蜂窝物联网技术NB-IoT与eMTC的对比研究

摘  要：随着信息技术的不断发展，3GPP制定了低功耗低成本的蜂窝物联网技术NB-IoT与eMTC技术，是目前全球运营商主推方向，这两种技术之间既存在共性又各自有其优点。本文详细介绍了NB-IoT与eMTC技术的各项参数，并通过多方面对比，分析了两种技术各自对应的应用场景，找出其互补关系和共同发展的方向。据此，下文主要就NB-IoT与eMTC技术进行对比研究，希望可以为该方面的研究提供参考与建议，有助于促进蜂窝物联网产品的快速成熟，推动中国物联网的发展。

关键词：物联网;NB-IoT;eMTC

中图分类号：TN929.5;TP391.44      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）07-0157-03

Abstract：With the continuous development of information technology，3GPP has developed low-power and low-cost cellular internet of things technology NB-IoT and eMTC technology，which are the main direction of global operators at present. There are both similarities and advantages between the two technologies. In this paper，the parameters of NB-IoT and eMTC technology are introduced in detail，and the corresponding application scenarios of each technology are analyzed through multi-aspect comparison，so as to find out the complementary relationship and common development direction. Accordingly，the following is a comparative study of NB-IoT and eMTC technology，hoping to provide reference and suggestions for the research in this area，which will help promote the rapid maturity of cellular internet of things products and promote the development of China’s internet of things.

Keywords：internet of things;NB-IoT;eMTC

0  引  言

物聯网（IoT，Internet of Things）是未来信息技术发展的重要组成部分，其主要特点是将物品通过通信技术与网络连接，从而实现人机互连、物物互连的智能化网络。目前3GPP正式明确了5G NR（全球性5G标准），增强型机器类型通信（eMTC）/窄带物联网（NB-IoT）将应用于不同的物联网场景，绘制了物联网发展蓝图。在3GPP协议中，NB-IoT/eMTC将与5G NR长时间共存，这也是行业重点研究和发展的对象。

1  NB-IoT与eMTC技术标准化的演变过程

1.1  NB-IoT技术

为了应对将来蜂窝物联网所要求的增强室内覆盖、可以匹配更多低速率设备连接、低时延敏感度、并满足超低功耗、超低成本的技术需求。2014年5月Vodafone在3GPP TSG GERANMeeting #62次会议上，提出了从GERAN系统进行演进或者设计出新的通信接入制式这两个设想。2015年4月3GPP组织通过PCGMeeting#34次会议将EC-GSM、N-GSM、NBM2M、NBOFDMA、NB-CIoT、C-UNB以及NB-LTE等多种技术汇总于3GPPTR48.820中。并于2015年9月3GPPTSGRANMeeting#69全会确定主要基于NB-CIoT以及NB-LTE技术，定义NB-IoT技术即Cat-NB1。最终在2016年6月22日3GPP将NB-IoT标准发布于其官网，如图1所示。

1.2  eMTC技术

eMTC技术标准化经历了LTER8→LTER12→LTER13三阶段的演变，最终3GPP在R13中提出更轻量终端技术类别LTE Enhanced MTC（eMTC），此技术能在降低带宽的同时采用半双工的方式，并且其上行/下行速率仍各有1Mbit/s，且支持语音技术。（如图2所示）

NB-IoT与eMTC虽然都是低功耗微蜂窝通信技术，但在带宽、速率、覆盖增强及移动性上还是存在明显的差异。由上表可看出，NB-IoT的带宽、速率均低于eMTC，而且eMTC支持连接态的切换，终端在不同的小区间移动时业务传输不中断，更适用于语音通话、物流追踪等业务场景。另一方面NB-IoT的覆盖与功耗要优于eMTC，更具适应性，芯片的成本更低。

同属于蜂窝物联网的NB-IoT和eMTC有着共同特征，现从覆盖目标、低功耗、低成本三个方面进行技术特点对比：

（1）在覆盖目标上，NB-IoT（MCL164dB）比eMTC（MCL155.7dB）高8dB左右。NB-IoT和eMTC均采用了重复发送的方式来增强覆盖，eMTC与LTE共享发射功率和系统带宽，在功率谱密度上无增强，主要通过重复发送和跳频来实现覆盖增强。在上行方向，两种模式基本没区别。但是在下行方向，NB-IoT只有独立部署的功率可独立配置，带内和保护带部署模式的功率均受限于LTE的功率，因此，在带内和保护带部署模式下，NB-IoT需要更多重传次数才能达到与独立部署模式下相当的覆盖水平。

（2）在低功耗上，NB-IoT和eMTC采用相同手段，一般通过省电模式、扩展的不连续接收和延长周期定时器实现。

（3）在低成本上，NB-IoT和eMTC手段是一致的，都是通过低速率和低带宽来降低芯片处理的复杂度或者通过减少协议栈处理开销、单天线和频分双工、半双工模式以降低成本。由对比可知NB-IoT的特点在于更深的覆盖，更低的功耗和成本，适合低功耗、深度覆盖、对时延不敏感的业务。R14版本的NB-IoT依然不支持语音，速率依然在百kbit/s数量级。而eMTC最大的特点是支持语音和切换，速率相对较高，适合高可靠和时延敏感型业务;总之eMTC和NB-IoT各有所长，适用于不同的应用场景。

2.3  覆盖能力的对比

加强网络覆盖能力、提高覆盖率或减少站址密度可以降低网络成本。因此覆盖半径也是NB-IoT和eMTC对比的重点之一。若在同等环境下，以城镇为例，通过模拟计算，最高的NB-IoT覆盖半径约2.65km，而eMTC覆盖半径只有2 km左右。通过比较，eMTC覆盖半径只有NB-IoT覆盖半径的75%左右，NB-IoT拥有更深的覆盖能力。因此覆盖率、上行速率目标、干扰余量、穿透损耗、物联网终端功耗等影响覆盖半径的因素都是我们实际在做NB-IoT和eMTC网络规划时应综合考虑的地方。

2.4  应用场景的对比

NB-IoT与eMTC技术有着相辅相成的关系。它们的技术特点类似的同时又有着明显的各自优劣。综上所述现阶段NB-IoT技术在提供更强覆盖、更低功耗、更低成本的同时却无法进行移动性管理，上下行速率过低，同时需要网络侧进行一定程度的硬件升级才能够支持。而反观eMTC技术与NB-IoT技术正好互补，在提供更高速率、更好的移动性管理同时又带来了覆盖以及成本的问题。因此这两种技术没有优劣，只能根据实际工作场景来选择最适合的技术。在峰值速率、移动性、语音能力方面eMTC技术优于NB-IoT技术，适合于传输速率较快、具备移动性以及语音能力的应用场景，例如电梯卫士、行车卫士、智能物流、智能穿戴、健康监测、室内移动应用等。另一方面在低速率、小数据量、成本低且移动性要求较低的应用场景就应该选用NB-IoT技术，因为其在覆盖、功耗、成本、连接数等方面有着更好的性能，例如智能路灯、智慧物流、表类业务、智能停车、环境监测等。

3  运营商对NB-IoT和eMTC具体部署分析

随着NB-IoT技术在我国全面大力发展，整个产业从芯片、模组、终端到运营商网络、云计算平台、应用等多个领域全面发展。我国运营商正在积极推进NB-IoT，已有明确商用的方向和目标，并开展多个试点项目。目前，我国已成为全球NB-IoT市场规模最大的国家，其中中国电信已经在我国完成全网覆盖NB-IoT网络，而中国移动和联通也将会在近期完善相应的网絡建设。另一方面，针对eMTC技术，尽管三大运营商尚未明其确发展路线，但相关工作已在筹备，并开始了相关测试工作。eMTC技术网络相比NB-IoT发展要滞后一些。

下面主要对中国移动对NB-IoT和eMTC具体部署进行分析。因为NB-IoT只适合中国移动FDD制式，因此中国移动在推动NB-IoT试商用的工作的同时，更加迫切寻找NB-IoT最佳的互补组合。为了实现技术互补，中国移动将同步推进NB-IoT与eMTC协同发展，产业共进。目前，中国移动是全球最大的物联网连接提供商，其中物联网连接数接近1.3亿，承载物联网基站约165万个。对于NB-IoT和eMTC具体部署所需要考虑的因素，根据中国移动的现状，除了考虑物联网接入技术标准本身的技术特性之外，还需综合考虑相关标准的成熟度、频段的分配、网络建设难度、项目成本及与其他制式等因素。通过比较，了解到NB-IoT与TDD eMTC的关系是各自针对的是不同速率的业务，并非相互替代的。使用时需考虑以下因素，以及其优劣势，如表2所示。

4  结  论

物联网和云计算作为未来信息基础设施，在云网融合、大数据和人工智能技术在基础设施建设浪潮的助推之下，技术进步日新月异。蜂窝物联网 NB-IoT和eMTC两种技术的出现，大力推动了社会发展，为人们带来更多便利。

现阶段的蜂窝物联网NB-IoT和eMTC技术在应用上依然处在技术开发的初步发展阶段，我们想要更好地在相关领域融入物联网技术，就需不断对其进行研究，分析其在应用上存在的难点。随着行业的逐步融合，如何做到提高技术水平，掌握物联网行业的核心竞争力，达到领先于全球水平，对我国物联网产业的各个环节提出了更大的挑战。最后相信蜂窝物联网将会使社会生产更高效，人们生活更美好。

参考文献：

[1] 张力方，李福昌，胡泽妍，等.LTE-eMTC关键技术及部署方案研究 [J].邮电设计技术，2018（7）：1-5+101.

[2] 廖金龙，王旋.浅谈物联网NB_IoT与eMTC技术应用的互补关系 [J].广西通信技术，2018（2）：16-18.

作者简介：叶国超（1979.09-），男，汉族，广东新会人，设计三所所长，通信工程师，研究方向：移动通信。