搜索
0101LPWA物联网关键技术性能对比及网络部署相关问题研究伴随大规模物联网需求的产生及移动通信技术的不断发展，全球物联网将迎来快速的发展。本文就低功耗、广覆盖物联网中关键技术NB-IoT与eMTC的主要性能进行了系统地梳理及详细地分析，并就依托现有2G网络与4G网络建设两种方式的网络改造量进行了研究，为未来LPWA物联网技术的选择提供了坚实的技术储备。LPWA，物联网，NB-IoT，eMTC，吞吐率，覆盖，功耗，成本，连接数，建设方案1.引言伴随大规模物联网需求的产生及移动通信技术的不断发展，通信领域的连接需求正在从人扩展到物。根据相关预测，至2020年，中国物联网连接将达百亿，其产业链市场空间可达1万亿人民币[1]。此外，物联网应用领域也逐渐明晰。从个人穿戴设备到智能家居市场，从智慧城市到物流管理等，物联网的出现将实现这些行业的数字化升级及全流程的信息监控与采集，从而引发整个社会的革命性变化。物联网应用可根据速率、时延及可靠性等要求，主要可分为三大类：该类业务对吞吐率、时延或可靠性要求较高，其典型应用包含车联网、远程医疗等；该类业务对吞吐率要求中等或偏低，部分应用有移动性及语音方面的要求，对覆盖与成本也有一定的限制,其典型业务主要有智能家防，可穿戴设备等；LPWA业务的主要特征包括低功耗、低成本、低吞吐率、要求广（深）覆盖且所涉终端数量巨大，其典型应用包含抄表、环境监控、物流、资产追踪等。在以上各类业务中，LPWA业务由于连接需求规模大，是全球各运营商争夺连接的主要市场。目前，LPWA业务的需求主要有以下几种技术可以满足：摘要中国移动通信研究院邵华、王锐、童辉、杨光{shaohua,wangrui,tonghui,yangguangyj}@chinamobile.com021.蜂窝物联网承载技术在这类技术中，物联网终端采用与手机相同的终端芯片。该类技术主要可基本满足LPWA业务在吞吐率、移动性、可靠性等方面的需求，但由于终端功耗较高、覆盖不足、模组成本较高等不足，目前来看，并非LPWA业务的最佳技术选择；该类技术在LTE的基础上针对物联网需求，在成本、功耗及覆盖方面进行了优化。其具体技术包含针对成本进行了优化的LTECat1、针对成本与功耗进行了优化的LTECat0及针对成本、功耗及覆盖均进行了优化的eMTC技术；NB-IoT是专门为低功耗、广覆盖物联网业务设计的全新技术/系统，最少可只使用200KHz授权频段,具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少、架构优等特点。2.非蜂窝承载技术LoRa、SigFox等该类技术为针对LPWA应用研发的非蜂窝物联网技术。但由于该类技术均由非授权频率承载，存在室外干扰不可控，及传输安全可靠性较蜂窝物联网差的劣势。此外，该类技术不易针对连片组网优化，其组网性能待验证。这些因素导致该类技术并不适合运营商广泛部署。在以上提及的几种LPWA物联网技术中，NB-IoT和eMTC针对物联网成本、功耗、覆盖等指标进行了较多的优化，目前有LPWA应用计划的运营商对其关注度较高。本文将重点关注这两种物联网技术，对比其主要性能指标及网络建设方面的差异。由于不同LPWA应用对网络性能有不同要求，运营商可根据未来市场上可能出现应用的具体需求及各种技术的性能特征，选择合适的技术进行网络部署。2.LPWA物联网关键技术性能对比为了满足LPWA业务需求，3GPPGERAN工作组设立了窄带蜂窝物联网系统的研究项目，随着产业关注度的持续提升，3GPP于2015年9月将窄带物联网项目转至RAN工作组。通过全产业的共同努力，NB-IoTR13版本已于2016年6月正式结项。NB-IoT针对LPWA应用的特点，采用全新的空口技术。在带宽方面，它采用超窄带设计（200kHz系统带宽）；在覆盖性能方面，采用多次重复及增大频率谱密度等方式来实现覆盖增强；在功耗方面，NB-IoT纳入了PSM，eDRX等节电模式，以实现功耗的大幅降低及电池寿命的大幅延长；在成本方面，其终端设计进行了大量简化，以满足垂直行业低成本终端的需求。目前，R13版本NB-IoT仅支持FDD模式，后续版本可能考虑TDD模式。eMTC是在LTE系统基础上，为尽量满足低功耗、广覆盖物联网业务需求，而拓展的物联网技术。该系统采用1.4MHz窄带设计，针对成本、功耗方面做了一定优化，且通过大量重复增强系统覆盖。eMTC系统可在原有LTE系统上软件升级（FDD模式、TDD模式均可）。2.1吞吐率2.1.1NB-IoT2.1.1.1NB-IoT下行峰值吞吐率NB-IoT下行采用15KHz子载波间隔进行传输，即在一个NB-IoT带宽内（200KHz）内，0203共有12个子载波（有效带宽为180KHz）。在时域上，NB-IoT子帧结构与LTEType1一致，如图１所示。图１：NB-IoT子帧结构在下行调度上，单用户最小调度单元为一个子帧（１ms）,同一个码字(codeword)可以映射到多个子帧上。在R13版本中，NB-IoT在原有LTEMCS/TBS表的基础上做了一定修改(如表1所示)，其中第一列为ITBS指示，第一行为调度子帧数指示。NB-IoT只支持下表中标黄的部分。值得注意的是，ITBS=11与12仅在独立部署（Standalone）、LTEFDD保护带部署（Guard-band）两种场景下支持。表1：NB-IoT下行MCS与TBS表12345678910016325688120152176208224256124568814417620822425632834423272144176208256296328376424340104176208256328392440504568456120208256328408488552632680572144224328424504600680776872688176256392504600712808936103271042243284725846808409681096122481202563925366808089681096125613849136296456616776936109612561416154410144328504680872103212241384154417361117637658477610001192138416081800202412208440680904112813521608180020242280为进一步简化系统，NB-IoTR13下行仅支持单线程，且考虑终端复杂度，在下行传输中PDCCH调度信息与相应PDSCH之间，PDSCH与ACK/HACK反馈的PUSCH之间均预留了较长时延。具体如下：·NPDSCH开始传输的子帧与相应NPDCCH调度之间的时延至少为4ms·ULACK/NACK开始的子帧与相应NPDSCH的传输至少为12ms即，对于某一处于正常覆盖场景下的终端，若需达到峰值吞吐率，则需在3个子帧内完成TBS=680bit的传输（见表1），且完成如图2所示示意进程。04图2：达下行峰值吞吐率时终端下行进程示意图在这种情况下，其峰值吞吐率可计算如下：DLpeak_thpt=680bit/(1ms（PDCCH调度时延）+4ms（PDCCH调度与PDSCH时延）+3ms（PDSCH传输时延）+12ms（PUSCH与PDSCH时延）+2ms（PUSCH传输时延）+10ms（NPDCCH调度限制1）)=21.25kbps2.1.1.2NB-IoT上行峰值吞吐率NB-IoT上行有single-tone与multi-tone两种不同的传输方式，其中single-tone有3.75KHz及15KHz两种子载波带宽，并采用单用户单次传输仅可调度一个子载波的方式进行上行数据传输，multi-tone仅有15KHz子载波带宽，可采用给单用户调度多个载波的方式进行传输。同时，在R13版本中引入了ResourceUnit的概念，作为单用户上行可调度的最小单元。其中：·Single-tone15KHz子载波带宽场景:Resourceunit为8ms连续子帧；·Single-tone3.75KHz子载波带宽场景:Resourceunit为32ms连续子帧；·Multi-tone场景下：◆12个子载波同时被调度时，Resourceunit为1ms◆6个子载波同时被调度时，Resourceunit为2ms◆3个子载波同时被调度时，Resourceunit为4ms在计算峰值吞吐率时，可考虑终端处于覆盖较好的场景下。在该场景下，终端发射功率有较大余量，可考虑multi-tone用12子载同时调度。此外，在R13版本中，NB-IoT上行MCS/TBS表如表2所示，其中第一列为ITBS指示，第一行为调度resourceunit的数值。表2：NB-IoT上行MCS与TBS表ITBS123456810016325688120152208256124568814417620825634423272144176208256328424340104176208256328440568456120208256328408552696572144224328424504680872688176256392504600808100071042243284725847121000N/A8120256392536680808N/AN/A9136296456616776936N/AN/A101443285046808721000N/AN/A111763765847761000N/AN/AN/A122084406801000N/AN/AN/AN/A1[根据NPDCCH周期限制，最小周期为8ms，也即第二个NPDCCH出现的时间为第一个NPDCCH出现的时间+8*n。]0405为进一步简化系统，NB-IoTR13上行也仅支持单线程，其调度信息与实际传输信息间时延，以及传输所耗时间具体如下：·NPUSCH开始传输的子帧与相应NPDCCH调度之间的时延至少为8ms·DLACK/NACK开始的子帧与相应NPUSCH的传输时延至少为3ms即，对于某一处于正常覆盖场景下的终端，若需达到峰值吞吐率，则需4个子帧内完成TBS=1000bit的传输（见表2），且完成如图3所示示意进程。图3：达上行峰值吞吐率时终端上行进程示意图在这种情况下，其峰值吞吐率可计算如下：ULpeak_thpt=1000bit/(1ms（PDCCH调度时延）+8ms（PDCCH调度与PUSCH时延）+4ms（PUSCH传输时延）+3ms（PUSCH与PDSCH时延）=62.5kbps2.1.2eMTC对于eMTC系统，其峰值速率计算与LTE及上述NB-IoT峰值速率计算方法类似。根据上下行调度信息与实际信息传输信息间时延，实际传输所需时间，及相应TBS与MCS表格，采用2.1.1类似计算方法，可得表4：eMTC吞吐率eMTCTDDeMTCFDD上行峰值200kbpsFD：1MbpsHD：375kbps下行峰值750kbpsFD：800kbpsHD：300kbps2.2覆盖NB-IOT的设计目标是在GSM基础上覆盖增强20dB。以144dB作为GSM的最大耦合路损，则NB-IoT设计的最大耦合路损为164dB。其中，其下行主要依靠增大各信道的最大重传次数以获得覆盖上的增加。而在其上行覆盖增强主要来自于两方面，一是在极限覆盖情况下，NB-IoT可采用单子载波进行传输，其频谱效率（PSD）可得到较大幅度地提升。以single-tone3.75KHz子载波间隔为例，与GSM180KHz带宽相比，其PSD可得到约17dB的增益（不考虑上行2R）；二是可增加上行信道的最大重传次数以获得覆盖增强。因此，尽管NB-IoT终端上行发射功率（23dBm）较GSM（33dBm）低10dB，其传输带宽的变窄及最大重复次数的增加使其上行可工作在164dB的最大路损下。06表5：R13版本中各信道最大重复次数下行信道最大重复次数上行信道最大重复次数PDCCH2048PRACH128PDSCH204