eMTC技术研究与试验分析

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1 引言

当今物联网迅速发展，集中在智慧城市、抄表、停车管理、物流车队、智能可穿戴设备、联网型售货机、资产管理、安全系统等服务，预计2020年全球物联网连接数将超百亿，其中eMTC是一个重要分支。eMTC是由LTE演进的物联网技术，支持TDD/FDD两种模式，具备速率高、移动性和定位能力好等特点，相比NB-IoT，eMTC可满足对速率、语音功能、移动性和定位能力要求相对较高的行业应用。本文将通过原理研究，结合试验数据分析eMTC技术在覆盖、调度、速率等方面的性能。

2 eMTC原理与关键技术

2.1 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，如图1。eMTC业务与LTE业务共享一套QoS机制，eMTC有单独的话统统计，通过eMTC和LTE使用的PRACH资源不同，识别不同业务进行统计。

图1 频段与NB资源

2.2 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。如图2(a)。

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。如图2(b)。

图2 (a)eMTC下行物理信道(b)eMTC上行物理信道

2.3 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eMTC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eMTC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，如图3-case3。

图3 eMTC与LTE资源共享

2.4 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。

图4 (a)下行全双工(b)下行半双工（c）上行全双工（d）上行半双工

在无重复及重传的情况下，如图4，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，见表1。

表1 eMTC峰值速率

2.5 功耗

eMTC采用PSM和eDRX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eDRX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，如图5(b)。

3 eMTC外场试验分析

试验场景选取在某城镇，单站测试站点（L800和L1800共站）选择空旷开阔区域，适合拉远测试，如图6(a)；连片站测试站点（8个L1800站点，7个L800站点）选择人口密集区域，平均站间距约为500米，该区域包含高层住宅楼、普通商业楼、低层厂房和开阔空地等不同环境，如图6(b)；测试环境的eMTC组网架构如6(c)；测试条件为CE ModeA，半双工。

在覆盖能力测试中，单站拉远可测得最大MCL为150（RSRP=-135dBm），MCL>150后，终端接入之后发生掉话，不能稳定接入，测得最大拉远距离约为2.56km，如图7(a)；拉远过程进行VoLTE业务，测得最大MCL=145（RSRP=-130dBm）。组网环境下，室外测试点均能接入，室内场景地下室及楼宇高层出现无法接入点（SINR在-9以下），如图7(b)。

在速率测试中，eMTC业务承载在L800或者L1800频段，性能接近，见图8。峰值速率测试，单用户上行峰值速率343kbps，单用户下行峰值速率263kbps，均与理论值接近。在上下行并发业务测试中，上行速率179.6kbps，下行速率150.4kbps，为什么并发业务时，上下行速率无法达到各自的峰值呢？主要是因为调度周期的原因：上行调度周期8ms，需要用到MPDCCH和PUSCH和信道，下行调度周期10ms，需要用到MPDCCH、PDSCH和PUCCH信道，若上下行分别以理想状态下调度，MPDCCH必定会有资源冲突，如图9。而在多用户速率测试中，采用2个eMTC终端测试，各自的上下行速率均与单用户接近，这同样是调度的原因，理论上eMTC半双工状态下，一个NB资源可以支持3-4个UE同时满业务调度。

图5 (a)PSM技术(b)eDRX技术

图6 (a)单站测试环境(b)连片站测试环境图(c) eMTC组网架构

图7 (a)单站拉远(b)组网测试

在与LTE UE资源共享测试中， eMTC业务承载在L800或者L1800频段对LTE UE影响则有较大不同。在网络仅开启eMTC功能无eMTC业务情况，对承载在L1800跟L800下的LTE UE资源占用很小，这是因为eMTC轻载时，除了必要的资源开销，空闲的RB可以给LTE使用；在网络开启eMTC功能且eMTC满业务情况，承载在L1800下的LTE UE下行速率平均下降4.6%，而承载在L1800下的LTE UE下行速率平均下降达12%，这是因为L800相比L1800只有5MHz带宽（25个PRB），相比下eMTC占用的6个PRB影响就很大了，如图10。

图8 eMTC速率测试

图9 上下行业务并发调度情况

图10 资源共享测试

在时延测试中，Idle接入时延定义为RRC Conn Request -> RRC Conn Setup Complete，测试结果约67-87ms，符合预期；用户面时延统计为cmd窗口中ping包的环回时延，见表2，符合预期。

4 结束语

eMTC是物联网技术的一个重要分支，基于LTE协议进行裁剪和优化，更加适合M2M间的通信，eMTC UE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，支持丰富、创新的物联应用。本文通过对eMTC基本原理和技术的研究，结合外场试验，验证了eMTC的基本性能，对未来eMTC网络的部署提供了参考与指导意见。另受限于终端产业链不成熟原因，切换和语音性能未能进行相关测试，将是未来研究工作的重点。

表2 eMTC用户面时延测试结果