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eMTC,你所不了解的基础

eMTC,全称是 LTE enhanced MTO,是基于LTE演进的物联网技术。为了更加适合物与物之间的通信,也为了更低的成本,对LTE协议进行了裁剪和优化。eMTC基于蜂窝网络进行部署,其用户设备通过支持1.4MHz的射频和基带带宽,可以直接接入现有的LTE网络。eMTC支持上下行最大1Mbps的峰值速率,可以支持丰富、创新的物联应用。

eMTC的基本特性

窄带LTE其中最主要的几个特性。第一,系统复杂性地大幅度降低,复杂程度及成本得到了极大的优化。第二,功耗极度降低,电池续航时间大幅度增强。第三,网络的覆盖能力大大加强。第四,网络覆盖的密度增强。

eMTC具备LPWA基本的四大能力:一是广覆盖,在同样的频段下,eMTC比现有的网络增益15dB,极大地提升了LTE网络的深度覆盖能力;二是具备支撑海量连接的能力,eMTC一个扇区能够支持近10万个连接;三是更低功耗,eMTC终端模块的待机时间可长达10年;四是更低的模块成本,大规模的连接将会带来模组芯片成本的快速下降,eMTC芯片目标成本在1~2美金左右 。

除此之外,eMTC还具有四大优势:一是速率高,eMTC支持上下行最大1Mbps的峰值速率,远远超过GPRS、 ZigBee等物联技术的速率,eMTC更高的速率可以支撑更丰富的物联应用,如低速视频、语音等;二是移动性,eMTC支持连接态的移动性,物联网用户可以无缝切换保障用户体验;三是可定位,基于TDD的eMTC可以利用基站侧的PRS测量,在无须新增GPS芯片的情况下就可进行位置定位,低成本的定位技术更有利于eMTC在物流跟踪、货物跟踪等场景的普及:四是支持语音,eMTC从LTE协议演进而来,可以支持 VOLTE语音,未来可被广泛应用到可穿戴设备中。

原理与关键技术

1、物理层资源结构

eMTC作为LTE一个特性, 基本沿用LTE设计,占原有LTE系统的6个PRB,其中一个RB占12个子载波 (子载波带宽15kHz, 间隔为15kHz) 。时域结构上eMTC帧结构与LTE一致;频域结构上,3GPP将系统带宽划分成若干NB (不重叠的6个PRB) ,eMTC UE的调度受NB限制,不能跨NB调度,不同eMTC UE可以共享一个NB的资源。

2、信号与信道

eMTC不重用LTE的PDCCH、PCFICH和PHICH下行信道, 新增MPDCCH信道, 用于发送eMTC UE的PDSCH和PUSCH信道的调度指示以及公共消息的指示, 比如寻呼、RAR响应、上行ACK反馈。eMTC重用LTE的下行数据信道PDSCH, 支持传输模式为TM1/2/6/9;eMTC重用LTE的下行导频信号RS;重用LTE的物理同步信号PSS/SSS, 其中PSS映射到时隙0和时隙10的最后一个OFDM符号, SSS映射到时隙0和时隙10的倒数第二个OFDM符号,均以5ms为周期重复发送;eMTC重用LTE的物理广播信道PBCH, 新增一套SIB消息, 包括SIB1-BR、SIB2、SIB3、SIB4、SIB5和SIB14共6条,MIB消息新增一个IE用于携带SIB1-BR的调度信息, 在每个系统帧的0#子帧和9#子帧发送, 周期为40ms。

eMTC的PRACH和LTE的PRACH分开 (使用相同频率, 时域上区分) , 可以采用时分, 频分, 码分方式;eMTC的PUCCH和LTE的PUCCH分开, eMTC的PUCCH支持跨子帧跳频, 不支持子帧内跳频;eMTC使用LTE传统的PUSCH信道上传数据资源, 其PUSCH资源受NB限制。

3、资源共享与调度

eMTC作为小区特性, 与LTE共小区部署, 不占用独立小区, 但是需要占用空口的RB资源和基带的处理资源, 为保证MBB业务优先, 系统会预留一定的资源给LTE, 即使LTE没有任何业务, eMTC也不能使用预留。

通过配置参数EmtcDlRbTargetRatio和EmtcUlR bTargetRatio, 可以控制LTE和e MTC资源占用比例, 在LTE和eMTC负载均很高时, 依据两者目标利用率, 动态共享LTE的PRB资源, 如图3-case1;当eMTC负载较高, 而LTE有空闲RB资源时, 这些空闲RB资源可以给eMTC使用, 如图3-case2;因e MTC采用跨子帧调度和重复技术, 会长期占用RB资源, 为了避免LTE控制消息和VoIP等高优先级业务被长期阻塞, 通过DlLteRvsNbNum和UlLteRvsNbNum参数给LTE预留RB资源, 保证LTE业务的需求, 即LTE负载较而eMTC负载较低时, LTE可以占用全部带宽。

4、峰值速率

与LTE下行异步HARQ, 上行同步HARQ不同, eMTC上行下行都是异步HARQ。下行调度, 设MPDCCH重复的最后一个子帧编号n, 则MPDCCH调度的PDSCH起始子帧编号为n+2;设PDSCH重复的最后子帧编号为n, 则PUCCH 1 Ack/Nack子帧编号为n+4。上行调度, 设MPDCCH重复的最后一个子帧编号n, 则MPDCCH调度的PUSCH起始子帧编号为n+4;设PUSCH重复的最后子帧编号为n, 则MPDCCH Ack/Nack子帧编号为n+4。

在无重复及重传的情况下,以ModeA对eMTC速率进行估算:下行调度周期为10ms, 全双工时可以下行连续MPDCCH和PDSCH调度, 10ms周期内能发送8个下行TB (传输块) , 每个TB最大1000bits,因此下行峰值速率为8*1000* (1000/10) =800kbps;同理下行半双工峰值速率为300kbps;上行行调度周期为8ms, 同理推算出全双工上行峰值速率1000kbps, 半双工上行峰值速率375kbps。

5、功耗

eMTC采用PSM和e DRX技术以节约功耗。PSM是一种新增的比Idle态更省电的省电模式, 由MME通过NAS配置给UE, UE发送完数据后在Idle态停留一段时间后进入深度睡眠态, 不监听任何空口消息, 只在主动发送数据和周期TAU时才退出PSM模式, 如图5 (a) ;eDRX通过延长Idle态或连接态的DRX周期, 减少UE侦听网络的信令处理, UE只在每个e DRX周期只在寻呼窗口内监听PDCCH, 其它时间处于睡眠状态, 从而达到UE节电的目的。

应用场景

eMTC是爱立信提出的无线物联网解决方案。eMTC基于LTE接入技术设计了无线物联网络的软特性,主要面向中低速率、低功耗、大连接、移动性强、具有定位需求的物联网应用场景。

eMTC无线物联网技术可支持语音、移动、定位业务,适合进行速率为100kbit/s~1Mbit/s范围内的中速小包数据或语音业务,模组市场价约10美元每块,典型应用为智能电梯、行车、物流跟踪、穿戴设备等。

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