蜂窩物聯網技術NB-IoT與eMTC的對比研究

摘? 要：隨著信息技術的不斷發展，3GPP制定了低功耗低成本的蜂窩物聯網技術NB-IoT與eMTC技術，是目前全球運營商主推方向，這兩種技術之間既存在共性又各自有其優點。本文詳細介紹了NB-IoT與eMTC技術的各項參數，并通過多方面對比，分析了兩種技術各自對應的應用場景，找出其互補關系和共同發展的方向。據此，下文主要就NB-IoT與eMTC技術進行對比研究，希望可以為該方面的研究提供參考與建議，有助于促進蜂窩物聯網產品的快速成熟，推動中國物聯網的發展。

關鍵詞：物聯網;NB-IoT;eMTC

中圖分類號：TN929.5;TP391.44? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）07-0157-03

Abstract：With the continuous development of information technology，3GPP has developed low-power and low-cost cellular internet of things technology NB-IoT and eMTC technology，which are the main direction of global operators at present. There are both similarities and advantages between the two technologies. In this paper，the parameters of NB-IoT and eMTC technology are introduced in detail，and the corresponding application scenarios of each technology are analyzed through multi-aspect comparison，so as to find out the complementary relationship and common development direction. Accordingly，the following is a comparative study of NB-IoT and eMTC technology，hoping to provide reference and suggestions for the research in this area，which will help promote the rapid maturity of cellular internet of things products and promote the development of China’s internet of things.

Keywords：internet of things;NB-IoT;eMTC

0? 引? 言

物聯網（IoT，Internet of Things）是未來信息技術發展的重要組成部分，其主要特點是將物品通過通信技術與網絡連接，從而實現人機互連、物物互連的智能化網絡。目前3GPP正式明確了5G NR（全球性5G標準），增強型機器類型通信（eMTC）/窄帶物聯網（NB-IoT）將應用于不同的物聯網場景，繪制了物聯網發展藍圖。在3GPP協議中，NB-IoT/eMTC將與5G NR長時間共存，這也是行業重點研究和發展的對象。

1? NB-IoT與eMTC技術標準化的演變過程

1.1? NB-IoT技術

為了應對將來蜂窩物聯網所要求的增強室內覆蓋、可以匹配更多低速率設備連接、低時延敏感度、并滿足超低功耗、超低成本的技術需求。2014年5月Vodafone在3GPP TSG GERANMeeting #62次會議上，提出了從GERAN系統進行演進或者設計出新的通信接入制式這兩個設想。2015年4月3GPP組織通過PCGMeeting#34次會議將EC-GSM、N-GSM、NBM2M、NBOFDMA、NB-CIoT、C-UNB以及NB-LTE等多種技術匯總于3GPPTR48.820中。并于2015年9月3GPPTSGRANMeeting#69全會確定主要基于NB-CIoT以及NB-LTE技術，定義NB-IoT技術即Cat-NB1。最終在2016年6月22日3GPP將NB-IoT標準發布于其官網，如圖1所示。

1.2? eMTC技術

eMTC技術標準化經歷了LTER8→LTER12→LTER13三階段的演變，最終3GPP在R13中提出更輕量終端技術類別LTE Enhanced MTC（eMTC），此技術能在降低帶寬的同時采用半雙工的方式，并且其上行/下行速率仍各有1Mbit/s，且支持語音技術。（如圖2所示）

NB-IoT與eMTC雖然都是低功耗微蜂窩通信技術，但在帶寬、速率、覆蓋增強及移動性上還是存在明顯的差異。由上表可看出，NB-IoT的帶寬、速率均低于eMTC，而且eMTC支持連接態的切換，終端在不同的小區間移動時業務傳輸不中斷，更適用于語音通話、物流追蹤等業務場景。另一方面NB-IoT的覆蓋與功耗要優于eMTC，更具適應性，芯片的成本更低。

同屬于蜂窩物聯網的NB-IoT和eMTC有著共同特征，現從覆蓋目標、低功耗、低成本三個方面進行技術特點對比：

（1）在覆蓋目標上，NB-IoT（MCL164dB）比eMTC（MCL155.7dB）高8dB左右。NB-IoT和eMTC均采用了重復發送的方式來增強覆蓋，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來實現覆蓋增強。在上行方向，兩種模式基本沒區別。但是在下行方向，NB-IoT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。

（2）在低功耗上，NB-IoT和eMTC采用相同手段，一般通過省電模式、擴展的不連續接收和延長周期定時器實現。

（3）在低成本上，NB-IoT和eMTC手段是一致的，都是通過低速率和低帶寬來降低芯片處理的復雜度或者通過減少協議棧處理開銷、單天線和頻分雙工、半雙工模式以降低成本。由對比可知NB-IoT的特點在于更深的覆蓋，更低的功耗和成本，適合低功耗、深度覆蓋、對時延不敏感的業務。R14版本的NB-IoT依然不支持語音，速率依然在百kbit/s數量級。而eMTC最大的特點是支持語音和切換，速率相對較高，適合高可靠和時延敏感型業務;總之eMTC和NB-IoT各有所長，適用于不同的應用場景。

2.3? 覆蓋能力的對比

加強網絡覆蓋能力、提高覆蓋率或減少站址密度可以降低網絡成本。因此覆蓋半徑也是NB-IoT和eMTC對比的重點之一。若在同等環境下，以城鎮為例，通過模擬計算，最高的NB-IoT覆蓋半徑約2.65km，而eMTC覆蓋半徑只有2 km左右。通過比較，eMTC覆蓋半徑只有NB-IoT覆蓋半徑的75%左右，NB-IoT擁有更深的覆蓋能力。因此覆蓋率、上行速率目標、干擾余量、穿透損耗、物聯網終端功耗等影響覆蓋半徑的因素都是我們實際在做NB-IoT和eMTC網絡規劃時應綜合考慮的地方。

2.4  應用場景的對比

NB-IoT與eMTC技術有著相輔相成的關系。它們的技術特點類似的同時又有著明顯的各自優劣。綜上所述現階段NB-IoT技術在提供更強覆蓋、更低功耗、更低成本的同時卻無法進行移動性管理，上下行速率過低，同時需要網絡側進行一定程度的硬件升級才能夠支持。而反觀eMTC技術與NB-IoT技術正好互補，在提供更高速率、更好的移動性管理同時又帶來了覆蓋以及成本的問題。因此這兩種技術沒有優劣，只能根據實際工作場景來選擇最適合的技術。在峰值速率、移動性、語音能力方面eMTC技術優于NB-IoT技術，適合于傳輸速率較快、具備移動性以及語音能力的應用場景，例如電梯衛士、行車衛士、智能物流、智能穿戴、健康監測、室內移動應用等。另一方面在低速率、小數據量、成本低且移動性要求較低的應用場景就應該選用NB-IoT技術，因為其在覆蓋、功耗、成本、連接數等方面有著更好的性能，例如智能路燈、智慧物流、表類業務、智能停車、環境監測等。

3? 運營商對NB-IoT和eMTC具體部署分析

隨著NB-IoT技術在我國全面大力發展，整個產業從芯片、模組、終端到運營商網絡、云計算平臺、應用等多個領域全面發展。我國運營商正在積極推進NB-IoT，已有明確商用的方向和目標，并開展多個試點項目。目前，我國已成為全球NB-IoT市場規模最大的國家，其中中國電信已經在我國完成全網覆蓋NB-IoT網絡，而中國移動和聯通也將會在近期完善相應的網絡建設。另一方面，針對eMTC技術，盡管三大運營商尚未明其確發展路線，但相關工作已在籌備，并開始了相關測試工作。eMTC技術網絡相比NB-IoT發展要滯后一些。

下面主要對中國移動對NB-IoT和eMTC具體部署進行分析。因為NB-IoT只適合中國移動FDD制式，因此中國移動在推動NB-IoT試商用的工作的同時，更加迫切尋找NB-IoT最佳的互補組合。為了實現技術互補，中國移動將同步推進NB-IoT與eMTC協同發展，產業共進。目前，中國移動是全球最大的物聯網連接提供商，其中物聯網連接數接近1.3億，承載物聯網基站約165萬個。對于NB-IoT和eMTC具體部署所需要考慮的因素，根據中國移動的現狀，除了考慮物聯網接入技術標準本身的技術特性之外，還需綜合考慮相關標準的成熟度、頻段的分配、網絡建設難度、項目成本及與其他制式等因素。通過比較，了解到NB-IoT與TDD eMTC的關系是各自針對的是不同速率的業務，并非相互替代的。使用時需考慮以下因素，以及其優劣勢，如表2所示。

4? 結? 論

物聯網和云計算作為未來信息基礎設施，在云網融合、大數據和人工智能技術在基礎設施建設浪潮的助推之下，技術進步日新月異。蜂窩物聯網 NB-IoT和eMTC兩種技術的出現，大力推動了社會發展，為人們帶來更多便利。

現階段的蜂窩物聯網NB-IoT和eMTC技術在應用上依然處在技術開發的初步發展階段，我們想要更好地在相關領域融入物聯網技術，就需不斷對其進行研究，分析其在應用上存在的難點。隨著行業的逐步融合，如何做到提高技術水平，掌握物聯網行業的核心競爭力，達到領先于全球水平，對我國物聯網產業的各個環節提出了更大的挑戰。最后相信蜂窩物聯網將會使社會生產更高效，人們生活更美好。

參考文獻：

[1] 張力方，李福昌，胡澤妍，等.LTE-eMTC關鍵技術及部署方案研究 [J].郵電設計技術，2018（7）：1-5+101.

[2] 廖金龍，王旋.淺談物聯網NB_IoT與eMTC技術應用的互補關系 [J].廣西通信技術，2018（2）：16-18.

作者簡介：葉國超（1979.09-），男，漢族，廣東新會人，設計三所所長，通信工程師，研究方向：移動通信。