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3GPP在R13阶段制订了面向物联网及机器类通信的eMTC与NB-IoT通信标准，目标是低功耗、大连接、广覆盖、低成本。需要关注的是，相比传统移动通信技术目标，用户体验速率提升不再是研究和设计的重点，取而代之的是深度覆盖的需求，也就是要求在比现有移动通信网络更深覆盖、信号更弱的环境中，能够建立数据连接并成功完成业务。
基于积极构建物联网生态、拥抱万物互联的宏伟目标，中国电信已于2017年中期提供了NB-IoT商用服务，并明确提出2018年eMTC商用的计划。当前eMTC的商用网络主要集中在美国，对于中国电信而言，eMTC商用之前有必要对业务目标进行详细探讨。
eMTC业务特征对VoLTE业务的适用性分析
eMTC与NB-IoT的典型特性差异在于，eMTC终端工作带宽可以达到1.08MHz，远远高于NB-IoT终端的200kHz，因此，eMTC终端的峰值速率远远高于NB-IoT终端。基于上述特征，业界普遍认为eMTC技术能够提供较为低廉的VoLTE终端方案，并能够具备较好的业务质量，但通过详细的技术分析，采用eMTC技术支持语音业务或提供语音解决方案，实际效果可能难以乐观。
低功耗特征
为了能够在电力供应受限环境中提供物联网服务，像NB-IoT一样，eMTC也将低功耗作为系统设计目标，期望能够基于较小容量的电池，支持终端10年免维护，并且与NB-IoT一样采用了eDRX（Extended Discontinuous Reception）和PSM（Power Saving Mode）两种节电技术。对于典型的低频次物联网业务，比如自动抄表类，由于业务频次非常低，采用这两种技术可以让终端长期处于休眠状态，只在需要进行数据传输的时候进行工作，因此可以非常节电，但这种良好的节电效果只对频次较低的业务有效，对于VoLTE业务而言，终端需要经常监听网络寻呼，以及时响应到达的呼叫，所以无法采用eDRX和PSM技术的节电机制。
大连接特征
万物互联的要求，需要物联网技术能够服务海量的终端，为此3GPP设计了CP（Control Plane）优化与UP（User Plane）优化两种空口技术优化方案，对于小包传送的物联网业务，可以节省大量的空口信令，提升传输效率。但对于VoLTE语音业务，是无法采用CP及UP优化方案提升容量的，因此eMTC对于VoLTE不具有提升容量的能力。
广覆盖特征
考虑到有些物联网终端往往处于建筑物内部的较深位置，典型的比如水表，所处环境往往信号非常微弱，eMTC设计了重复技术以增强覆盖，通过上、下行无线信号的重复，可以在接收端累积信号能量，从而增强覆盖。但正是由于无线信号的重复，造成平均业务速率降低，也就是说，这种覆盖增强技术是以业务速率降低为代价换取的，所以，对于VoLTE这种需要一定速率保障的业务而言，eMTC的覆盖增强技术没有带来任何好处。
低成本eMTC终端方案
eMTC终端（芯片）的低成本方案主要包括：较小工作带宽，eMTC终端的工作带宽为1.08MHz，这种工作带宽虽然比NB-IoT更高，但相较于普通LTE终端却低了许多，能够降低器件价格以及芯片计算能力要求，从而降低总体价格；较低的峰值速率，相对LTE而言，较低的峰值速率降低了芯片计算能力和Buffer要求，从而降低芯片价格；单终端接收天线，降低射频器件成本；半双工方案，可以省下终端射频的双工器，从而降低终端的成本。
半双工eMTC方案对VoLTE的影响
半双工方案是当前设备厂商和芯片厂商实现eMTC能力的主要方案。3GPP协议中规定eMTC具有两种实现方案，分别是半双工方案和全双工方案，为了降低成本，当前阶段半双工方案成为主流。
半双工eMTC终端的下行调度
根据图1的eMTC半双工下行调度时序，在信号较好情况下，MPDCCH发送调度以后，终端需要等待2个子帧才可以接收下行PDSCH信道中的数据，再等待4个子帧后终端向基站反馈ACK/NACK，上、下行切换需占用1个子帧的时长，终端才能准备再次接收MPDCCH调度。在最优情况下，10个子帧的时长内，真正有效进行PDSCH下行数据传送的子帧数是3个，也就是说，对于下行数据传送而言，70%的时间用于非数据传送，只有30%的时间真正用于下行数据传送，从基站的功率效率来看，真正用于数据传送的基站平均功率相对普通LTE降低到30%，如果考虑需预留一半的发送机会给上行数据传送，那么真正用于下行数据传送的基站平均功率下降到15%左右，并且，这种情况还是信号最好的环境。
图1 半双工eMTC的下行调度时序
如果终端处在信号较差的环境，必须采用多次MPDCCH重复才能保证下行调度信令接收正确，那么PDSCH在下行调度时序中的时间比例将更低，参照当前LTE网络中，LTE终端在小区边缘对PDCCH的解调能力，在小区边缘eMTC终端对MPDCCH正确解调的话需要单次MPDCCH调度占用2个子帧，这样以来，在小区边缘，对于单终端而言，大约只有10%的时间可以用于下行PDSCH数据传送，并且终端单天线接收方案，也造成终端的下行数据接收能力进一步降低。
半双工eMTC终端的上行调度
图2是信号条件较好的环境中，最优的上行调度时序，终端接收到MPDCCH调度后，必须等待4个子帧才能进行MPDCCH所调度的上行PUSCH数据发送，并且，上行/下行发送的切换间隔必须至少占用1个子帧。从PUSCH上行数据发送到基站在MPDCCH中进行ACK/NACK确认也需等待4个子帧。
图2 半双工eMTC上行调度时序
此时终端只有3/8=37.5%的时间真正用于上行PUSCH数据发送。同样假定上、下行调度各占用一半时间，那么终端真正用于上行PUSCH数据发送的时间占比将不到19%。
如果是在小区边缘，MPDCCH必须采用重复的方式，则一个MPDCCH调度将占用2个子帧，此时用于上行PUSCH发送的时间占比将在10%左右。对于上行而言，终端在满功率发射的情况下，PUSCH发送时间占比为10%左右，则意味着上行平均功率只有满功率的10%左右。
半双工eMTC终端的综合影响
对于VoLTE这种具有固定速率要求的业务，每隔20ms都会固定产生一个语音帧，形成每隔20ms的一个固定数据包。上行PUSCH发送时间占比降低，意味着终端必须在较少的发射机会里，将语音数据发送出去，因此，相对普通LTE终端100%的PUSCH发射时间占比，半双工eMTC终端必须在较少的发射机会中，采用较高的MCS，才能将语音数据发送完毕，较高的上行MCS则意味着上行覆盖能力的降低。
同理，基站下行的PDSCH发送时间占比降低，也意味着基站必须采用较高的MCS，才能将每20ms周期到达的语音数据发送完毕，较高的下行MCS意味着下行覆盖能力的降低。
终端满功率发射情况下（此时意味着处于小区边缘），从平均功率的角度看，半双工eMTC终端的PUSCH平均发射功率相对普通LTE终端降低到了10%左右，可以简单认为半双工eMTC终端比LTE终端上行的覆盖能力减小10dB。同理，从下行接收来看，在终端能力的1.08MHz带宽内，终端接收到的基站PDSCH平均功率相当于普通LTE终端的10%，也可以简单认为半双工eMTC终端相对于LTE终端下行覆盖也减弱了10dB，实际上，由于普通LTE终端接收基站下行信号带宽高于1.08MHz，因此半双工eMTC终端较普通LTE终端下行覆盖能力降低会超过10dB。需要提出的是，在覆盖边缘区域，终端满功率发射时，PUSCH能够支持的上行PRB数量只有2~3个，因此eMTC终端工作带宽较普通LTE终端更低不会对上行VoLTE性能有影响。
根据链路预算分析，在1.8GHz频段的密集市区环境中，覆盖能力降低10dB，意味着小区的覆盖半径减小到60%左右。因此可以看出，采用半双工eMTC终端承载VoLTE语音业务，覆盖性能必将面临着巨大挑战，由于当前阶段产业链仅仅支持半双工eMTC方案，因此目前不应对采用eMTC技术承载VoLTE语音持积极态度。
全双工eMTC方案对VoLTE的影响
相对半双工eMTC方案，全双工eMTC终端能够大大提升下行PDSCH和上行PUSCH信道传送的时间占比，因此，从覆盖性能而言，全双工eMTC终端较半双工eMTC终端的覆盖性能大大提升，但这种覆盖性能提升并不意味着能够完全等同于普通LTE终端。
首先，终端的工作带宽只有1.08MHz，意味着在小区边缘，终端能够接收的带宽远远低于普通LTE终端的20MHz，下行覆盖能力的下降显而易见。但前面已经介绍，这种较小的终端工作带宽，在小区边缘环境，对上行却没有影响。
其次，eMTC终端为了降低成本采用的单天线接收方案，在一定程度上影响了下行覆盖性能。
所以，即使是全双工eMTC终端方案，在覆盖性能上也难以完全达到普通LTE终端的能力。
eMTC方案支持VoLTE语音方案的总体考虑
如前所述，如果采用半双工eMTC方案承载VoLTE语音业务，在网络运营方面将面临着巨大挑战，存在着业务质量难以保证的巨大风险，因此，对于现阶段产业链普遍支持的半双工eMTC技术，需慎重考虑提供VoLTE终端解决方案。
如果希望采用低成本的eMTC芯片提供廉价VoLTE终端方案和智能穿戴设备，必须考虑全双工eMTC方案，并且根据试验情况做进一步的可行性评估，鉴于当前产业链暂无全双工eMTC终端芯片和设备，运营商还需根据实际需要决定是否推动相关产业的发展。
中国电信广州研究院 移动通信研究所 杜刚 熊尚坤 王庆扬
来源：（《通信世界》杂志2017年第29期）
