关于蜂窝物联网的两种制式emtc与nb-iot的详解
4-NB-IoT和eMTC覆盖能力浅析
NB-IoT和eMTC覆盖能力浅析中国移动通信研究院 李秋香、崔航、徐芙蓉、李新、杨光{liqiuxiang, cuihang, xufurong, lixin, yangguangyj}@1. 概述NB-IoT(Narrowband Internet of Things)和eMTC(Enhanced Machine-Type Communications)是3GPP针对低功耗广覆盖（LPWA，Low Power Wide Area）类业务而定义的新一代蜂窝物联网接入技术，主要面向低速率、低时延、超低成本、低功耗、广深覆盖、大连接需求的物联网业务。
NB-IoT和eMTC采用的技术手段有共性地方：例如覆盖增强和低功耗技术。
也有差异的地方：NB-IoT在物理层发送方式、网络结构、信令流程等方面做了简化，而eMTC是LTE的增强功能，主要在物理层发送方式上作了简化和增强。
覆盖增强是NB-IoT和eMTC的重要特性，NB-IoT提出了在GSM基础上增强20dB的覆盖目标，即MCL（Maximum Coupling Loss，最大耦合路损）要达到164dB。
主要通过提高功率谱密度、重复发送、低阶调制编制等方式实现；eMTC的MCL目标是155.7dB，即在LTE FDD基础上增强15dB，在TD-LTE上增强9dB左右，由于LTE不同信道的覆盖能力有所差别，不同信道的增强量有所差别。
本文首先分析NB-IoT、eMTC各物理信道的原理及特征，研究NB-IoT、eMTC覆盖增强方式，给出不同信道链路仿真结果及链路预算结果。
2. NB-IoT 和eMTC 物理信道简介2.1 NB-IoT 物理信道NB-IoT 目前只在FDD 有定义，终端为半双工方式。
NB-IoT 上下行有效带宽180KHz，下行采用OFDM，子载波带宽与LTE 相同，为15KHz ；上行有两种传输方式：单载波传输（Single tone）、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。
蜂窝物联网模组简介介绍
厂商通常提供相应的开发工具和软件开发包（SDK），方便开发者进行模块的配置、调试和应用程序开发。
03
蜂窝物联网模组的应用场景
智能家居
01
02
03
智能家电
如智能电视、智能冰箱、 智能空调等，通过蜂窝物 联网模组实现远程控制和 智能化管理。
智能照明
利用蜂窝物联网模组实现 远程控制和定时开关，节 能环保。
智能安防
如智能门锁、智能监控、 智能消防等，通过蜂窝物 联网模组实时监测和报警 。
智能穿戴
智能手表
通过蜂窝物联网模组实现 通话、短信接收等功能， 方便用户日常生活和工作 。
智能手环
利用蜂窝物联网模组实现 健康监测、运动记录等功 能，提高用户健康水平。
智能眼镜
通过蜂窝物联网模组实现 AR应用、远程视频等功能 ，满足用户不同需求。
提高客户服务水平
为了满足客户的需求，需要不断提高客户服务水平。例如，提供及时的技术支持和解决方案、加强与客 户的沟通等，以提高客户的满意度和忠诚度。
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规模预测
根据市场调研和分析，到XXXX年，蜂窝物联网模组市场规模有望达到XX亿人民币以上。
市场竞争格局与市场机会
市场竞争格局
目前，蜂窝物联网模组市场呈现出多家 企业竞争的格局。其中，领先的企业包 括华为、中兴通讯、移远通信等。这些 企业在产品研发、市场拓展等方面具备 一定优势。
VS
市场机会
随着5G技术的普及和物联网应用的深入 ，蜂窝物联网模组市场将迎来更多的发展 机遇。例如，在智能家居、智慧城市、车 联网等领域，蜂窝物联网模组将有更广泛 的应用前景。
智能安防
智能门禁
利用蜂窝物联网模组实现远程开 门、密码开锁等功能，提高安全
NB-IoT基本原理与eMTC对比介绍
终端上报支持的能力，网络侧统一调度
HUISAIWLIECIOTNECSHENMOLICOOGNIEDS UCOC.T,OLTRD.
HUAWEI CON1F0IDENTIAL
Single RAN G/U/L/NB IoT
1
NB IoT 新建
Gb/IuP S/S1/MI
Single EPC GU/L
MI 2 IoT EPC 3
行业终端
• 传感器接口 • 应用驻留
NB-IoT 模块
• 无线连接 • 软SIM • 传感器接口 • 应用驻留
基站
• 低成本站点解决方案 • 新空口支持Massive
IoT连接
1 重用站点基础设施，降低部署成本
核心网
• 移动性/安全/连接管理 • 无SIM卡终端安全接入 • 终端节能特性 • 时延不敏感终端适配 • 拥塞控制和流量调度 • 计费使能
2 支持接口优化，优化30%以上信令开销，支持终端节电和降成本。
3 基于CloudEdge平台优化的IoT专用核心网，可与现网组pool，降低每连接成本
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信道映射
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上行物理信道： PRACH和PUSCH
• PRACH使用3.75KHz载波，不同的覆盖等级下，使用不同的MCS(速率不同，扩频因子不同，重复次数） • PUSCH使用15KHz、3.75KHz或者15KHz与3.75KHz共存的方式
NB-IoT和eMTC覆盖能力对比
信道的覆盖能力有所差别，因此不同信道的增强量也有所差别。
本文首先研究NB-IoT、eMTC的覆盖增强方式，给出不同信道链路仿真结果及链路预算结果，并结合外场测试结果，对其覆盖增强能力进行了验证。
2 NB-IoT和eMTC覆盖能力分析2.1 概述N B-I o T具有三种部署方式：独立部署（S t a n d a l o n e）、保护带部署（G u a r d b a n d）、带内部署（In-band），这三种工作模式的覆盖目标均为MCL 164 dB，比GSM覆盖增强20 dB。
NB-IoT的覆盖增强方面，上行方向上，主要是通过提升上行功率谱密度、重复发送实现，三种工作模式基本没有区别。
下行方向上，Standalone独立部署的功率可独立配置，In-band带内部署及Guard band的功率受限于LTE的功率，因此In-band及Guard band需更多重复次数才能达到与Standalone同等覆盖水平，在相同覆盖水平下，Standalone的下行速率性能优于另两者。
N B-I o T上行有两种传输方式：单载波传输（Single tone）、多载波传输（Multi-tone），其中Single tone的子载波带宽包括3.75 kHz和15 kHz两种，Multi-tone子载波间隔15 kHz，支持3、6、12个子载波的传输[1]。
终端相同的发射功率情况下，3.75 kHz的功率谱密度理论上比15 kHz高6 dB，在相同覆盖水平下，3.75 kHz的重复次数低于15 kHz。
eMTC具有Mode A和Mode B两种模式，Mode A支持各信道不重复或少量的重复次数，比如上下行业务信道最大重复次数为32次，其覆盖目标是MCL 145 dB；Mode B支持各信道更多的重复次数，比如上下行业务信道的最大重复次数可达2 048次，其覆盖目标是MCL 155.7 dB。
eMTC Mode B模式在LTE基础上增强15 dB左右，比NB-IoT的覆盖目标低9 dB左右，本节理论分析部分以介绍Mode B模式为主，第3节基于产业支持情况以Mode A进行测试验证。
NB-IoT、LoRa、eMTC、Sigfox及ZigBee的区别与对比
NB-IoT、LoRa、eMTC、Zigbee、Sigfox、WiFi、蓝牙区别对比NB－IoTNB－IoT是指窄带物联网（Narrow Band Internet of Things）技术，是一种低功耗广域（LPWA）网络技术标准，基于蜂窝技术，用于连接使用无线蜂窝网络的各种智能传感器和设备，聚焦于低功耗广覆盖（LPWA）物联网（IoT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。
NB－IoT技术可以理解为是LTE技术的“简化版”，NB－IoT网络是基于现有LTE网络进行改造得来的。
LTE网络为“人”服务，为手机服务，为消费互联网服务；而NB－IoT网络为“物”服务，为物联网终端服务，为产业互联网（物联网）服务。
NB－IoT使用License频段，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，与现有网络共存，以降低部署成本、实现平滑升级。
NB－IoT的特点●低功耗NB－IoT聚焦小数据量、小速率应用，因此NB－IoT设备功耗可以做到非常小，设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年。
●低成本NB－IoT是基于LTE网络的技术，所以在现网LTE网络的基础上进行改造，就可以很快组网，很快扩大覆盖。
目前各大运营商仍在大力推动LTE网络建设，也有利于NB－IoT的覆盖改善。
●强连接在同一基站的情况下，NB－IoT可以比现有无线技术提供50－100倍的接入数。
一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。
●广覆盖NB－IoT室内覆盖能力强，比LTE提升20dB增益，相当于提升了100倍覆盖区域能力。
不仅可以满足农村这样的广覆盖需求，对于厂区、地下车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用同样适用。
LoRaLoRa的名字是远距离无线电（Long Range Radio），作为一种线性调频扩频的调制技术，LoRa 采用星状拓朴（TMD组网方式），网关星状连接终端节点，但终端节点并不绑定唯一网关，相反，终端节点的上行数据可发送给多个网关。
NB-IoT与eMTC的技术比较
NB-IoT与eMTC的技术比较伴随移动通信技术的不断发展，低功耗广域网(LPWAN)等物联网迎来了快速发展。
从NB-IoT与eMTC的技术比较，看中国三大运营商在NB-IoT和eMTC上的选择策略。
从全球运营商来看，AT">在我国，中国电信率先起跑，在确立了800MHz组网能力之后，计划建设30万NB-IoT基站;中国联通与Jasper签订双排他协议，早早确定了NB-IoT作为发展方向;而最早提出发展物联网的中国移动，却在NB-IoT与eMTC之间徘徊不定，这中间的原因，主要是两种制式各有所长，而中国移动TDD网络也决定了其决策上的纠结性。
本文将试图从需求、技术、现状等角度来分析我国三大运营商在NB-IoT和eMTC上的推广策略。
一、三大运营商目前的口径先看中国联通，中国联通近期宣布将于2018年适时部署eMTC网络;上周的股东大会上王晓初董事长也介绍：“长远来看，我们更关注eMTC。
因为需要高流量、低时延。
如车联网等应用场景，一定是5G+eMTC的结合。
”从以上口径看，联通打了个太极，实则没有明确的eMTC发展计划。
再看中国电信，中国电信基本不提eMTC，据悉其官方口径是“根据标准、产业成熟情况，适时引入”。
显然，中国电信也没有明确的eMTC发展计划，属于边走边看。
最后看中国移动，中国移动虽然没有在公开场合公布其eMTC计划，但从实际进展看，是三大运营商中eMTC投入最多的一个，目前已在多个城市进行eMTC网络的小范围部署和验证。
笔者推测，由于TDD牌照、NB-IoT暂不支持TDD等原因，一方面中国移动反复宣称将以NB-IoT技术为主，给政府组织施压、力促FDD牌照的获取;另一方面移动也不敢保证一定能获取到FDD牌照、至少短期内不一定能获取到，因此中国移动采取了脚踩两只船的策略，以发展NB-IoT为主、同时顺顾eMTC技术。
二、NB-IoT与eMTC技术比较同属低功耗广域网(LPWAN)技术，两者在技术上互有优劣。
蜂窝物联网技术一览Cat0,Cat1,CatM1,NBIoT
蜂窝物联网技术一览Cat-0,Cat-1,Cat-M1,NB-IoT本文将对蜂窝物联网的几个关键规范做一个概述，可以作为一个敲门砖，抛砖引玉。
1. 物联网通讯和LTE的蜂窝物联网技术用在物联网应用中的技术解决方案非常多，各种各样的行业、技术标准组织都在制定对应的物联网技术方案，有的在制定中，有的还在原型测试，有的具有独立知识产权的技术方案已经在市场中应用。
表-1-是目前比较流行的物联网方案的对比表，从中可以看到各种物联网通讯技术的技术特点。
表-1- 主流物联网通讯技术对比表物联网设备其实主要具备如下6大特点：（1）设计简单：系统复杂度低能保证IoT设备在恶劣环境下正常工作，（2）成本低廉：IoT设备一般都是成本低，量很大，（3）大覆盖范围：要保证一些在地下室的仪表、设备的数据能传输出去，（4）低功耗：大部分应用场景都需要使用电池功能，而且需要能工作好几年，（5）低速率：比如一些抄表的应用中，一天也只需要传输几十个字节就足够了，（6）海量设备接入：你可以想象一下一个小区里面的各种仪表和机器的数量是上万的。
尽管用于物联网的通讯技术很多，但到目前为止也没看到哪个技术有一统江湖的趋势。
不过这个局面可能很快就要被打破了，3GPP终于开始在物联网方面采取了行动，在LTE增强版中制定了Release12和Release13的标准，用来应对各种不同机器设备之间的通讯（MTC）和物联网（IoT）需求。
对于3GPP针对物联网的技术标准，相关的信息总是很零碎，所以我在这里做一次汇总，希望大家能对蜂窝物联网技术有个基本的了解。
为什么单纯的LTE网络对于物联网是不理想的？LTE设计时是为了解决一个最主要的需求：它必须足够快。
尽管该技术可以满足移动宽带通讯的需求，但是它无法用在别的一些应用产品中得到很好的运用，比如穿戴式设备，工业传感器，家用电器等等。
这种设备的特点是尺寸小，电池供电，而且经常会被放在诸如地下室等网络覆盖不好或者甚至无信号的地方。
NB-IoT与eMTC差异全解析汇报
低成本
如何降低成本，包括减少协议栈处理开销、单天线和 率和低带宽本身意味着降低芯片处理的复杂度等等。
FDD半双工模式以降低 RF 成本、低速
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实用标准文案
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：
一 NB-IoT 和 eMTC的关键技术对比
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增强覆盖
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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？
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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。
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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
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关于蜂窝物联网的两种制式emtc与nb-iot的详解
长期以来，蜂窝物联网的两种制式eMTC与1.功耗低、终端续航时间长，目前2G终端待机时长仅20天左右，在一些LPWA典型应用如抄表类业务中，2G模块显然无法符合特殊地点如深井、烟囱等无法更换电池的应用要求。
而eMTC的耗电仅为2G Modem的1% ，终端待机可达10年。
2.海量连接，满足“大连接”应用需求，物联网终端的一大特点就是海量连接用户，现在针对非物联网应用设计的网络无法满足同时接入海量终端的需求，而eMTC支持每小区超过1万个终端。
3.典型场景网络覆盖不足，例如深井、地下车库等覆盖盲点，4G室外基站无法实现全覆盖。
而在广覆盖方面，eMTC比LTE 增强15dB（可多穿一堵墙），比GP4.成本有望不断降低，目前智能家居应用主流通信技术是WiFi，WiFi模块虽然本身价格较低，已经降到了10元人民币以内了，但支持WiFi 的物联网设备通常还需无线路由器或无线AP做网络接入、或只能做局域网通信。
2G通信模块一般在20元人民币以上，而4G通信模块则要150元人民币以上，相比之下eMTC 终端有望通过产业链交叉补贴，不断降低成本。
5.专用频段传输干扰小，相对非蜂窝物联网技术来说，eMTC基于授权频谱传输，传输干扰小，安全性较好，能够确保可靠传输。
不再新增系统带宽低于1.4MHz的eMTC终端类型；不再新增系统带宽高于200KHz的NB-IoT终端类型。
1.从技术层面两者的关系在峰值速率上，NB-IoT对数据速率支持较差，在200Kbps，而eMTC能够达到1Mbps；在移动性上来看，NB-IoT由于无法实现自动的小区切换，因此几乎不具备移动性，eMTC在移动性上表现更好；在语音上，NB-IoT不支持语音传输，而eMTC支持语音；在终端成本上，NB-IoT由于模组、芯片制式统一，现已降至5美元左右，但是eMTC目前的价格仍然偏高，且下降缓慢；在小区容量上，eMTC 没有进行过定向优化，难以满足超大容量的连接需求；在覆盖广深上，NB-IoT 覆盖半径比eMTC 大30%。
eMTC覆盖较NB-IoT 差9dB 左右。
2.从应用场景两者的混合组网
从双方的技术特征可以看出，NB-IoT在覆盖、功耗、成本、连接数等方面性能占优，通常使用在追求更低成本、更广深覆盖和长续航的静态场景下；eMTC其在覆盖及模组成本方面目前弱于NB-IoT，但其在峰值速率、移动性，语音能力方面存在优势，更适合应用。