［］

1 引言

當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展，集中在智慧城市、抄表、停車管理、物流車隊(duì)、智能可穿戴設(shè)備、聯(lián)網(wǎng)型售貨機(jī)、資產(chǎn)管理、安全系統(tǒng)等服務(wù)，預(yù)計(jì)2020年全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將超百億，其中eMTC是一個(gè)重要分支。eMTC是由LTE演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，支持TDD/FDD兩種模式，具備速率高、移動(dòng)性和定位能力好等特點(diǎn)，相比NB-IoT，eMTC可滿足對(duì)速率、語(yǔ)音功能、移動(dòng)性和定位能力要求相對(duì)較高的行業(yè)應(yīng)用。本文將通過(guò)原理研究，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析eMTC技術(shù)在覆蓋、調(diào)度、速率等方面的性能。

2 eMTC原理與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 物理層資源結(jié)構(gòu)

eMTC作為L(zhǎng)TE一個(gè)特性，基本沿用LTE設(shè)計(jì)，占原有LTE系統(tǒng)的6個(gè)PRB，其中一個(gè)RB占12個(gè)子載波（子載波帶寬15kHz，間隔為15kHz）。時(shí)域結(jié)構(gòu)上eMTC幀結(jié)構(gòu)與LTE一致；頻域結(jié)構(gòu)上，3GPP將系統(tǒng)帶寬劃分成若干NB（不重疊的6個(gè)PRB），eMTC UE的調(diào)度受NB限制，不能跨NB調(diào)度，不同eMTC UE可以共享一個(gè)NB的資源，如圖1。eMTC業(yè)務(wù)與LTE業(yè)務(wù)共享一套QoS機(jī)制，eMTC有單獨(dú)的話統(tǒng)統(tǒng)計(jì)，通過(guò)eMTC和LTE使用的PRACH資源不同，識(shí)別不同業(yè)務(wù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖1 頻段與NB資源

2.2 信號(hào)與信道

eMTC不重用LTE的PDCCH、PCFICH和PHICH下行信道，新增MPDCCH信道，用于發(fā)送eMTC UE的PDSCH和PUSCH信道的調(diào)度指示以及公共消息的指示，比如尋呼、RAR響應(yīng)、上行ACK反饋。eMTC重用LTE的下行數(shù)據(jù)信道PDSCH，支持傳輸模式為TM1/2/6/9；eMTC重用LTE的下行導(dǎo)頻信號(hào)RS；重用LTE的物理同步信號(hào)PSS/SSS，其中PSS映射到時(shí)隙0和時(shí)隙10的最后一個(gè)OFDM符號(hào)，SSS映射到時(shí)隙0和時(shí)隙10的倒數(shù)第二個(gè)OFDM符號(hào)，均以5ms為周期重復(fù)發(fā)送；eMTC重用LTE的物理廣播信道PBCH，新增一套SIB消息，包括SIB1-BR、SIB2、SIB3、SIB4、SIB5和SIB14共6條，MIB消息新增一個(gè)IE用于攜帶SIB1-BR的調(diào)度信息，在每個(gè)系統(tǒng)幀的0#子幀和9#子幀發(fā)送，周期為40ms。如圖2(a)。

eMTC的PRACH和LTE的PRACH分開(kāi)（使用相同頻率，時(shí)域上區(qū)分），可以采用時(shí)分，頻分，碼分方式；eMTC的PUCCH和LTE的PUCCH分開(kāi)，eMTC的PUCCH支持跨子幀跳頻，不支持子幀內(nèi)跳頻；eMTC使用LTE傳統(tǒng)的PUSCH信道上傳數(shù)據(jù)資源，其PUSCH資源受NB限制。如圖2(b)。

圖2 (a)eMTC下行物理信道(b)eMTC上行物理信道

2.3 資源共享與調(diào)度

eMTC作為小區(qū)特性，與LTE共小區(qū)部署，不占用獨(dú)立小區(qū)，但是需要占用空口的RB資源和基帶的處理資源，為保證MBB業(yè)務(wù)優(yōu)先，系統(tǒng)會(huì)預(yù)留一定的資源給LTE，即使LTE沒(méi)有任何業(yè)務(wù)，eMTC也不能使用預(yù)留。

通過(guò)配置參數(shù)EmtcDlRbTargetRatio和EmtcUlR bTargetRatio，可以控制LTE和eMTC資源占用比例，在LTE和eMTC負(fù)載均很高時(shí)，依據(jù)兩者目標(biāo)利用率，動(dòng)態(tài)共享LTE的PRB資源，如圖3-case1；當(dāng)eMTC負(fù)載較高，而LTE有空閑RB資源時(shí)，這些空閑RB資源可以給eMTC使用，如圖3-case2；因eMTC采用跨子幀調(diào)度和重復(fù)技術(shù)，會(huì)長(zhǎng)期占用RB資源，為了避免LTE控制消息和VoIP等高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)被長(zhǎng)期阻塞，通過(guò)DlLteRvsNbNum和UlLteRvsNbNum參數(shù)給LTE預(yù)留RB資源，保證LTE業(yè)務(wù)的需求，即LTE負(fù)載較而eMTC負(fù)載較低時(shí)，LTE可以占用全部帶寬，如圖3-case3。

圖3 eMTC與LTE資源共享

2.4 峰值速率

與LTE下行異步HARQ，上行同步HARQ不同，eMTC上行下行都是異步HARQ。下行調(diào)度，設(shè)MPDCCH重復(fù)的最后一個(gè)子幀編號(hào)n，則MPDCCH調(diào)度的PDSCH起始子幀編號(hào)為n+2；設(shè)PDSCH重復(fù)的最后子幀編號(hào)為n，則PUCCH 1 Ack/Nack子幀編號(hào)為n+4。上行調(diào)度，設(shè)MPDCCH重復(fù)的最后一個(gè)子幀編號(hào)n，則MPDCCH調(diào)度的PUSCH起始子幀編號(hào)為n+4；設(shè)PUSCH重復(fù)的最后子幀編號(hào)為n，則MPDCCH Ack/Nack子幀編號(hào)為n+4。

圖4 (a)下行全雙工(b)下行半雙工（c）上行全雙工（d）上行半雙工

在無(wú)重復(fù)及重傳的情況下，如圖4，以ModeA對(duì)eMTC速率進(jìn)行估算：下行調(diào)度周期為10ms，全雙工時(shí)可以下行連續(xù)MPDCCH和PDSCH調(diào)度，10ms周期內(nèi)能發(fā)送8個(gè)下行TB（傳輸塊），每個(gè)TB最大1000bits，因此下行峰值速率為8*1000*（1000/10）=800kbps；同理下行半雙工峰值速率為300kbps; 上行行調(diào)度周期為8ms，同理推算出全雙工上行峰值速率1000kbps，半雙工上行峰值速率375kbps，見(jiàn)表1。

表1 eMTC峰值速率

2.5 功耗

eMTC采用PSM和eDRX技術(shù)以節(jié)約功耗。PSM是一種新增的比Idle態(tài)更省電的省電模式，由MME通過(guò)NAS配置給UE，UE發(fā)送完數(shù)據(jù)后在Idle態(tài)停留一段時(shí)間后進(jìn)入深度睡眠態(tài)，不監(jiān)聽(tīng)任何空口消息，只在主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)和周期TAU時(shí)才退出PSM模式，如圖5(a)；eDRX通過(guò)延長(zhǎng)Idle態(tài)或連接態(tài)的DRX周期，減少UE偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)的信令處理，UE只在每個(gè)eDRX周期只在尋呼窗口內(nèi)監(jiān)聽(tīng)PDCCH，其它時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，從而達(dá)到UE節(jié)電的目的，如圖5(b)。

3 eMTC外場(chǎng)試驗(yàn)分析

試驗(yàn)場(chǎng)景選取在某城鎮(zhèn)，單站測(cè)試站點(diǎn)（L800和L1800共站）選擇空曠開(kāi)闊區(qū)域，適合拉遠(yuǎn)測(cè)試，如圖6(a)；連片站測(cè)試站點(diǎn)（8個(gè)L1800站點(diǎn)，7個(gè)L800站點(diǎn)）選擇人口密集區(qū)域，平均站間距約為500米，該區(qū)域包含高層住宅樓、普通商業(yè)樓、低層廠房和開(kāi)闊空地等不同環(huán)境，如圖6(b)；測(cè)試環(huán)境的eMTC組網(wǎng)架構(gòu)如6(c)；測(cè)試條件為CE ModeA，半雙工。

在覆蓋能力測(cè)試中，單站拉遠(yuǎn)可測(cè)得最大MCL為150（RSRP=-135dBm），MCL>150后，終端接入之后發(fā)生掉話，不能穩(wěn)定接入，測(cè)得最大拉遠(yuǎn)距離約為2.56km，如圖7(a)；拉遠(yuǎn)過(guò)程進(jìn)行VoLTE業(yè)務(wù)，測(cè)得最大MCL=145（RSRP=-130dBm）。組網(wǎng)環(huán)境下，室外測(cè)試點(diǎn)均能接入，室內(nèi)場(chǎng)景地下室及樓宇高層出現(xiàn)無(wú)法接入點(diǎn)（SINR在-9以下），如圖7(b)。

在速率測(cè)試中，eMTC業(yè)務(wù)承載在L800或者L1800頻段，性能接近，見(jiàn)圖8。峰值速率測(cè)試，單用戶上行峰值速率343kbps，單用戶下行峰值速率263kbps，均與理論值接近。在上下行并發(fā)業(yè)務(wù)測(cè)試中，上行速率179.6kbps，下行速率150.4kbps，為什么并發(fā)業(yè)務(wù)時(shí)，上下行速率無(wú)法達(dá)到各自的峰值呢？主要是因?yàn)檎{(diào)度周期的原因：上行調(diào)度周期8ms，需要用到MPDCCH和PUSCH和信道，下行調(diào)度周期10ms，需要用到MPDCCH、PDSCH和PUCCH信道，若上下行分別以理想狀態(tài)下調(diào)度，MPDCCH必定會(huì)有資源沖突，如圖9。而在多用戶速率測(cè)試中，采用2個(gè)eMTC終端測(cè)試，各自的上下行速率均與單用戶接近，這同樣是調(diào)度的原因，理論上eMTC半雙工狀態(tài)下，一個(gè)NB資源可以支持3-4個(gè)UE同時(shí)滿業(yè)務(wù)調(diào)度。

圖5 (a)PSM技術(shù)(b)eDRX技術(shù)

圖6 (a)單站測(cè)試環(huán)境(b)連片站測(cè)試環(huán)境圖(c) eMTC組網(wǎng)架構(gòu)

圖7 (a)單站拉遠(yuǎn)(b)組網(wǎng)測(cè)試

在與LTE UE資源共享測(cè)試中， eMTC業(yè)務(wù)承載在L800或者L1800頻段對(duì)LTE UE影響則有較大不同。在網(wǎng)絡(luò)僅開(kāi)啟eMTC功能無(wú)eMTC業(yè)務(wù)情況，對(duì)承載在L1800跟L800下的LTE UE資源占用很小，這是因?yàn)閑MTC輕載時(shí)，除了必要的資源開(kāi)銷，空閑的RB可以給LTE使用；在網(wǎng)絡(luò)開(kāi)啟eMTC功能且eMTC滿業(yè)務(wù)情況，承載在L1800下的LTE UE下行速率平均下降4.6%，而承載在L1800下的LTE UE下行速率平均下降達(dá)12%，這是因?yàn)長(zhǎng)800相比L1800只有5MHz帶寬（25個(gè)PRB），相比下eMTC占用的6個(gè)PRB影響就很大了，如圖10。

圖8 eMTC速率測(cè)試

圖9 上下行業(yè)務(wù)并發(fā)調(diào)度情況

圖10 資源共享測(cè)試

在時(shí)延測(cè)試中，Idle接入時(shí)延定義為RRC Conn Request -> RRC Conn Setup Complete，測(cè)試結(jié)果約67-87ms，符合預(yù)期；用戶面時(shí)延統(tǒng)計(jì)為cmd窗口中ping包的環(huán)回時(shí)延，見(jiàn)表2，符合預(yù)期。

4 結(jié)束語(yǔ)

eMTC是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一個(gè)重要分支，基于LTE協(xié)議進(jìn)行裁剪和優(yōu)化，更加適合M2M間的通信，eMTC UE通過(guò)支持1.4MHz的射頻和基帶帶寬，可以直接接入現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)，支持豐富、創(chuàng)新的物聯(lián)應(yīng)用。本文通過(guò)對(duì)eMTC基本原理和技術(shù)的研究，結(jié)合外場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了eMTC的基本性能，對(duì)未來(lái)eMTC網(wǎng)絡(luò)的部署提供了參考與指導(dǎo)意見(jiàn)。另受限于終端產(chǎn)業(yè)鏈不成熟原因，切換和語(yǔ)音性能未能進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，將是未來(lái)研究工作的重點(diǎn)。

表2 eMTC用戶面時(shí)延測(cè)試結(jié)果