NB-IoT和eMTC性能分析，誰(shuí)是下一個(gè)LPWA業(yè)務(wù)主流制式？

本文就 NB-IoT 與 eMTC 的主要性能，在十個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)地梳理及詳細(xì)地分析，在十輪論戰(zhàn)過(guò)后，讓我們?cè)僦匦聦徱曋幸苿?dòng)的最佳決策應(yīng)該是什么樣子的。

伴隨移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，全球物聯(lián)網(wǎng)即將迎來(lái)快速的發(fā)展。在國(guó)際運(yùn)營(yíng)商中，AT&T、Verizon、KDDI、KPN、Orange、NTT DoCoMo、Telefonica、Telstra、Telus 都先后開(kāi)展了 eMTC 的商用。

在我國(guó)，電信率先起跑，在確立了 800MHz 組網(wǎng)能力之后，一口氣要建成 30 萬(wàn) NB-IOT 基站。聯(lián)通與 Jasper 簽訂雙排他協(xié)議，早早確定了 NB-IOT 作為發(fā)展方向。

而最早提出的中移動(dòng)，卻在 NB-IoT 與 eMTC 之間徘徊不定，這之間的原因，主要是兩種制式各有所長(zhǎng)，而中移動(dòng)的 TDD 網(wǎng)絡(luò)決定了其決策上的糾結(jié)性。

本文就 NB-IoT 與 eMTC 的主要性能，在十個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)地梳理及詳細(xì)地分析，在十輪論戰(zhàn)過(guò)后，讓我們?cè)僦匦聦徱曋幸苿?dòng)的最佳決策應(yīng)該是什么樣子的。

選擇戰(zhàn)場(chǎng)
在物聯(lián)網(wǎng)的建網(wǎng)中，有非常多的應(yīng)用場(chǎng)景需要滿足，那么 NB-IoT 與 eMTC 是在哪個(gè)場(chǎng)景下進(jìn)行 PK 的呢?主要有三個(gè)場(chǎng)景，我們依次來(lái)看一下。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可根據(jù)速率、時(shí)延及可靠性等要求，主要可分為三大類：
場(chǎng)景一：低時(shí)延、高可靠性業(yè)務(wù)。該類業(yè)務(wù)對(duì)吞吐率、時(shí)延或可靠性要求較高，其典型應(yīng)用包含車聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等;

場(chǎng)景二：中等需求類業(yè)務(wù)。該類業(yè)務(wù)對(duì)吞吐率要求中等或偏低，部分應(yīng)用有移動(dòng)性及語(yǔ)音方面的要求，對(duì)覆蓋與成本也有一定的限制，其典型業(yè)務(wù)主要有智能家防，可穿戴設(shè)備等;

場(chǎng)景三：LPWA(Low Power Wide Area)業(yè)務(wù)。LPWA 業(yè)務(wù)的主要特征包括低功耗、低成本、低吞吐率、要求廣(深)覆蓋且所涉終端數(shù)量巨大，其典型應(yīng)用包含抄表、環(huán)境監(jiān)控、物流、資產(chǎn)追蹤等。

在以上各類業(yè)務(wù)中，LPWA 業(yè)務(wù)由于連接需求規(guī)模大，是全球各運(yùn)營(yíng)商爭(zhēng)奪連接的主要市場(chǎng)。NB-IoT 與 eMTC 也主要是在這個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)上進(jìn)行 PK 的。

戰(zhàn)敗了哪些對(duì)手
NB-IoT 與 EMTC 一路走來(lái)，是戰(zhàn)敗了哪些網(wǎng)絡(luò)制式，才走到最后的呢?
目前，存在多種可承載 LPWA 類業(yè)務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，如 GPRS、LTE、LoRa、Sigfox 等，但存在如下問(wèn)題：

1. 終端續(xù)航時(shí)長(zhǎng)無(wú)法滿足要求，如：目前 GSM 終端待機(jī)時(shí)長(zhǎng)(不含業(yè)務(wù))僅 20 天左右，在一些 LPWA 典型應(yīng)用如抄表類業(yè)務(wù)中更換電池成本高，且某些特殊地點(diǎn)如深井、煙囪等更換電池很不方便。

2. 無(wú)法滿足海量終端的應(yīng)用需求，物聯(lián)網(wǎng)終端的一大特點(diǎn)就是海量，因此需要網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)接入大量用戶，而現(xiàn)在針對(duì)非物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足同時(shí)接入海量終端的需求。

3. 典型場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足，例如深井、地下車庫(kù)等覆蓋盲點(diǎn)，室外基站無(wú)法實(shí)現(xiàn)全覆蓋。

4. 成本高，對(duì)于部署物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)來(lái)說(shuō)，選擇 LPWA 的一個(gè)重要原因就是部署的低成本。智能家居應(yīng)用主流通信技術(shù)是 WiFi， WiFi 模塊雖然本身價(jià)格較低，已經(jīng)降到了 10 元人民幣以內(nèi)了，但支持 WiFi 的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常還需無(wú)線路由器或無(wú)線 AP 做網(wǎng)絡(luò)接入、或只能做局域網(wǎng)通信。而蜂窩通信技術(shù)對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)部署成本太高，國(guó)產(chǎn)最普通的 2G 通信模塊一般在 30 元人民幣以上，而 4G 通信模塊則要 200 元人民幣以上。

5. 傳輸干擾大，這主要針對(duì)的是非蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其基于非授權(quán)頻譜傳輸，傳輸干擾大，安全性差，無(wú)法確保可靠傳輸。

上述幾點(diǎn)已經(jīng)成為阻礙 LPWA 業(yè)務(wù)發(fā)展的影響因素，與這些制式相比，NB-IoT 與 EMTC 優(yōu)勢(shì)較為明顯。

NB-IoT 與 eMTC 的十輪鏖戰(zhàn)
1. 覆蓋
NB-IOT ：設(shè)計(jì)目標(biāo)是在 GSM 基礎(chǔ)上覆蓋增強(qiáng) 20dB。以 144 dB 作為 GSM 的最大耦合路損，則 NB-IoT 設(shè)計(jì)的最大耦合路損為 164 dB。其中，其下行主要依靠增大各信道的最大重傳次數(shù)以獲得覆蓋上的增加。而在其通過(guò)上行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，盡管 NB-IoT 終端上行發(fā)射功率(23 dBm)較 GSM(33 dBm)低 10 dB，其傳輸帶寬的變窄及最大重復(fù)次數(shù)的增加使其上行可工作在 164 dB 的最大路損下。

eMTC：其設(shè)計(jì)目標(biāo)是在 LTE 最大路損(140 dB)基礎(chǔ)上增強(qiáng) 15 dB 左右，最大耦合路損可達(dá) 155 dB。該技術(shù)覆蓋增強(qiáng)主要依靠信道的重復(fù)，其覆蓋較 NB-IoT 差 9dB 左右。

總結(jié)來(lái)看，NB-IoT 覆蓋半徑約是 GSM/LTE 的 4 倍，eMTC 覆蓋半徑約是 GSM/LTE 的 3 倍，NB-IoT 覆蓋半徑比 eMTC 大 30%。NB-IoT 及 eMTC 覆蓋增強(qiáng)可用于提高物聯(lián)網(wǎng)終端的深度覆蓋能力，也可用于提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率，或者減少站址密度以降低網(wǎng)絡(luò)成本等。

2. 功耗
由于多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都由于地理位置或成本原因，存在終端不易更新的問(wèn)題，因此功耗，就對(duì)物聯(lián)網(wǎng)終端在特殊場(chǎng)景中能否商用，起到非常重要的作用了。

NB-IoT ：在 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)中的終端電池壽命設(shè)計(jì)目標(biāo)為 10 年。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，NB-IoT 引入 eDRX 與 PSM 等節(jié)電模式以降低功耗，該技術(shù)采用了降低峰均比以提升功率放大器(PA)效率、減少周期性測(cè)量及僅支持單進(jìn)程等多種方案提升電池效率，以達(dá)到 10 年壽命的設(shè)計(jì)預(yù)期。但在實(shí)際應(yīng)用中，NB-IoT 的電池壽命與具體的業(yè)務(wù)模型及終端所處覆蓋范圍密切相關(guān)。

eMTC ：在較理想的場(chǎng)景下，電池壽命預(yù)期也可達(dá) 10 年水平，其終端也引入了 PSM 與 eDRX 兩種節(jié)電模式，但是實(shí)際性能，還需后在不同場(chǎng)景中做進(jìn)一步評(píng)估、驗(yàn)證。

3. 模組成本
NB-IoT ：其采用更簡(jiǎn)單的調(diào)制解調(diào)編碼方式，以降低存儲(chǔ)器及處理器的要求;采用半雙工的方式，無(wú)需雙工器、降低帶外及阻塞指標(biāo)等等一系列方法。在目前市場(chǎng)規(guī)模下，其模組成本可達(dá) 5 美金以下，在今后市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大的情況下，規(guī)模效應(yīng)有可能使其模組成本進(jìn)一步下降。具體金額及時(shí)間進(jìn)度，依賴產(chǎn)業(yè)發(fā)展的速度而定。

eMTC ：其也在 LTE 的基礎(chǔ)上，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求對(duì)成本進(jìn)行了一定程度的優(yōu)化。在市場(chǎng)初期的規(guī)模下，其模組成本可低于 10 美金。

4. 連接數(shù)
連接數(shù)是物聯(lián)網(wǎng)能夠進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

NB-IoT ：其在設(shè)計(jì)之初所定目標(biāo)為 5 萬(wàn)連接數(shù) / 小區(qū)，根據(jù)初期計(jì)算評(píng)估，目前版本可基本達(dá)到要求。但是否可達(dá)到該設(shè)計(jì)目標(biāo)取決于小區(qū)內(nèi)各 NB-IoT 終端業(yè)務(wù)模型等因素，需后續(xù)進(jìn)一步測(cè)試評(píng)估。

eMTC：其連接數(shù)并未針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用做專門(mén)優(yōu)化，目前預(yù)期其連接數(shù)將小于 NB-IoT 技術(shù)，具體性能需后續(xù)進(jìn)一步測(cè)試評(píng)估。

5. 后續(xù)需增強(qiáng)功能
定位功能：在 NB-IoT 技術(shù)的 R13 版本中，為降低終端的功耗，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，并未設(shè)計(jì) PRS 及 SRS。因此，目前 NB-IoT 僅能通過(guò)基站側(cè) E-CID 方式定位，精度較粗。當(dāng)然，未來(lái)的升級(jí)中將進(jìn)一步考慮增強(qiáng)定位精度的特性與設(shè)計(jì)。

多播(multi-cast)功能 ：在物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中，基站有可能需要對(duì)大量終端同時(shí)發(fā)出同樣的數(shù)據(jù)包。在 NB-IoT 的 R13 版本中，無(wú)相應(yīng)多播業(yè)務(wù)，在進(jìn)行該類業(yè)務(wù)時(shí)需逐個(gè)向每個(gè)終端下發(fā)相應(yīng)數(shù)據(jù)，浪費(fèi)大量系統(tǒng)資源，延長(zhǎng)整體信息傳送時(shí)間。在 R14 版本中，有可能對(duì)多播特性進(jìn)行考慮，以改善相關(guān)性能。

移動(dòng)性 / 業(yè)務(wù)連續(xù)性增強(qiáng)功能：R13 中 NB-IoT 主要針對(duì)靜止 / 低速用戶設(shè)計(jì)、優(yōu)化，不支持鄰區(qū)測(cè)量上報(bào)，因此無(wú)法進(jìn)行連接態(tài)小區(qū)切換，僅支持空閑態(tài)小區(qū)重選。R14 階段會(huì)增強(qiáng) UE 測(cè)量上報(bào)功能，支持連接態(tài)小區(qū)切換。

6. 對(duì)語(yǔ)音支持能力
對(duì)于標(biāo)清與高清的 VoIP 語(yǔ)音, 其語(yǔ)音速率分別為 12.2kbps 與 23.85 kbps。即全網(wǎng)至少需提供 10.6 kbps 與 17.7 kbps 的應(yīng)用層速率，方可支持標(biāo)清與高清的 VoIP 語(yǔ)音。

NB-IoT ：其峰值上下行吞吐率僅為 67 kbps 與 30 kbps，因此，在組網(wǎng)環(huán)境下，無(wú)法對(duì)語(yǔ)音功能進(jìn)行支持。

eMTC：其 FDD 模式上下行速率基本可滿足語(yǔ)音的需求，但從產(chǎn)業(yè)角度來(lái)看，目前支持情況有限，對(duì)于 eMTC TDD 模式，由于上行資源數(shù)受到限制，其語(yǔ)音支持能力較 eMTC FDD 模式弱。

7. 移動(dòng)性管理
NB-IoT ：在 R13 版本下，其連接態(tài)下無(wú)法進(jìn)行小區(qū)切換或重定向，僅能在空閑態(tài)下進(jìn)行小區(qū)重選。在后續(xù)版本中，產(chǎn)業(yè)界有可能針對(duì)某些垂直行業(yè)需求，提出連接態(tài)移動(dòng)性管理的需求。

eMTC：由于該技術(shù)是在 LTE 基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可支持連接態(tài)小區(qū)切換。

8. 網(wǎng)絡(luò)部署對(duì)現(xiàn)網(wǎng)影響
網(wǎng)絡(luò)部署的難易程度，網(wǎng)絡(luò)組建成本恐怕是運(yùn)營(yíng)商在決策過(guò)程中，最重要考慮的問(wèn)題。

NB-IOT：對(duì)于未部署 LTE FDD 的運(yùn)營(yíng)商，NB-IOT 的部署更接近于全新網(wǎng)絡(luò)的部署，將涉及到無(wú)線網(wǎng)及核心網(wǎng)的新建或改造及傳輸結(jié)構(gòu)的調(diào)整，同時(shí)，若無(wú)現(xiàn)成空閑頻譜，則需對(duì)現(xiàn)網(wǎng)頻譜(通常為 GSM)進(jìn)行調(diào)整(Standalone 模式)。因此，實(shí)施代價(jià)相對(duì)較高。

而對(duì)于已部署 LTE FDD 的運(yùn)營(yíng)商，NB-IoT 的部署可很大程度上利用現(xiàn)有設(shè)備與頻譜，其部署相對(duì)簡(jiǎn)單。但無(wú)論是依托那種制式進(jìn)行建設(shè)，都需要獨(dú)立部署核心網(wǎng)或升級(jí)現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備。

eMTC：若在現(xiàn)網(wǎng)已部署 4G 網(wǎng)絡(luò)，在該基礎(chǔ)上再部署 eMTC 網(wǎng)絡(luò)，在無(wú)線網(wǎng)方面，可基于現(xiàn)有 4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行軟件升級(jí)，在核心網(wǎng)方面，同樣可通過(guò)軟件升級(jí)實(shí)現(xiàn)。

9. 業(yè)務(wù)模式
NB-IoT ：其在覆蓋、功耗、成本、連接數(shù)等方面性能占優(yōu)，但無(wú)法滿足移動(dòng)性及中等速率要求、語(yǔ)音等業(yè)務(wù)需求，比較適合低速率、移動(dòng)性要求相對(duì)較低的 LPWA 應(yīng)用;

eMTC ：其在覆蓋及模組成本方面目前弱于 NB-IoT，但其在峰值速率、移動(dòng)性，語(yǔ)音能力方面存在優(yōu)勢(shì)，適合于中等吞吐率、移動(dòng)性或語(yǔ)音能力要求較高的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。運(yùn)營(yíng)商可根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)中實(shí)際應(yīng)用選擇相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行部署。

因此，一直有專家秉持 eMTC 網(wǎng)絡(luò)下，應(yīng)用場(chǎng)景更加豐富，應(yīng)用與人的關(guān)系更加直接，相對(duì)來(lái)說(shuō)，其 ARPU 值也就更高的觀點(diǎn)。

10. NB-IoT 與 eMTC 性能小結(jié)
現(xiàn)在來(lái)看，中移動(dòng)的選擇，對(duì)我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常關(guān)鍵。一方面中移動(dòng)苦于 FDD 牌照發(fā)放時(shí)間的不確定性，以及建設(shè) NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)的成本遠(yuǎn)高于另外兩家，而遲遲下不了決心;另一方面有國(guó)際運(yùn)營(yíng)商加持的 eMTC，又的確有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是兩種制式帶來(lái)的規(guī)模體量沒(méi)有達(dá)到預(yù)期，會(huì)使芯片、模組價(jià)格居高不下，進(jìn)一步不利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

這都讓中移動(dòng)難以下決心選擇，因?yàn)橐坏┻x擇錯(cuò)誤，機(jī)會(huì)成本與網(wǎng)絡(luò)成本都是十分巨大的。