新一代蜂窝物联网eMTC和NB-IoT技术对比解析

1、引言

随着互联网、移动互联网的飞速发展，物联网迎来爆发期。由此带来海量化、多样性的连接需求，也推动了一个由蜂窝技术实现联网、由万物组成的全新智能生态系统的出现。基于LTE技术的物联网是全新的物联网技术，为物联网的应用带来诸多优势，包括广泛深化的网络覆盖、可预见的服务质量，高可靠、稳定的端到端安全性和全球标准支持的无缝互操作性，将为物联网带来更多机会。

2、eMTC和NB-IoT的标准形成过程

LTE已形成完整的物联网标准序列，可满足覆盖数据率、成本、耗电量从高到低的各种物联网需求。

3GPP一直将物联网作为LTE的重要演进方向。在LTE的第一个版本R8中，除了有满足宽带多媒体应用的Cat3、Cat4、Cat5等终端等级外，也有上行峰值速率仅有5Mbit/s的终端等级Cat1，可用于物联网等“低速率”应用。在LTE发展初期，Cat1并没有被业界所关注，随着可穿戴设备的逐渐普及，才逐渐被业界重视。由于Cat1终端需要使用2根天线，对体积敏感度极高的可穿戴设备来说仍然“要求过高”，因此在实际商用中一般只配备1根天线。

在R12/R13中，3GPP多次针对物联网做进一步优化。首先是在R12中增加了新终端等级Cat0，放弃了对MIMO的支持，简化为半双工，峰值速率降低为1Mbit/s，终端复杂度降低为普通LTE终端的40%，初步达到了物联网的成本要求。Cat0终端的信道带宽降至1.4MHz，但射频的接收带宽仍为20MHz。于是，3GPP在R13中又新增Cat M1等级的终端，信道带宽和射频接收带宽均为1.4MHz，终端复杂度进一步降低。因此业界普遍认为Cat0是个过渡版本，Cat M1才是真正适用于物联网的终端类型。Cat M1对应的LTE物联网技术也被称为增强型机器类型通信（eMTC）。

3GPP在R13中同时新增面向远程抄表等更低速率、低成本、长电池寿命等物联网应用的新型终端类型（Cat NB-1），接收带宽仅200kHz的“窄带物联网”（NB-IoT）标准。NB-IoT采用更窄的带宽，上行3.75kHz的单子载波（SingleTone）传输方式，扩展DRX周期等特性，进一步降低功耗，提升覆盖。

3、eMTC和NB-IoT的技术对比

典型的LTE物联网终端类型包括Cat4、Cat1、Cat0、CatM1和NB-IoT，这5种终端类型可以覆盖数据率、成本、耗电量从高到低的各种物联网需求，形成完整的产品序列，对ZigBee、Wi-Fi等现有物联网技术形成有效的竞争。各种LTE物联网技术对比情况如表1所示。

表1、各种LTE物联网技术对比

eMTC是在既有LTE技术与架构上进行优化。采用LTE带内部署方式，支持TDD和FDD两种方式。eMTC和LTE在同一频段内协同工作，由基站统一进行资源分配，共用部分控制信道。因此，运营商可以在已有的LTE频段内直接部署eMTC，无需再分配单独的频谱。

NB-IoT是针对物联网特性的全新设计。有LTE带内、保护带和独立部署3种方式，目前只支持FDD方式。NB-IoT更为独立，拥有一套完整的实现方案。NB-IoT采用LTE带内、保护带部署方式时可以和LTE共用频谱，采用独立部署方式时，需要单独的频谱资源。3GPP会在后续版本中对NB-IoT继续进行功能增强和优化工作，主要内容包括支持定位（E-CID、OTDOA/UTDOA）、支持多播（SC-PTM模式）、Non-Anchor PRB增强、移动性、业务连续性、低功率类型UE和TDD方式。

4、eMTC和NB-IoT产业链发展情况

随着移动物联网的发展，全球主流的移动系统、终端芯片等厂家都加快了eMTC和NB-IoT研发，积极开展窄带物联网的产业布局。

NB-IoT和eMTC标准已经在2016年Q3到Q4全面冻结。由于物联网技术方案相对简单，产业化进程将缩短，技术门槛也相应降低。目前，国际主流的系统厂家和芯片公司纷纷投入NB-IoT和eMTC产品的研发。整体来看，NB-IoT的产业化进度略快。

eMTC和NB-IoT可以很大程度上复用现有LTE的网络基础设施，通过少量设备投资，网络就可对未来NB-IoT和eMTC完成支持，并不需要重建一张新网。

对于大多数在网系统设备而言，无线侧通过升级基站的方式即可支持eMTC和NB-IoT。传统核心网可以直接支持eMTC，如要支持NB-IoT功能，则需要对核心网进行一定的升级。核心网升级支持NB-IoT功能的方案有两种：一种是控制面优化方案，一种是用户面优化方案。控制面优化方案利用控制面（包含在NAS消息中）传输小数据包，不需建立空口和核心网的数据连接（用户面承载），但需要引入新功能实体C-SGN。用户面优化方案在用户面传输小数据包，空口和核心网需要为小数据业务建立数据承载，但无需引入新的功能实体。目前来看，运营商比较倾向于控制面优化的方案。

5、eMTC和NB-IoT的市场应用

物联网的应用场景可以大致分为3类，一是以车联网为代表的监控类业务，传输速率10Mbit/s左右，代表技术是LTE-V；二是以穿戴类为代表的交互协同类业务，传输速率小于1Mbit/s，代表技术有eMTC、LTE Cat1等；三是以远程抄表为代表的数据采集类业务，传输速率小于100Kbit/s，代表技术有NB-IoT、Lora和SigFox等。

eMTC和NB-IoT二者均可用于面向低功耗广覆盖的场景，但是从表1可以看到，eMTC和NB-IoT在数据速率、覆盖能力、耗电等方面还是有差异的，因此两者的应用场景既有重合也有差异。NB-IoT的优势在低吞吐量的应用场景下将成本和功耗缩减至最低、覆盖能力强，因此NB-IoT最典型的应用场景是远程抄表类业务、公共设施监控、智能停车等。eMTC的优势是速率较高、支持移动性、支持VoLTE语音等，因此eMTC典型的应用场景是物流、可穿戴设备等。

在全球来看，欧洲和中国会优先部署NB-IoT网络，美国运营商更倾向于eMTC技术。

德国电信将于2017年在全欧洲推出NB-IoT网络，首先计划第二季度在德国推出，其次将扩大到荷兰、奥地利、克罗地亚、希腊、匈牙利、波兰和斯洛伐克等国。沃达丰也计划于2017年上半年在德国、爱尔兰、荷兰、西班牙、澳大利亚等国家部署NB-IoT网络。预计到2020年，沃达丰所有的LTE基站都将支持NB-IoT，其中85%的基站可以通过软件升级的方式实现。

2017年初，在西班牙巴塞罗那举办的MWC 2017上，AT&T（美国和墨西哥）、KPN（荷兰）、KDDI（日本）、NTT DoCoMo（日本）、Orange、Telefonica、Telstra、TELUS和Verizon等联合宣布支持LTE-M全球部署。

2016年下半年至今，中国移动、中国电信、中国联通先后在福州、鹰潭、深圳、杭州、无锡、唐山等多个城市启动了NB-IoT网络建设和应用示范。其中，江西省鹰潭市政府按照“智慧新城”规划，与中国移动、中国电信、华为、中兴等公司合作率先实现NB-IoT全域覆盖，积极打造产业链和营造生态体系，开展多项智慧新城应用试点，在国内外产生了广泛的影响。

相信在不远的将来，基于NB-IoT和eMTC等蜂窝物联网热点技术的设备和应用将陆续走进人们的生活，并悄然改变人们的生活方式。

作者简介：

陈凯，中国信息通信研究院技术与标准研究所无线与移动研究部副主任
徐菲，中国信息通信研究院技术与标准研究所无线与移动研究部副主任