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NB-IoT 与 eMTC 的十轮论战

导读: 伴随移动通信技术的不断发展,全球物联网即将迎来快速的发展。在国际运营商中, AT&T、Verizon、KDDI、KPN、Orange、NTT DoCoMo、Telefonica、Telstra、Telus都先后开展了eMTC的商用。在我国,电信率先起跑,在确立了800MHz组网能力之后...

伴随移动通信技术的不断发展,全球物联网即将迎来快速的发展。在国际运营商中, AT&T、Verizon、KDDI、KPN、Orange、NTT DoCoMo、Telefonica、Telstra、Telus都先后开展了eMTC的商用。

在我国,电信率先起跑,在确立了800MHz组网能力之后,一口气要建成30万NB-IOT基站。联通与Jasper签订双排他协议,早早确定了NB-IOT作为发展方向。

而最早提出的中移动,却在NB-IoT 与eMTC之间徘徊不定,这之间的原因,主要是两种制式各有所长,而中移动的TDD网络决定了其决策上的纠结性。

本文就NB-IoT 与eMTC 的主要性能,在十个方面进行了系统地梳理及详细地分析,在十轮论战过后,让我们再重新审视中移动的最佳决策应该是什么样子的。

一、选择战场

在物联网的建网中,有非常多的应用场景需要满足,那么NB-IoT 与eMTC是在哪个场景下进行PK的呢?主要有三个场景,我们依次来看一下。

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:

场景一:低时延、高可靠性业务。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;

场景二:中等需求类业务。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;

场景三:LPWA(Low Power Wide Area)业务。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。NB-IoT 与eMTC也主要是在这个战场上进行PK的。

二、战败了哪些对手

NB-IoT 与EMTC一路走来,是战败了哪些网络制式,才走到最后的呢?

目前,存在多种可承载LPWA类业务的物联网通信技术,如GPRS、LTE、LoRa、Sigfox等,但存在如下问题:

1.终端续航时长无法满足要求,如:目前GSM终端待机时长(不含业务)仅20天左右,在一些LPWA典型应用如抄表类业务中更换电池成本高,且某些特殊地点如深井、烟囱等更换电池很不方便。

2.无法满足海量终端的应用需求,物联网终端的一大特点就是海量,因此需要网络能够同时接入大量用户,而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。

3.典型场景网络覆盖不足,例如深井、地下车库等覆盖盲点,室外基站无法实现全覆盖。

4.成本高,对于部署物联网的企业来说,选择LPWA的一个重要原因就是部署的低成本。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。而蜂窝通信技术对于企业来说部署成本太高,国产最普通的2G通信模块一般在30元人民币以上,而4G通信模块则要200元人民币以上。

5.传输干扰大,这主要针对的是非蜂窝物联网技术,其基于非授权频谱传输,传输干扰大,安全性差,无法确保可靠传输。

上述几点已经成为阻碍LPWA业务发展的影响因素,与这些制式相比,NB-IoT 与EMTC优势较为明显。

三、NB-IoT与eMTC的十年鏖战

1.覆盖

NB-IOT :设计目标是在GSM 基础上覆盖增强20dB。以144 dB 作为GSM 的最大耦合路损,则NB-IoT 设计的最大耦合路损为164 dB。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。而在其通过上行覆盖增强技术,尽管NB-IoT 终端上行发射功率(23 dBm)较GSM(33 dBm)低10 dB,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164 dB 的最大路损下。

eMTC:其设计目标是在LTE 最大路损(140 dB)基础上增强15 dB 左右,最大耦合路损可达155 dB。该技术覆盖增强主要依靠信道的重复,其覆盖较NB-IoT 差9dB 左右。

总结来看,NB-IoT 覆盖半径约是GSM/LTE 的4 倍,eMTC覆盖半径约是GSM/LTE 的3 倍,NB-IoT 覆盖半径比eMTC 大30%。NB-IoT 及eMTC 覆盖增强可用于提高物联网终端的深度覆盖能力,也可用于提高网络的覆盖率,或者减少站址密度以降低网络成本等。

2.功耗

由于多数物联网应用都由于地理位置或成本原因,存在终端不易更新的问题,因此功耗,就对物联网终端在特殊场景中能否商用,起到非常重要的作用了。

NB-IoT :在3GPP 标准中的终端电池寿命设计目标为10 年。在实际设计中,NB-IoT 引入eDRX 与PSM 等节电模式以降低功耗,该技术采用了降低峰均比以提升功率放大器(PA)效率、减少周期性测量及仅支持单进程等多种方案提升电池效率,以达到10 年寿命的设计预期。但在实际应用中,NB-IoT 的电池寿命与具体的业务模型及终端所处覆盖范围密切相关。

eMTC :在较理想的场景下,电池寿命预期也可达10 年水平,其终端也引入了PSM 与eDRX 两种节电模式,但是实际性能,还需后在不同场景中做进一步评估、验证。

3.模组成本

NB-IoT :其采用更简单的调制解调编码方式,以降低存储器及处理器的要求;采用半双工的方式,无需双工器、降低带外及阻塞指标等等一系列方法。在目前市场规模下,其模组成本可达5 美金以下,在今后市场规模扩大的情况下,规模效应有可能使其模组成本进一步下降。具体金额及时间进度,依赖产业发展的速度而定。

eMTC :其也在LTE 的基础上,针对物联网应用需求对成本进行了一定程度的优化。在市场初期的规模下,其模组成本可低于10 美金。

4.连接数

连接数是物联网能够进行大规模应用的关键因素。

NB-IoT :其在设计之初所定目标为5 万连接数/ 小区,根据初期计算评估,目前版本可基本达到要求。但是否可达到该设计目标取决于小区内各NB-IoT 终端业务模型等因素,需后续进一步测试评估。

eMTC:其连接数并未针对物联网应用做专门优化,目前预期其连接数将小于NB-IoT技术,具体性能需后续进一步测试评估。

5.后续需增强功能

定位功能:在NB-IoT技术的R13 版本中,为降低终端的功耗,在系统设计时,并未设计PRS 及SRS。因此,目前NB-IoT 仅能通过基站侧E-CID 方式定位,精度较粗。当然,未来的升级中将进一步考虑增强定位精度的特性与设计。

多播(multi-cast)功能 :在物联网业务中,基站有可能需要对大量终端同时发出同样的数据包。在NB-IoT 的R13 版本中,无相应多播业务,在进行该类业务时需逐个向每个终端下发相应数据,浪费大量系统资源,延长整体信息传送时间。在R14 版本中,有可能对多播特性进行考虑,以改善相关性能。

移动性/ 业务连续性增强功能:R13 中NB-IoT 主要针对静止/ 低速用户设计、优化,不支持邻区测量上报,因此无法进行连接态小区切换,仅支持空闲态小区重选。R14 阶段会增强UE 测量上报功能,支持连接态小区切换。

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