最新NBIoT与eMTC差异全解析.docx
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最新NBIoT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MCL164dB,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MCL155.7dB,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,(MaximumCouplingLoss,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。
RepetitionGain=10log RepetitionTimes,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(PowerSpectrumDensity)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LTEFDD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(powersavingmode,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(DiscontinuousReception),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(Standalone)、保护带部署(Guardband)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-IoT180KHz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(cyclicprefix)都是与LTE一样的。
NB-IoT载波带宽为180KHz,相当于LTE一个PRB(PhysicalResourceBlock)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-IoTPRB与其它LTEPRB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FDDLTE1.4M~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(NarrowbandMasterInformationBlock),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(NarrowbandControlChannelElement,窄带控制信道资源)频域上占6个子载波。
Standalone和Guardband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:
•NPDCCHformat0的聚合等级为1,占用NCCE0或NCCE1
•NPDCCHformat1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Guardband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CellID。
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RandomAccessPreamble不同,NB-IoT的RandomAccessPreamble是单频传输,子载波间隔3.75kHz,占用1个子载波,有Preambleformat0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RandomAccessPreamble传送包含四个SymbolGroup,组成1个NPRACH信道,一个SymbolGroup包括5个Symbol和1个CP(如下图)。
当CP长度为66.67s(Format0)时,小区覆盖半径达10公里。
当CP长度为266.7s(Format1),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(Singletone)和多载波传输(Multi-tone),其中Singletone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:
Format1和Format2。
Format1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1000bits。
Format2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,resourceunit),它由NPUSCH格式和子载波空间决定。
上行传输资源是以RU(ResourceUnit)为单位进行分配的,Singletone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NPDCCHN0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NPUSCHformat1,
当子载波空间为3.75kHz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NPUSCHformat2,
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3.75kHz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MCS0`11,重复次数为{1,2,4,8,16,32,64,128}。
DMRS
DMRS用于信道估计。
NPUSCHFormat1格式与LTEPUSCH时隙结构相同,每时隙7个OFDM符号,中间一个符号作为DMRS。
Format2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LTEPBCH,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ModeA及ModeB,ModeA无重复或重复次数较少,ModeB重复次数较多。
▲eMTC的不同信道在ModeA和ModeB下的最大重传次数
下行:
PBCH
eMTCPBCH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(MTCPhysicalDownlinkControlChannel)用于发送调度信息,基于LTER11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(EnhancedControlChannelElement,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(EnhancedResourceElementGroup)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
eMTCPDSCH与LTEPDSCH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ModeA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ModeB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format0,1,2,3。
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。
ModeA支持PUCCH上发送HARQ-ACK/NACK、SR、CSI,即支持PUCCHformat1/1a/2/2a,支持的重复次数为{1,2,4,8};ModeB不支持CSI反馈,即仅支持PUCCHformat1/1a,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ModeA和ModeB两种模式,ModeA重复次数可以是{8,16,32},支持最多8个进程,速率较高;ModeB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。