来源：北京物联网智能技术应用协会

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，(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？

 

 

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。

 

 

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。

 

 

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。

 

 

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。

 

 

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：

 

 

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：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。

 

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：

 

 

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：

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。

 

▲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。

 

 

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。

 

 

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。

 

 

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。

 

 

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）。

 

 

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：

 

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）。

 

 

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：

 

 

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。

 

▲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。

 

 

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。

 

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。

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