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3GPP在R13階段制訂了面向物聯(lián)網(wǎng)及機器類通信的eMTC與NB-IoT通信標準，目標是低功耗、大連接、廣覆蓋、低成本。需要關(guān)注的是，相比傳統(tǒng)移動通信技術(shù)目標，用戶體驗速率提升不再是研究和設(shè)計的重點，取而代之的是深度覆蓋的需求，也就是要求在比現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡(luò)更深覆蓋、信號更弱的環(huán)境中，能夠建立數(shù)據(jù)連接并成功完成業(yè)務(wù)。
基于積極構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)、擁抱萬物互聯(lián)的宏偉目標，中國電信已于2017年中期提供了NB-IoT商用服務(wù)，并明確提出2018年eMTC商用的計劃。當前eMTC的商用網(wǎng)絡(luò)主要集中在美國，對于中國電信而言，eMTC商用之前有必要對業(yè)務(wù)目標進行詳細探討。
eMTC業(yè)務(wù)特征對VoLTE業(yè)務(wù)的適用性分析
eMTC與NB-IoT的典型特性差異在于，eMTC終端工作帶寬可以達到1.08MHz，遠遠高于NB-IoT終端的200kHz，因此，eMTC終端的峰值速率遠遠高于NB-IoT終端�；谏鲜鎏卣鳎瑯I(yè)界普遍認為eMTC技術(shù)能夠提供較為低廉的VoLTE終端方案，并能夠具備較好的業(yè)務(wù)質(zhì)量，但通過詳細的技術(shù)分析，采用eMTC技術(shù)支持語音業(yè)務(wù)或提供語音解決方案，實際效果可能難以樂觀。
低功耗特征
為了能夠在電力供應(yīng)受限環(huán)境中提供物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，像NB-IoT一樣，eMTC也將低功耗作為系統(tǒng)設(shè)計目標，期望能夠基于較小容量的電池，支持終端10年免維護，并且與NB-IoT一樣采用了eDRX（Extended Discontinuous Reception）和PSM（Power Saving Mode）兩種節(jié)電技術(shù)。對于典型的低頻次物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，比如自動抄表類，由于業(yè)務(wù)頻次非常低，采用這兩種技術(shù)可以讓終端長期處于休眠狀態(tài)，只在需要進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候進行工作，因此可以非常節(jié)電，但這種良好的節(jié)電效果只對頻次較低的業(yè)務(wù)有效，對于VoLTE業(yè)務(wù)而言，終端需要經(jīng)常監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)尋呼，以及時響應(yīng)到達的呼叫，所以無法采用eDRX和PSM技術(shù)的節(jié)電機制。
大連接特征
萬物互聯(lián)的要求，需要物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠服務(wù)海量的終端，為此3GPP設(shè)計了CP（Control Plane）優(yōu)化與UP（User Plane）優(yōu)化兩種空口技術(shù)優(yōu)化方案，對于小包傳送的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，可以節(jié)省大量的空口信令，提升傳輸效率。但對于VoLTE語音業(yè)務(wù)，是無法采用CP及UP優(yōu)化方案提升容量的，因此eMTC對于VoLTE不具有提升容量的能力。
廣覆蓋特征
考慮到有些物聯(lián)網(wǎng)終端往往處于建筑物內(nèi)部的較深位置，典型的比如水表，所處環(huán)境往往信號非常微弱，eMTC設(shè)計了重復(fù)技術(shù)以增強覆蓋，通過上、下行無線信號的重復(fù)，可以在接收端累積信號能量，從而增強覆蓋。但正是由于無線信號的重復(fù)，造成平均業(yè)務(wù)速率降低，也就是說，這種覆蓋增強技術(shù)是以業(yè)務(wù)速率降低為代價換取的，所以，對于VoLTE這種需要一定速率保障的業(yè)務(wù)而言，eMTC的覆蓋增強技術(shù)沒有帶來任何好處。
低成本eMTC終端方案
eMTC終端（芯片）的低成本方案主要包括：較小工作帶寬，eMTC終端的工作帶寬為1.08MHz，這種工作帶寬雖然比NB-IoT更高，但相較于普通LTE終端卻低了許多，能夠降低器件價格以及芯片計算能力要求，從而降低總體價格；較低的峰值速率，相對LTE而言，較低的峰值速率降低了芯片計算能力和Buffer要求，從而降低芯片價格；單終端接收天線，降低射頻器件成本；半雙工方案，可以省下終端射頻的雙工器，從而降低終端的成本。
半雙工eMTC方案對VoLTE的影響
半雙工方案是當前設(shè)備廠商和芯片廠商實現(xiàn)eMTC能力的主要方案。3GPP協(xié)議中規(guī)定eMTC具有兩種實現(xiàn)方案，分別是半雙工方案和全雙工方案，為了降低成本，當前階段半雙工方案成為主流。
半雙工eMTC終端的下行調(diào)度
根據(jù)圖1的eMTC半雙工下行調(diào)度時序，在信號較好情況下，MPDCCH發(fā)送調(diào)度以后，終端需要等待2個子幀才可以接收下行PDSCH信道中的數(shù)據(jù)，再等待4個子幀后終端向基站反饋ACK/NACK，上、下行切換需占用1個子幀的時長，終端才能準備再次接收MPDCCH調(diào)度。在最優(yōu)情況下，10個子幀的時長內(nèi)，真正有效進行PDSCH下行數(shù)據(jù)傳送的子幀數(shù)是3個，也就是說，對于下行數(shù)據(jù)傳送而言，70%的時間用于非數(shù)據(jù)傳送，只有30%的時間真正用于下行數(shù)據(jù)傳送，從基站的功率效率來看，真正用于數(shù)據(jù)傳送的基站平均功率相對普通LTE降低到30%，如果考慮需預(yù)留一半的發(fā)送機會給上行數(shù)據(jù)傳送，那么真正用于下行數(shù)據(jù)傳送的基站平均功率下降到15%左右，并且，這種情況還是信號最好的環(huán)境。
圖1 半雙工eMTC的下行調(diào)度時序
如果終端處在信號較差的環(huán)境，必須采用多次MPDCCH重復(fù)才能保證下行調(diào)度信令接收正確，那么PDSCH在下行調(diào)度時序中的時間比例將更低，參照當前LTE網(wǎng)絡(luò)中，LTE終端在小區(qū)邊緣對PDCCH的解調(diào)能力，在小區(qū)邊緣eMTC終端對MPDCCH正確解調(diào)的話需要單次MPDCCH調(diào)度占用2個子幀，這樣以來，在小區(qū)邊緣，對于單終端而言，大約只有10%的時間可以用于下行PDSCH數(shù)據(jù)傳送，并且終端單天線接收方案，也造成終端的下行數(shù)據(jù)接收能力進一步降低。
半雙工eMTC終端的上行調(diào)度
圖2是信號條件較好的環(huán)境中，最優(yōu)的上行調(diào)度時序，終端接收到MPDCCH調(diào)度后，必須等待4個子幀才能進行MPDCCH所調(diào)度的上行PUSCH數(shù)據(jù)發(fā)送，并且，上行/下行發(fā)送的切換間隔必須至少占用1個子幀。從PUSCH上行數(shù)據(jù)發(fā)送到基站在MPDCCH中進行ACK/NACK確認也需等待4個子幀。
圖2 半雙工eMTC上行調(diào)度時序
此時終端只有3/8=37.5%的時間真正用于上行PUSCH數(shù)據(jù)發(fā)送。同樣假定上、下行調(diào)度各占用一半時間，那么終端真正用于上行PUSCH數(shù)據(jù)發(fā)送的時間占比將不到19%。
如果是在小區(qū)邊緣，MPDCCH必須采用重復(fù)的方式，則一個MPDCCH調(diào)度將占用2個子幀，此時用于上行PUSCH發(fā)送的時間占比將在10%左右。對于上行而言，終端在滿功率發(fā)射的情況下，PUSCH發(fā)送時間占比為10%左右，則意味著上行平均功率只有滿功率的10%左右。
半雙工eMTC終端的綜合影響
對于VoLTE這種具有固定速率要求的業(yè)務(wù)，每隔20ms都會固定產(chǎn)生一個語音幀，形成每隔20ms的一個固定數(shù)據(jù)包。上行PUSCH發(fā)送時間占比降低，意味著終端必須在較少的發(fā)射機會里，將語音數(shù)據(jù)發(fā)送出去，因此，相對普通LTE終端100%的PUSCH發(fā)射時間占比，半雙工eMTC終端必須在較少的發(fā)射機會中，采用較高的MCS，才能將語音數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，較高的上行MCS則意味著上行覆蓋能力的降低。
同理，基站下行的PDSCH發(fā)送時間占比降低，也意味著基站必須采用較高的MCS，才能將每20ms周期到達的語音數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，較高的下行MCS意味著下行覆蓋能力的降低。
終端滿功率發(fā)射情況下（此時意味著處于小區(qū)邊緣），從平均功率的角度看，半雙工eMTC終端的PUSCH平均發(fā)射功率相對普通LTE終端降低到了10%左右，可以簡單認為半雙工eMTC終端比LTE終端上行的覆蓋能力減小10dB。同理，從下行接收來看，在終端能力的1.08MHz帶寬內(nèi)，終端接收到的基站PDSCH平均功率相當于普通LTE終端的10%，也可以簡單認為半雙工eMTC終端相對于LTE終端下行覆蓋也減弱了10dB，實際上，由于普通LTE終端接收基站下行信號帶寬高于1.08MHz，因此半雙工eMTC終端較普通LTE終端下行覆蓋能力降低會超過10dB。需要提出的是，在覆蓋邊緣區(qū)域，終端滿功率發(fā)射時，PUSCH能夠支持的上行PRB數(shù)量只有2~3個，因此eMTC終端工作帶寬較普通LTE終端更低不會對上行VoLTE性能有影響。
根據(jù)鏈路預(yù)算分析，在1.8GHz頻段的密集市區(qū)環(huán)境中，覆蓋能力降低10dB，意味著小區(qū)的覆蓋半徑減小到60%左右。因此可以看出，采用半雙工eMTC終端承載VoLTE語音業(yè)務(wù)，覆蓋性能必將面臨著巨大挑戰(zhàn)，由于當前階段產(chǎn)業(yè)鏈僅僅支持半雙工eMTC方案，因此目前不應(yīng)對采用eMTC技術(shù)承載VoLTE語音持積極態(tài)度。
全雙工eMTC方案對VoLTE的影響
相對半雙工eMTC方案，全雙工eMTC終端能夠大大提升下行PDSCH和上行PUSCH信道傳送的時間占比，因此，從覆蓋性能而言，全雙工eMTC終端較半雙工eMTC終端的覆蓋性能大大提升，但這種覆蓋性能提升并不意味著能夠完全等同于普通LTE終端。
首先，終端的工作帶寬只有1.08MHz，意味著在小區(qū)邊緣，終端能夠接收的帶寬遠遠低于普通LTE終端的20MHz，下行覆蓋能力的下降顯而易見。但前面已經(jīng)介紹，這種較小的終端工作帶寬，在小區(qū)邊緣環(huán)境，對上行卻沒有影響。
其次，eMTC終端為了降低成本采用的單天線接收方案，在一定程度上影響了下行覆蓋性能。
所以，即使是全雙工eMTC終端方案，在覆蓋性能上也難以完全達到普通LTE終端的能力。
eMTC方案支持VoLTE語音方案的總體考慮
如前所述，如果采用半雙工eMTC方案承載VoLTE語音業(yè)務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)運營方面將面臨著巨大挑戰(zhàn)，存在著業(yè)務(wù)質(zhì)量難以保證的巨大風險，因此，對于現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)鏈普遍支持的半雙工eMTC技術(shù)，需慎重考慮提供VoLTE終端解決方案。
如果希望采用低成本的eMTC芯片提供廉價VoLTE終端方案和智能穿戴設(shè)備，必須考慮全雙工eMTC方案，并且根據(jù)試驗情況做進一步的可行性評估，鑒于當前產(chǎn)業(yè)鏈暫無全雙工eMTC終端芯片和設(shè)備，運營商還需根據(jù)實際需要決定是否推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
中國電信廣州研究院 移動通信研究所 杜剛 熊尚坤 王慶揚
來源：（《通信世界》雜志2017年第29期）
