最新NB-IoT与eMTC差异全解析.doc

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1、精品资料NB-IoT与eMTC差异全解析.NB-IoT与eMTC差异全解析NB-IoT与eMTC差异全解析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MCL 164dB，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MCL 155.7dB，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，(M

2、aximum Coupling Loss，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。Repetition Gain=10log Repetition Times，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（Power Spectrum Density）增益更

3、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LTE FDD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

4、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。PSM（power saving mode，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，

5、类似于关机，不进行任何通信活动。eDRXDRX(Discontinuous Reception)，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。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：

6、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

7、：独立部署（Stand alone）、保护带部署（Guard band）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-IoT 180KHz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

8、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（cyclic prefix）都是与LTE一样的。NB-IoT载波带宽为180KHz，相当于LTE一个PRB(Physical Resource Block)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

9、采用LTE载波带内部署时，可保持下行NB-IoT PRB与其它LTE PRB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

10、及FDD LTE 1.4M20MHz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：NPBCH，窄带物理广播信道NPDCCH，窄带物理下行控制信道NPDSCH，窄带物理下行共享信道还定义了两种物理信号：NRS，窄带参考信号NPSS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

11、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（Narrowband Master Information Block），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H

12、ARQ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（Narrowband Control Channel Element，窄带控制信道资源）频域上占6个子载波。Stand alone和Guard band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：NPDCCH format 0的聚合等级为 1，占用NCCE0或NCCE1NPDCCH format 1的聚合等级为 2，占用NC

13、CE0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Guard band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 012。重复次数 1, 2, 4, 8, 16,32, 64, 128, 192, 256, 384, 512, 768

14、, 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Cell ID。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1

15、0ms，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：NPUSCH，窄带物理上行共享信道。NPRACH，窄带物理随机接入信道。还有DMRS，上行解调参考信号。NPRACH由于LT

16、E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Random Access Preamble不同，NB-IoT的Random Access Preamble是单频传输，子载波间隔3.75kHz，占用1个子载波，有Preamble format0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Random Access Preamble传送包含四个Symbol Group，组成1个NPRACH信道，一个Symbol Group包括5个Symbol和1个CP（如下图）。当CP长度为66.67s (

17、Format 0) 时，小区覆盖半径达10公里。当CP长度为266.7s (Format 1) ，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 (Single tone)和多载波传输(Multi-tone)，其中 Single tone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。N

18、PUSCH定义了两种格式：Format 1和Format 2。Format 1为UL-SCH上的上行信道数据而设计，使用与LTE相同的Turbo码纠错，其资源块大小远低于LTE，不大于1000 bits。Format 2用于NPDSCH的HARQ确认信令，传送上行控制信息（UCI），使用重复码来纠错。映射到传输快的最小单元叫资源单元（RU，resource unit），它由NPUSCH格式和子载波空间决定。上行传输资源是以RU（Resource Unit）为单位进行分配的，Single tone和Mulit-tone的RU单位定义如下，调度RU数可以为 1,2,3,4,5,6,8,10，在NP

19、DCCH N0中指示。有别于LTE系统中的资源分配的基本单位为子帧，NB-IoT根据子载波和时隙数目来作为资源分配的基本单位：对于NPUSCH format 1，当子载波空间为3.75 kHz时，只支持单频传输，一个RU在频域上包含1个子载波，在时域上包含16个时隙，所以，一个RU的长度为32ms。当子载波空间为15kHz时，支持单频传输和多频传输，一个RU包含1个子载波和16个时隙，长度为8ms；当一个RU包含12个子载波时，则有2个时隙的时间长度，即1ms，此资源单位刚好是LTE系统中的一个子帧。资源单位的时间长度设计为2的幂次方，是为了更有效的运用资源，避免产生资源空隙而造成资源浪费。对

20、于NPUSCH format 2，RU总是由1个子载波和4个时隙组成，所以，当子载波空间为3.75 kHz时，一个RU时长为8ms；当子载波空间为15kHz时，一个RU时长为2ms。NPUSCH采用低阶调制编码方式MCS 011，重复次数为 1,2,4,8,16,32,64,128。DMRSDMRS用于信道估计。NPUSCH Format 1格式与LTE PUSCH时隙结构相同，每时隙7个OFDM符号，中间一个符号作为DMRS。Format 2格式同样为每时隙7个OFDM符号，但将中间3个符号用作DMRS。eMTC的物理信道eMTC的子帧结构与LTE相同，与LTE相比，eMTC下行PSS/SS

21、S及CRS与LTE一致，同时取消了PCFICH、PHICH信道，兼容LTE PBCH，增加重复发送以增强覆盖，MPDCCH基于 LTE的EPDCCH设计，支持重复发送，PDSCH采用跨子帧调度。上行PRACH、PUSCH、PUCCH与现有LTE结构类似。eMTC最多可定义4个覆盖等级，每个覆盖等级PRACH可配置不同的重复次数。eMTC根据重复次数的不同，分为Mode A及Mode B，Mode A无重复或重复次数较少，Mode B 重复次数较多。eMTC的不同信道在Mode A和Mode B下的最大重传次数下行：PBCHeMTC PBCH完全兼容LTE系统，周期为40ms，支持 eMTC的小

22、区有字段指示。采用重复发送增强覆盖，每次最多传输重复5次发送。MPDCCHMPDCCH（MTC Physical Downlink Control Channel）用于发送调度信息，基于LTE R11的EPDCCH设计，终端基于DMRS来接收控制信息，支持控制信息预编码和波束赋形等 功能，一 个EPDCCH传输一个或多个ECCE（Enhanced Control Channel Element，增强控制信道资源），聚合等级为 1,2,4,8,16,32，每个ECCE由多个EREG（Enhanced Resource Element Group）组成。MPDCCH最大重复次数Rmax可配，取值范

23、围 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256。PDSCHeMTC PDSCH与LTE PDSCH信道基本相同，但增加了重复和窄带间跳频，用于提高PDSCH信道覆盖能力和干扰平均化。eMTC终端可工作在ModeA和ModeB两种模式：在 Mode A 模式下，上行和下行HARQ进程数最大为8，在该模式下，PDSCH重复次数为 1,4,16,32在 Mode B 模式下，上行和下行HARQ进程数最大为2，在该模式下，PDSCH重复次数为 4,16,64,128,256,512,1024,2048 上行：PRACHeMTC的PRACH的时频域资源配置沿用LTE的设计，支持fo

24、rmat 0,1,2,3。频率占用6个PRB资源，不同重复次数之间的发送支持窄带间跳频。每个覆盖等级可以配置不同的PRACH 参数。PRACH信道通过重复获得覆盖增强，重复次数可以是 1,2,4,8,16,32,64, 128,256。PUCCHPUCCH频域资源格式与LTE相同，支持跳频和重复发送。Mode A支持PUCCH上发送HARQ-ACK/NACK、SR、CSI，即支持PUCCH format 1/1a/2/2a，支持的重复次数为 1,2,4,8；Mode B不支持CSI反馈，即仅支持PUCCH format 1/1a，支持的重复次数为 4,8,16,32。PUSCHPUSCH与LTE 一样，但可调度的最大RB数限制为6个。支持Mode A和Mode B两种模式，Mode A重复次数可以是 8,16,32，支持最多8个进程，速率较高；Mode B覆盖距离更远，重复次数可以是 192,256,384,512,768,1024,1536,2048，最多支持上行2个HARQ进程。