NB-IoT和eMTC覆盖能力对比

徐芙蓉，李 新，李秋香，杨 光

（中国移动通信集团公司研究院，北京 100053）

1 引言

NB-IoT和eMTC（enhanced Machine Type Communications，增强型机器类通信）是3GPP针对LPWA（Low Power Wide Area，低功耗广覆盖）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、低时延敏感、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在覆盖增强和低功耗方面采用了相同的技术手段，但eMTC只是LTE的增强功能，主要在物理层发送方式上进行了简化和增强，而NB-IoT在物理层发送方式、网络结构、信令流程等方面都做了简化。

覆盖增强是NB-IoT和eMTC的重要特性，NBIoT要求在GSM基础上覆盖增强20 dB，即MCL（Maximum Coupling Loss，最大耦合路损）要达到164 dB，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[1]；eMTC的MCL目标是155.7 dB，即在LTE基础上增强15 dB，由于LTE不同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

NB-IoT具有三种部署方式：独立部署（Stand alone）、保护带部署（Guard band）、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。

NB-IoT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。eMTC是LTE的增强功能，与LTE共享发射功率和系统带宽，但eMTC的业务信道带宽最大为6个PRB。eMTC功率谱密度与LTE相同，覆盖增强主要是通过重复发送、跳频实现。

2.2 功率谱密度对覆盖能力的影响分析

NB-IoT独立部署，下行发射功率可独立配置，例如20 W，此时NB-IoT功率谱密度与GSM相同，比LTE功率谱密度高14 dB左右。In-band及Guard band部署时，可以通过Power Boosting提升NB-IoT的发射功率，例如NB-IoT比LTE功率高6 dB，此时NB-IoT下行功率仍比GSM功率谱密度低8 dB。eMTC在功率谱密度上并未比LTE有所提升，比GSM功率谱密度低14 dB，因此eMTC功率谱密度比NB-IoT低6 dB～14 dB。GSM、LTE FDD与NB-IoT、eMTC下行功率谱密度比较如表1所示。

NB-IoT上行终端最大发射功率比GSM低10 dB，但由于NB-IoT最小调度带宽为3.75 kHz或15 kHz，因此NB-IoT上行功率谱密度比GSM高0.8 dB～6.8 dB。eMTC终端最大发射功率为23 dBm，最小调度带宽为1个RB 180 kHz，其上行功率谱密度与LTE相同，但比GSM低10 dB，因此eMTC上行功率谱密度比NB-IoT低11 dB～17 dB。GSM、LTE FDD与NB-IoT、eMTC上行功率谱密度比较如表2所示。

除了功率谱密度上有所变化外，覆盖增强还通过重复发送及跳频实现。eMTC在功率谱密度上无增强，主要通过重复、跳频实现覆盖增强。

2.3 重复次数对覆盖能力的影响分析

（1）NB-IoT仿真结果

1）下行仿真结果

（a）NPBCH解调门限

根据NPBCH 2T1R仿真得到的解调门限（来源：R1-160259，此门限为BLER 10%对应的解调门限，但控制信道一般考虑1% BLER的解调门限要求）结果如下，基站采用2天线发送，存在约3 dB的发送分集增益，如果基站采用1天线发送（1T1R），要达到与2天线同等的覆盖能力，需更多重复次数[1]。

◆Standalone MCL达到144 dB、154 dB、164 dB的重复次数分别为1、2、16。

◆In-band/Guard band MCL达到144 dB、154 dB的重复次数分别为2、16。重复次数达到最大64次时，MCL只能达到163.2 dB，仍无法满足164 dB的覆盖目标。在MCL 164 dB解调PBCH时，BLER可能会高于10%。

表1 GSM、LTE FDD与NB-IoT、eMTC下行功率谱密度比较

表2 GSM、LTE FDD与NB-IoT、eMTC上行功率谱密度比较

（b）NPDCCH解调门限

NPDCCH信息最大为39 bit，基于48 bit仿真的解调门限（来源：R1-157339、R1-157537、R1-157538）结果中可以得到，重复32次可满足Standalone MCL164 dB的覆盖要求。Guard band、In-band的发射功率比Standalone低8 dB时，重复256次才能满足MCL 164 dB的覆盖要求。

（c）NPDSCH解调门限

NPDSCH信道的重复次数与TBS大小有关，TBS=680时重复32次可满足Standalone MCL 164 dB的覆盖要求。当In-band、Guard band的发射功率比Standalone低8 dB时，重复128次才能满足MCL 164 dB的覆盖要求。

同等覆盖距离下，Standalone的下行速率高于Inband、Guard band两种部署方式。

2）上行仿真结果

Standalone、Guard band、In-band上行可用资源相同，各上行信道的性能接近。

◆NPRACH仿真结果

NPRACH重复次数{1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128}，从仿真结果（来源：R1-160317）可以看出，重复次数达到32次时，可满足MCL 164 dB的覆盖需求[1]。

◆NPUSCH仿真结果

NPUSCH的仿真结果如表3所示，采用QPSK调制，发送接收天线为1T2R[1]。从仿真结果（来源：R1-160272）可以得到，3.75k ST、15k ST、15k MT均重复1次即可达到MCL 144 dB的覆盖，3.75k ST、15k ST分别重复1次、2次即可达到MCL 154 dB的覆盖，3.75k ST、15k ST分别重复2次、8次可达到MCL 164 dB的覆盖。

（2）eMTC仿真结果

1）下行仿真结果

下行信道由于Legacy-LTE各信道的覆盖能力不同，为了满足eMTC MCL 155.7 dB的覆盖目标，各信道需要提升不同程度的覆盖能力，如表3所示，相比LTE各下行信道需提升6.7 dB～10.3 dB。

表3 eMTC下行信道覆盖增强需求（来源：TR36.888）

eMTC各信道均可通过重复发送达到MCL 155.7 dB的覆盖目标：

◆PBCH在Legacy-LTE PBCH单次发送的基础上可重复5次，理论上可获得7 dB左右的覆盖增益。

◆MPDCCH定义最多可重复256次，同时，MCCE的聚合等级在Legacy-LTE基础上新增16和32，可获得15 dB以上的覆盖增益。

◆MPDSCH定义最多可重复2 048次，当重复256次时，覆盖可增强15 dB以上。

2）上行仿真结果

上行信道由于Legacy-LTE各信道的覆盖能力不同，为了满足eMTC MCL 155.7 dB的覆盖目标，各信道需要提升不同程度的覆盖能力，如表4所示，相比LTE各上行信道需提升8.5 dB～15 dB。eMTC上行信道仿真结果如表4所示：

表4 eMTC上行信道仿真结果（来源：TR36.888）

上行各信道通过重复发送可达到MCL 155.7的覆盖目标。PUSCH、PRACH、PUCCH分别需重复128次、32次、16次即可达到覆盖目标，均低于3GPP定义的最大重复次数。

（3）小结

通过上述对仿真结果的分析，NB-IoT和eMTC各信道基本均可通过重复发送的方式达到覆盖目标，且所需重复次数均低于3GPP标准定义的最大重复次数，NB-IoT In-band和Guardband的NPBCH信道的最大MCL略低。

相对LTE，eMTC无功率谱密度方面，通过重复发送的方式可增强6.7 dB～15 dB。

2.4 链路预算结果

本节以密集城区Hata模型为例计算各信道覆盖距离，并与GSM、LTE作对比。在同等环境下，GSM/LTE覆盖半径约0.6 km～0.7 km，NB-IoT覆盖半径约2.65 km，eMTC覆盖半径约2 km。NB-IoT覆盖半径比eMTC覆盖半径高约30%。

实际在做eMTC和NB-IoT网络规划时，需综合考虑上行速率目标、干扰余量、穿透损耗、覆盖率、物联网终端功耗等因素规划覆盖半径。eMTC和NB-IoT覆盖增强可用于提升网络覆盖能力、提升覆盖率或降低站址密度以降低网络建设成本。上/下行链路预算结果如表5、表6所示。

3 NB-IoT和eMTC覆盖能力测试验证

本节根据测试情况，对比GSM、LTE、NB-IoT Standalone、eMTC四种制式的覆盖能力，从结果看，NB-IoT Standalone工作模式下可达到比GSM覆盖增强20 dB。eMTC当前产业水平仅支持Mode A，实测比LTE覆盖增强了2 dB～9 dB（不同场景测试所用的LTE终端能力不同，LTE覆盖结果差别较大），由于系统设备、测试场景、测试终端及上下行干扰水平存在差异，覆盖受限信道也不尽相同。GSM、LTE与NBIoT、eMTC测试对比如表7所示。

由于部分场景的上行底噪抬升较高，对覆盖能力影响较大。通过对有上行干扰站点的覆盖测试可以得到，上行干扰会对不同制式的覆盖能力造成基本同等程度的收缩。

为了验证不同信道的覆盖能力，同时对极限覆盖时的受限信道进行了分析。从表8中可以看出，在孤站场景（上下行底噪或干扰均较小），NB-IoT覆盖主要受限于上行PRACH信道或上行PUSCH信道；eMTC覆盖主要受限于上行PUSCH信道或下行PDSCH信道。NB-IoT和eMTC极限覆盖时的受限信道如表8所示。

在上行覆盖受限的场景，NB-IoT上行采用3.75 kHz的子载波带宽，覆盖能力将比15 kHz增强5 dB，但此时3.75 kHz配置下接入时延较大，若考虑接入时延保持相当的情况下，3.75 kHz比15 kHz增强1 dB左右。

4 结束语

本文首先分析NB-IoT和eMTC的覆盖增强手段。NB-IoT主要通过提升功率谱密度和重复发送的方式提升覆盖能力，可比GSM覆盖增强20 dB；eMTC主要通过重复发送、跳频的方式提升覆盖能力，相比LTE覆盖增强15 dB。NB-IoT Standalone下行功率谱密度与GSM相同，比LTE功率谱密度高14 dB左右，NB-IoT上行功率谱密度比GSM高0.8 dB～6.8 dB；eMTC与LTE的上行、下行功率谱密度均相同。NB-IoT和eMTC的各信道基本均可通过重复发送的方式达到覆盖目标，且所需重复次数均低于3GPP标准定义的最大重复次数，NB-IoT In-band和Guard band NPBCH信道的最大MCL略低。

表5 上行链路预算结果

同时，本文对NB-IoT和eMTC的覆盖增强能力进行了测试验证。从不同场景的测试结果中可以得到，NB-IoT Standalone工作模式下相比GSM覆盖可增强20 dB，eMTC Mode A模式相比LTE覆盖可增强2 dB～9 dB。由于设备能力、测试场景、测试终端及上下行干扰水平存在差异，覆盖受限信道也不尽相同。在孤站场景（上下行底噪或干扰均较小），NB-IoT覆盖主要受限于上行PRACH信道或上行PUSCH信道；eMTC覆盖主要受限于上行PUSCH信道或下行PDSCH信道。NB-IoT及eMTC覆盖增强可用于提高物联网的

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。

表6 下行链路预算结果

表7 GSM、LTE与NB-IoT、eMTC测试对比

表8 NB-IoT和eMTC极限覆盖时的受限信道

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