eMTC技術研究與試驗分析

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1 引言

當今物聯(lián)網迅速發(fā)展，集中在智慧城市、抄表、停車管理、物流車隊、智能可穿戴設備、聯(lián)網型售貨機、資產管理、安全系統(tǒng)等服務，預計2020年全球物聯(lián)網連接數(shù)將超百億，其中eMTC是一個重要分支。eMTC是由LTE演進的物聯(lián)網技術，支持TDD/FDD兩種模式，具備速率高、移動性和定位能力好等特點，相比NB-IoT，eMTC可滿足對速率、語音功能、移動性和定位能力要求相對較高的行業(yè)應用。本文將通過原理研究，結合試驗數(shù)據(jù)分析eMTC技術在覆蓋、調度、速率等方面的性能。

2 eMTC原理與關鍵技術

2.1 物理層資源結構

eMTC作為LTE一個特性，基本沿用LTE設計，占原有LTE系統(tǒng)的6個PRB，其中一個RB占12個子載波（子載波帶寬15kHz，間隔為15kHz）。時域結構上eMTC幀結構與LTE一致；頻域結構上，3GPP將系統(tǒng)帶寬劃分成若干NB（不重疊的6個PRB），eMTC UE的調度受NB限制，不能跨NB調度，不同eMTC UE可以共享一個NB的資源，如圖1。eMTC業(yè)務與LTE業(yè)務共享一套QoS機制，eMTC有單獨的話統(tǒng)統(tǒng)計，通過eMTC和LTE使用的PRACH資源不同，識別不同業(yè)務進行統(tǒng)計。

圖1 頻段與NB資源

2.2 信號與信道

eMTC不重用LTE的PDCCH、PCFICH和PHICH下行信道，新增MPDCCH信道，用于發(fā)送eMTC UE的PDSCH和PUSCH信道的調度指示以及公共消息的指示，比如尋呼、RAR響應、上行ACK反饋。eMTC重用LTE的下行數(shù)據(jù)信道PDSCH，支持傳輸模式為TM1/2/6/9；eMTC重用LTE的下行導頻信號RS；重用LTE的物理同步信號PSS/SSS，其中PSS映射到時隙0和時隙10的最后一個OFDM符號，SSS映射到時隙0和時隙10的倒數(shù)第二個OFDM符號，均以5ms為周期重復發(fā)送；eMTC重用LTE的物理廣播信道PBCH，新增一套SIB消息，包括SIB1-BR、SIB2、SIB3、SIB4、SIB5和SIB14共6條，MIB消息新增一個IE用于攜帶SIB1-BR的調度信息，在每個系統(tǒng)幀的0#子幀和9#子幀發(fā)送，周期為40ms。如圖2(a)。

eMTC的PRACH和LTE的PRACH分開（使用相同頻率，時域上區(qū)分），可以采用時分，頻分，碼分方式；eMTC的PUCCH和LTE的PUCCH分開，eMTC的PUCCH支持跨子幀跳頻，不支持子幀內跳頻；eMTC使用LTE傳統(tǒng)的PUSCH信道上傳數(shù)據(jù)資源，其PUSCH資源受NB限制。如圖2(b)。

圖2 (a)eMTC下行物理信道(b)eMTC上行物理信道

2.3 資源共享與調度

eMTC作為小區(qū)特性，與LTE共小區(qū)部署，不占用獨立小區(qū)，但是需要占用空口的RB資源和基帶的處理資源，為保證MBB業(yè)務優(yōu)先，系統(tǒng)會預留一定的資源給LTE，即使LTE沒有任何業(yè)務，eMTC也不能使用預留。

通過配置參數(shù)EmtcDlRbTargetRatio和EmtcUlR bTargetRatio，可以控制LTE和eMTC資源占用比例，在LTE和eMTC負載均很高時，依據(jù)兩者目標利用率，動態(tài)共享LTE的PRB資源，如圖3-case1；當eMTC負載較高，而LTE有空閑RB資源時，這些空閑RB資源可以給eMTC使用，如圖3-case2；因eMTC采用跨子幀調度和重復技術，會長期占用RB資源，為了避免LTE控制消息和VoIP等高優(yōu)先級業(yè)務被長期阻塞，通過DlLteRvsNbNum和UlLteRvsNbNum參數(shù)給LTE預留RB資源，保證LTE業(yè)務的需求，即LTE負載較而eMTC負載較低時，LTE可以占用全部帶寬，如圖3-case3。

圖3 eMTC與LTE資源共享

2.4 峰值速率

與LTE下行異步HARQ，上行同步HARQ不同，eMTC上行下行都是異步HARQ。下行調度，設MPDCCH重復的最后一個子幀編號n，則MPDCCH調度的PDSCH起始子幀編號為n+2；設PDSCH重復的最后子幀編號為n，則PUCCH 1 Ack/Nack子幀編號為n+4。上行調度，設MPDCCH重復的最后一個子幀編號n，則MPDCCH調度的PUSCH起始子幀編號為n+4；設PUSCH重復的最后子幀編號為n，則MPDCCH Ack/Nack子幀編號為n+4。

圖4 (a)下行全雙工(b)下行半雙工（c）上行全雙工（d）上行半雙工

在無重復及重傳的情況下，如圖4，以ModeA對eMTC速率進行估算：下行調度周期為10ms，全雙工時可以下行連續(xù)MPDCCH和PDSCH調度，10ms周期內能發(fā)送8個下行TB（傳輸塊），每個TB最大1000bits，因此下行峰值速率為8*1000*（1000/10）=800kbps；同理下行半雙工峰值速率為300kbps; 上行行調度周期為8ms，同理推算出全雙工上行峰值速率1000kbps，半雙工上行峰值速率375kbps，見表1。

表1 eMTC峰值速率

2.5 功耗

eMTC采用PSM和eDRX技術以節(jié)約功耗。PSM是一種新增的比Idle態(tài)更省電的省電模式，由MME通過NAS配置給UE，UE發(fā)送完數(shù)據(jù)后在Idle態(tài)停留一段時間后進入深度睡眠態(tài)，不監(jiān)聽任何空口消息，只在主動發(fā)送數(shù)據(jù)和周期TAU時才退出PSM模式，如圖5(a)；eDRX通過延長Idle態(tài)或連接態(tài)的DRX周期，減少UE偵聽網絡的信令處理，UE只在每個eDRX周期只在尋呼窗口內監(jiān)聽PDCCH，其它時間處于睡眠狀態(tài)，從而達到UE節(jié)電的目的，如圖5(b)。

3 eMTC外場試驗分析

試驗場景選取在某城鎮(zhèn)，單站測試站點（L800和L1800共站）選擇空曠開闊區(qū)域，適合拉遠測試，如圖6(a)；連片站測試站點（8個L1800站點，7個L800站點）選擇人口密集區(qū)域，平均站間距約為500米，該區(qū)域包含高層住宅樓、普通商業(yè)樓、低層廠房和開闊空地等不同環(huán)境，如圖6(b)；測試環(huán)境的eMTC組網架構如6(c)；測試條件為CE ModeA，半雙工。

在覆蓋能力測試中，單站拉遠可測得最大MCL為150（RSRP=-135dBm），MCL>150后，終端接入之后發(fā)生掉話，不能穩(wěn)定接入，測得最大拉遠距離約為2.56km，如圖7(a)；拉遠過程進行VoLTE業(yè)務，測得最大MCL=145（RSRP=-130dBm）。組網環(huán)境下，室外測試點均能接入，室內場景地下室及樓宇高層出現(xiàn)無法接入點（SINR在-9以下），如圖7(b)。

在速率測試中，eMTC業(yè)務承載在L800或者L1800頻段，性能接近，見圖8。峰值速率測試，單用戶上行峰值速率343kbps，單用戶下行峰值速率263kbps，均與理論值接近。在上下行并發(fā)業(yè)務測試中，上行速率179.6kbps，下行速率150.4kbps，為什么并發(fā)業(yè)務時，上下行速率無法達到各自的峰值呢？主要是因為調度周期的原因：上行調度周期8ms，需要用到MPDCCH和PUSCH和信道，下行調度周期10ms，需要用到MPDCCH、PDSCH和PUCCH信道，若上下行分別以理想狀態(tài)下調度，MPDCCH必定會有資源沖突，如圖9。而在多用戶速率測試中，采用2個eMTC終端測試，各自的上下行速率均與單用戶接近，這同樣是調度的原因，理論上eMTC半雙工狀態(tài)下，一個NB資源可以支持3-4個UE同時滿業(yè)務調度。

圖5 (a)PSM技術(b)eDRX技術

圖6 (a)單站測試環(huán)境(b)連片站測試環(huán)境圖(c) eMTC組網架構

圖7 (a)單站拉遠(b)組網測試

在與LTE UE資源共享測試中， eMTC業(yè)務承載在L800或者L1800頻段對LTE UE影響則有較大不同。在網絡僅開啟eMTC功能無eMTC業(yè)務情況，對承載在L1800跟L800下的LTE UE資源占用很小，這是因為eMTC輕載時，除了必要的資源開銷，空閑的RB可以給LTE使用；在網絡開啟eMTC功能且eMTC滿業(yè)務情況，承載在L1800下的LTE UE下行速率平均下降4.6%，而承載在L1800下的LTE UE下行速率平均下降達12%，這是因為L800相比L1800只有5MHz帶寬（25個PRB），相比下eMTC占用的6個PRB影響就很大了，如圖10。

圖8 eMTC速率測試

圖9 上下行業(yè)務并發(fā)調度情況

圖10 資源共享測試

在時延測試中，Idle接入時延定義為RRC Conn Request -> RRC Conn Setup Complete，測試結果約67-87ms，符合預期；用戶面時延統(tǒng)計為cmd窗口中ping包的環(huán)回時延，見表2，符合預期。

4 結束語

eMTC是物聯(lián)網技術的一個重要分支，基于LTE協(xié)議進行裁剪和優(yōu)化，更加適合M2M間的通信，eMTC UE通過支持1.4MHz的射頻和基帶帶寬，可以直接接入現(xiàn)有的LTE網絡，支持豐富、創(chuàng)新的物聯(lián)應用。本文通過對eMTC基本原理和技術的研究，結合外場試驗，驗證了eMTC的基本性能，對未來eMTC網絡的部署提供了參考與指導意見。另受限于終端產業(yè)鏈不成熟原因，切換和語音性能未能進行相關測試，將是未來研究工作的重點。

表2 eMTC用戶面時延測試結果