3GPP在R13階段制訂了面向物聯(lián)網(wǎng)及機(jī)器類(lèi)通信的eMTC與NB-IoT通信標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)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(dòng)通信技術(shù)目標(biāo)，用戶(hù)體驗(yàn)速率提升不再是研究和設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)更深覆蓋、信號(hào)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(wàn)物互聯(lián)的宏偉目標(biāo)，中國(guó)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(jì)劃。當(dāng)前eMTC的商用網(wǎng)絡(luò)主要集中在美國(guó)，對(duì)于中國(guó)電信而言，eMTC商用之前有必要對(duì)業(yè)務(wù)目標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)探討。

　　eMTC業(yè)務(wù)特征對(duì)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(dá)到1.08MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NB-IoT終端的200kHz，因此，eMTC終端的峰值速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NB-IoT終端?；谏鲜鎏卣?，業(yè)界普遍認(rèn)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(guò)詳細(xì)的技術(shù)分析，采用eMTC技術(shù)支持語(yǔ)音業(yè)務(wù)或提供語(yǔ)音解決方案，實(shí)際效果可能難以樂(lè)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(jì)目標(biāo)，期望能夠基于較小容量的電池，支持終端10年免維護(hù)，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(duì)于典型的低頻次物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，比如自動(dòng)抄表類(lèi)，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(zhǎng)期處于休眠狀態(tài)，只在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候進(jìn)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(duì)頻次較低的業(yè)務(wù)有效，對(duì)于VoLTE業(yè)務(wù)而言，終端需要經(jīng)常監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)尋呼，以及時(shí)響應(yīng)到達(dá)的呼叫，所以無(wú)法采用eDRX和PSM技術(shù)的節(jié)電機(jī)制。

　　大連接特征

　　萬(wàn)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(jì)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(duì)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(duì)于VoLTE語(yǔ)音業(yè)務(wù)，是無(wú)法采用CP及UP優(yōu)化方案提升容量的，因此eMTC對(duì)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(hào)非常微弱，eMTC設(shè)計(jì)了重復(fù)技術(shù)以增強(qiáng)覆蓋，通過(guò)上、下行無(wú)線(xiàn)信號(hào)的重復(fù)，可以在接收端累積信號(hào)能量，從而增強(qiáng)覆蓋。但正是由于無(wú)線(xiàn)信號(hào)的重復(fù)，造成平均業(yè)務(wù)速率降低，也就是說(shuō)，這種覆蓋增強(qiáng)技術(shù)是以業(yè)務(wù)速率降低為代價(jià)換取的，所以，對(duì)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(qiáng)技術(shù)沒(méi)有帶來(lái)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(jià)格以及芯片計(jì)算能力要求，從而降低總體價(jià)格;較低的峰值速率，相對(duì)LTE而言，較低的峰值速率降低了芯片計(jì)算能力和Buffer要求，從而降低芯片價(jià)格;單終端接收天線(xiàn)，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(duì)VoLTE的影響

　　半雙工方案是當(dāng)前設(shè)備廠商和芯片廠商實(shí)現(xiàn)eMTC能力的主要方案。3GPP協(xié)議中規(guī)定eMTC具有兩種實(shí)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(dāng)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(shí)序，在信號(hào)較好情況下，MPDCCH發(fā)送調(diào)度以后，終端需要等待2個(gè)子幀才可以接收下行PDSCH信道中的數(shù)據(jù)，再等待4個(gè)子幀后終端向基站反饋ACK/NACK，上、下行切換需占用1個(gè)子幀的時(shí)長(zhǎng)，終端才能準(zhǔn)備再次接收MPDCCH調(diào)度。在最優(yōu)情況下，10個(gè)子幀的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，真正有效進(jìn)行PDSCH下行數(shù)據(jù)傳送的子幀數(shù)是3個(gè)，也就是說(shuō)，對(duì)于下行數(shù)據(jù)傳送而言，70%的時(shí)間用于非數(shù)據(jù)傳送，只有30%的時(shí)間真正用于下行數(shù)據(jù)傳送，從基站的功率效率來(lái)看，真正用于數(shù)據(jù)傳送的基站平均功率相對(duì)普通LTE降低到30%，如果考慮需預(yù)留一半的發(fā)送機(jī)會(huì)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(hào)最好的環(huán)境。

　　圖1 半雙工eMTC的下行調(diào)度時(shí)序

　　如果終端處在信號(hào)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(shí)序中的時(shí)間比例將更低，參照當(dāng)前LTE網(wǎng)絡(luò)中，LTE終端在小區(qū)邊緣對(duì)PDCCH的解調(diào)能力，在小區(qū)邊緣eMTC終端對(duì)MPDCCH正確解調(diào)的話(huà)需要單次MPDCCH調(diào)度占用2個(gè)子幀，這樣以來(lái)，在小區(qū)邊緣，對(duì)于單終端而言，大約只有10%的時(shí)間可以用于下行PDSCH數(shù)據(jù)傳送，并且終端單天線(xiàn)接收方案，也造成終端的下行數(shù)據(jù)接收能力進(jìn)一步降低。

　　半雙工eMTC終端的上行調(diào)度

　　圖2是信號(hào)條件較好的環(huán)境中，最優(yōu)的上行調(diào)度時(shí)序，終端接收到MPDCCH調(diào)度后，必須等待4個(gè)子幀才能進(jìn)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(gè)子幀。從PUSCH上行數(shù)據(jù)發(fā)送到基站在MPDCCH中進(jìn)行ACK/NACK確認(rèn)也需等待4個(gè)子幀。

　　圖2 半雙工eMTC上行調(diào)度時(shí)序

　　此時(shí)終端只有3/8=37.5%的時(shí)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(shí)間，那么終端真正用于上行PUSCH數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)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(gè)MPDCCH調(diào)度將占用2個(gè)子幀，此時(shí)用于上行PUSCH發(fā)送的時(shí)間占比將在10%左右。對(duì)于上行而言，終端在滿(mǎn)功率發(fā)射的情況下，PUSCH發(fā)送時(shí)間占比為10%左右，則意味著上行平均功率只有滿(mǎn)功率的10%左右。

　　半雙工eMTC終端的綜合影響

　　對(duì)于VoLTE這種具有固定速率要求的業(yè)務(wù)，每隔20ms都會(huì)固定產(chǎn)生一個(gè)語(yǔ)音幀，形成每隔20ms的一個(gè)固定數(shù)據(jù)包。上行PUSCH發(fā)送時(shí)間占比降低，意味著終端必須在較少的發(fā)射機(jī)會(huì)里，將語(yǔ)音數(shù)據(jù)發(fā)送出去，因此，相對(duì)普通LTE終端100%的PUSCH發(fā)射時(shí)間占比，半雙工eMTC終端必須在較少的發(fā)射機(jī)會(huì)中，采用較高的MCS，才能將語(yǔ)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(shí)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(dá)的語(yǔ)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(mǎn)功率發(fā)射情況下(此時(shí)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(duì)普通LTE終端降低到了10%左右，可以簡(jiǎn)單認(rèn)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(lái)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(dāng)于普通LTE終端的10%，也可以簡(jiǎn)單認(rèn)為半雙工eMTC終端相對(duì)于LTE終端下行覆蓋也減弱了10dB，實(shí)際上，由于普通LTE終端接收基站下行信號(hào)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(huì)超過(guò)10dB。需要提出的是，在覆蓋邊緣區(qū)域，終端滿(mǎn)功率發(fā)射時(shí)，PUSCH能夠支持的上行PRB數(shù)量只有2~3個(gè)，因此eMTC終端工作帶寬較普通LTE終端更低不會(huì)對(duì)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(yǔ)音業(yè)務(wù)，覆蓋性能必將面臨著巨大挑戰(zhàn)，由于當(dāng)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(duì)采用eMTC技術(shù)承載VoLTE語(yǔ)音持積極態(tài)度。

　　全雙工eMTC方案對(duì)VoLTE的影響

　　相對(duì)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(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通LTE終端的20MHz，下行覆蓋能力的下降顯而易見(jiàn)。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(duì)上行卻沒(méi)有影響。

　　其次，eMTC終端為了降低成本采用的單天線(xiàn)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(dá)到普通LTE終端的能力。

　　eMTC方案支持VoLTE語(yǔ)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(yǔ)音業(yè)務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)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(fēng)險(xiǎn)，因此，對(duì)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(jià)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(yàn)情況做進(jìn)一步的可行性評(píng)估，鑒于當(dāng)前產(chǎn)業(yè)鏈暫無(wú)全雙工eMTC終端芯片和設(shè)備，運(yùn)營(yíng)商還需根據(jù)實(shí)際需要決定是否推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。