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一文看懂NB-IoT和eMTC到底有什么不同

时间:2018-01-10 作者:网优雇佣军 阅读:
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,为了满足“3C”目标,NB-IoT和eMTC的实现方式也有不同之处……

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:

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•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:

NB-IoT和eMTC的关键技术对比

增强覆盖

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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,(Maximum 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?

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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?

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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。

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①PSM(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。

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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。

②eDRX

DRX(Discontinuous Reception),即不连续接收。eDRX就是扩展的不连续接收。

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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。

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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。

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NB-IoT和eMTC的技术参数对比

NB-IoT和eMTC主要差异在于:

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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。

NB-IoT和eMTC部署方式对比

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NB-IoT部署方式

NB-IoT分为三种部署方式:独立部署(Stand alone)、保护带部署(Guard band)和带内部署(In-band)。

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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。

NB-IoT和eMTC物理层技术对比

1、时频域结构对比

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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。

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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。

eMTC

eMTC是LTE的演进功能,频域结构与LTE保持一致,在TDD及FDD LTE 1.4M~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:

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eMTC的帧结构与LTE一致。

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。

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▲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。

NPBCH

NPBCH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。

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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。

NPDCCH

NPDCCH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(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NCCE1 

•NPDCCH format 1的聚合等级为 2,占用NCCE0和NCCE1。

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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}。

NPDSCH

NPDSCH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。

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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}。

NRS

NRS(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。

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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NSSS

NPSS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10ms,使用每子帧中的最后11个OFDM符号(如下图)。

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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。

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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)。

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当CP长度为66.67s (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}。

NPUSCH

NPUSCH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。

NPUSCH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NPDCCH 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:

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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 0`11,重复次数为 {1,2,4,8,16,32,64,128}。

DMRS

DMRS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/SSS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。

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▲eMTC的不同信道在Mode A和Mode B下的最大重传次数

下行:

PBCH

eMTC PBCH完全兼容LTE系统,周期为40ms,支持 eMTC的小区有字段指示。采用重复发送增强覆盖,每次最多传输重复5次发送。

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MPDCCH

MPDCCH(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。

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MPDCCH最大重复次数Rmax可配,取值范围 {1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256}。

PDSCH

eMTC 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:

PRACH

eMTC的PRACH的时频域资源配置沿用LTE的设计,支持format 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}。

PUCCH

PUCCH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}。

PUSCH

PUSCH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。

(本文授权转载自公众号网优雇佣军,转载请联系原作者)

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