NB-IoT和eMTC的關鍵技術對比

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：

NB-IoT和eMTC的關鍵技術對比

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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。

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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。

①PSM（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么辦？但這意味著手機需不時監聽網絡，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后，在idle態停留一段時間后便進入深度睡眠狀態，不用監聽空口消息。

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。

②eDRX

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。

③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。

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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。

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和后續版本將對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。

NB-IoT和eMTC部署方式對比

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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帶寬辟出空間，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是不能占用的。

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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。

NB-IoT和eMTC物理層技術對比

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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。

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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：

①NPBCH，窄帶物理廣播信道

②NPDCCH，窄帶物理下行控制信道

③NPDSCH，窄帶物理下行共享信道

還定義了兩種物理信號：

①NRS，窄帶參考信號

②NPSS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）頻域上占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，占用NCCE0或NCCE1

?NPDCCH format 1的聚合等級為 2，占用NCCE0和NCCE1。

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

NPDSCH

NPDSCH頻域資源占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的同步序列占用6個PRB，NB-IoT不能占用這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，使用每子幀中的最后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后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：

①NPUSCH，窄帶物理上行共享信道。

②NPRACH，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，占用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，取值范圍 {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。頻率占用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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