCCH和NPDSCH的子幀中的信息承載符號時頻復用,每天線端口每子幀使用8個RE。

NPSS和NSSS

NPSS和NSSS用于NB-IoT終端執行小區搜索,包括時間、頻率同步和偵測Cell ID。因為LTE的同步序列佔用6個PRB,NB-IoT不能佔用這6個PRB。為避免沖突,NB-IoT需要重新設計。

NPSS位于每10ms無線幀中5號子幀(#5),周期為10ms,使用每子幀中的最後11個OFDM符號(如下圖)。

對于NB-IoT終端來講,執行NPSS檢測是一項計算復雜的過程,有違于其設計簡單化的目標,因此,NPSS的設計為短的ZC(Zadoff-Chu)序列。

NSSS位于子幀#9,周期為20ms,僅出現于偶數幀,同樣使用每子幀中的最後11個OFDM符號。

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

上行︰

對于上行鏈路,NB-IoT定義了兩種物理信道︰

?NPUSCH,窄帶物理上行共享信道。

?NPRACH,窄帶物理隨機接入信道。

還有DMRS,上行解調參考信號。

NPRACH

由于LTE的PRACH信道帶寬為1.08MHz,這遠遠高于NB-IoT上行帶寬,因此需重新設計。

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,佔用1個子載波,有Preamble format0和fomrat1 兩種格式,對應66.7us和266.7us兩種CP長度,對應不同的小區半徑。

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

當CP長度為66.67s (Format 0) 時,小區覆蓋半徑達10公里。當CP長度為266.7s (Format 1) ,覆蓋半徑達40公里。為了擴展覆蓋,NPRACH信道可通過重復獲得覆蓋增強,重復次數可以是 {1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128}。

NPUSCH

NPUSCH用來傳送上行數據以及上行控制信息,上行子載波間隔有3.75KHz和15KHz兩種,上行有兩種傳輸方式︰單載波傳輸 (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上的上行信道數據而設計,使用與LTE相同的Turbo碼糾錯,其資源塊大小遠低于LTE,不大于1000 bits。

Format 2用于NPDSCH的HARQ確認信令,傳送上行控制信息(UCI),使用重復碼來糾錯。

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)為單位進行分配的,Single tone和Mulit-tone的RU單位定義如下,調度RU數可以為 {1,2,3,4,5,6,8,10},在NPDCCH N0中指示。

有別于LTE系統中的資源分配的基本單位為子幀,NB-IoT根據子載波和時隙數目來作為資源分配的基本單位︰

對于NPUSCH format 1,

當子載波空間為3.75 kHz時,只支持單頻傳輸,一個RU在頻域上包含1個子載波,在時域上包含16個時隙,所以,一個RU的長度為32ms。

當子載波空間為15kHz時,支持單頻傳輸和多頻傳輸,一個RU包含1個子載波和16個時隙,長度為8ms;當一個RU包含12個子載波時,則有2個時隙的時間長度,即1ms,此資源單位剛好是LTE系統中的一個子幀。資源單位的時間長度設計為2的冪次方,是為了更有效的運用資源,避免產生資源空隙而造成資源浪費。

對于NPUSCH format 2,

RU總是由1個子載波和4個時隙組成,所以,當子載波空間為3.75 kHz時,一個RU時長為8ms;當子載波空間為15kHz時,一個RU時長為2ms。

NPUSCH采用低階調制編碼方式MCS 0`11,重復次數為 {1,2,4,8,16,32,64,128}。

DMRS

DMRS用于信道估計。NPUSCH Format 1格式與LTE PUSCH時隙結構相同,每時隙7個OFDM符號,中間一個符號作為DMRS。Format 2格式同樣為每時隙7個OFDM符號,但將中間3個符號用作DMRS。

eMTC的物理信道

eMTC的子幀結構與LTE相同,與LTE相比,eMTC下行PSS/SSS及CRS與LTE一致,同時取消了PCFICH、PHICH信道,兼容LTE PBCH,增加重復發送以增強覆蓋,MPDCCH基于 LTE的EPDCCH設計,支持重復發送,PDSCH采用跨子幀調度。上行PRACH、PUSCH、PUCCH與現有LTE結構類似。

eMTC最多可定義4個覆蓋等級,每個覆蓋等級PRACH可配置不同的重復次數。eMTC根據重復次數的不同,分為Mode A及Mode B,Mode A無重復或重復次數較少,Mode B 重復次數較多。

▲eMTC的不同信道在Mode A和Mode B下的最大重傳次數

下行︰

PBCH

eMTC PBCH完全兼容LTE系統,周期為40ms,支持 eMTC的小區有字段指示。采用重復發送增強覆蓋,每次最多傳輸重復5次發送。

MPDCCH

MPDCCH(MTC Physical Downlink Control Channel)用于發送調度信息,基于LTE R11的EPDCCH設計,終端基于DMRS來接收控制信息,支持控制信息預編碼和波束賦形等 功能,一 個EPDCCH傳輸一個或多個ECCE(Enhanced Control Channel Element,增強控制信道資源),聚合等級為 {1,2,4,8,16,32},每個ECCE由多個EREG(Enhanced Resource Element Group)組成。

MPDCCH最大重復次數Rmax可配,取值範圍 {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進程數最大為8,在該模式下,PDSCH重復次數為 {1,4,16,32}

•在 Mode B 模式下,上行和下行HARQ進程數最大為2,在該模式下,PDSCH重復次數為 {4,16,64,128,256,512,1024,2048 }

上行︰

PRACH

eMTC的PRACH的時頻域資源配置沿用LTE的設計,支持format 0,1,2,3。頻率佔用6個PRB資源,不同重復次數之間的發送支持窄帶間跳頻。每個覆蓋等級可以配置不同的PRACH 參數。

PRACH信道通過重復獲得覆蓋增強,重復次數可以是 {1,2,4,8,16,32,64, 128,256}。

PUCCH

PUCCH頻域資源格式與LTE相同,支持跳頻和重復發送。

Mode A支持PUCCH上發送HARQ-ACK/NACK、SR、CSI,即支持PUCCH format 1/1a/2/2a,支持的重復次數為 {1,2,4,8};Mode B不支持CSI反饋,即僅支持PUCCH format 1/1a,支持的重復次數為 {4,8,16,32}。

PUSCH

PUSCH與LTE 一樣,但可調度的最大RB數限制為6個。支持Mode A和Mode B兩種模式,Mode A重復次數可以是 {8,16,32},支持最多8個進程,速率較高;Mode B覆蓋距離更遠,重復次數可以是 {192,256,384,512,768,1024,1536,2048},最多支持上行2個HARQ進程。

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