eMTC详解

2019-04-15 16:37:18 32

1.eMTC的典型应用场景

任何一项技术,对产品设计者及消费者而言,比较关注的还是它可以应用在什么场合,实用性和性价比如何。

要了解eMTC的应用,我们可以先从其简易的端到端系统架构开始:

如图1所示(其大体系统架构与NB-IoT非常接近):

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图1


其中:

eMTC UE:eMTC终端设备;

eNodeB:承担空口接入处理和蜂窝小区管理功能,并与EPC进行连接;

(上图提及的eNodeB为LTE FDD制式)

EPC :承担移动性/安全连接/时延适配/拥塞控制等管理功能,并将业务相关数据转发到IoT平台;

IoT平台:汇聚得到的IoT数据,根据不同类型转发至对应的业务应用服务器进行处理;

应用服务器 :IoT数据最终汇聚点,根据客户的需求进行数据处理等操作;

接着,我们可以再看看一些eMTC典型的实际应用场景,如图2所示:

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图2

如上图所示,eMTC可用于智慧城市、智能抄表、智慧建筑、车辆管理、医疗保健等较典型的物联网行业应用。

选取两个例子简要说明:

车辆管理类等任务关键型应用

对物流跟踪需求的车辆管理类等任务关键型应用,其要求传输的数据量并不大,但因为监测的对象是移动态的,要实时监测当前状态,并记录上传,不可避免地需要实现多个蜂窝小区切换,及不间断的定位。

可穿戴式医疗保健装置应用

对医疗保健行业,如用于辅助老人独立生活的可穿戴式医疗保健装置应用,要求支持各类病情监测,甚至要在老人忘记服药时及时提醒他们,并回传体征数据,紧急状况下还需语音通话急救以及不间断定位,在无宽带连接或接入智能手机的场景下实现云端IoT平台连接,提升独居老年人生活质量及安全保障。


2.eMTC的技术特征

为什么以上应用场景不应用NB-IoT/2G/3G/4G甚至是Wi-Fi/Bluetooth、Zigbee等这些非蜂窝技术?

那是因为eMTC技术具备如下特征,有区别于非蜂窝技术特点:

1)使用运营商授权频段,网络安全性、抗干扰、可靠性有保障;

2)深度覆盖;

3)海量连接;

区别于传统2G、3G、4G蜂窝技术特点:

1)连接态、空闲态的切换使用让功耗更低;

2)重传及跳频机制下的更深度覆盖能力;

3)中低数据传输速率;

4)拥塞控制使同一蜂窝小区获得更大终端连接数;

看起来其特点也是低功耗、深度覆盖、海量连接,那它和NB-IoT一样吗?我们从下表来看看它们之间的差异,如下图3绿色高亮部分所示:

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图3

3、产业化动态之海内外运营商部署情况

对蜂窝类通信产品,实现产业化的首要条件是运营商的网络部署。目前海内外各运营商在全球的eMTC网络部署情况可以参照下图4:


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图4

如上图所示,目前eMTC网络的部署主要在海外,如美国、法国、日本、韩国等,其中美国运营商的覆盖最好。

在过去的两年,中国电信和中国联通也曾多次提及eMTC的商用计划,中国电信还曾提到2018要正式商用eMTC网络。不过,截止到目前,国内运营商并未正式商用。

2019年1月份工信部刚发布了《关于增强机器类通信(eMTC)系统频率使用有关事宜的通知(征求意见稿)》,又在2月18日向中国电信集团颁发了最新版的FDD频率许可,预示着eMTC正式商用离我们不远了。

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图5:工信部2月18日向中国电信颁发最新FDD频率许可

4、eMTC产业化动态之eMTC芯片厂商布局

相较于运营商,上游eMTC芯片厂商的布局同样也影响着该技术的产业化程度。

由于国内政策及运营商导向因素,以华为为代表的国内相关厂商将更多资源倾斜在了NB-IoT技术上,因此目前eMTC芯片厂商仍以海外品牌为主,这些厂商为了兼顾国内NB-IoT这一块大市场,推出的芯片大多以多模为主,包括NB-IoT/eMTC双模,甚至NB-IoT/eMTC/2G三模。

目前主流eMTC芯片厂商,可参考下图6,通过美国最大运营商AT&T认证的eMTC模组厂商列表:

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图6

可见AT&T认证的模组中,芯片厂商有高通、Sequans(赛肯,法国厂商)、Altair(以色列厂商,已被Sony收购),而高通芯片占据了绝大多数。


5、eMTC相关标准现状

3GPP协议的演进,使eMTC功能及应用上的体验性增强

蜂窝技术都需遵循3GPP协议,目前市面上流通的eMTC和NB-IoT终端产品大部分都是基于3GPP R13的版本,R14版本已冻结,且实现了少量出货,eMTC部分产生了如下变化:

1)带宽变化:增加5MHz和20MHz带宽;

2)连接态移动性增强:蜂窝小区切换由同频切换,增强到支持异频切换;

3)峰值速率增加:5MHz带宽下,上下行速率将达到3/4Mbps;20MHz带宽下,上下行速率将达到7/27Mbps;

4)语音通话(VoLTE)性能增强:增加了语音通话带宽,提升通话质量及可靠性;

5)广播功能增强:加强了终端软件升级功能,便于海量连接时,eMTC终端的软件升级管理;

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图7:3GPP协议的演进

协议的演进升级让用户体验提升获得了理论基础,那产品设计出来后,该如何保证其能很好的适配相应使用场景的性能要求?

从产品侧角度看,eMTC海量连接、深度覆盖甚至是低功耗的技术特点跟产品的射频性能有着十分紧密的关联,而协议相应的章节来为确保产品的射频性能是否能满足基本应用场景的性能要求提供了重要的参考依据。

3GPP逐步完善了eMTC部分的天线端口射频规范

3GPP组织在2016年7月13日发布了3GPP TS 36.521-1 V13.2.0的协议版本,如下图8所示:

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图8

该版本为3GPP 2016年6月定稿,正式引入了eMTC的射频规范,但只包含3项测试,且要求不完整,处于TBD状态:

*1)*Power control for UE category M1 (TBD);

2)Maximum input level for UE(TBD);

3)Adjacent Channel Selectivity (ACS) for category M1(TBD) ;

而对于NB-IoT的射频规范在3GPP 2016年9月 TS 36.521-1 V13.3.0才正式引入。

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图9:eMTC对传导测试的射频规范

按照2到3个月更新一次的频率, 而后3GPP TS 36.521经过多个版本的补充与修正,最终形成了较为完善的针对eMTC 传导测试的射频规范;目前最新的版本为R15 TS 36.521-1 V15.4.0(2018年12月),其中R14 TS 36.521-1 V14.5.0(2017年12月)引入了category M2相关射频规范。

CTIA V3.8.1 Test plan的发布增加了eMTC OTA射频规范

CTIA 2018年10月定稿的 Test Plan for Wireless Device Over-the-Air Performance V3.8.1添加了关于eMTC终端产品OTA的TRP和TIS的测试相关要求,虽然目前自由空间 Free Space,可穿戴产品模拟手臂Wrist-Worn Left / Right(Forearm Phantom) 测试状态的 Pass/fail criteria还在“for future study”,从CTIA此举措来看,后续应该会很快对此部分要求进行完善 。

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图10:CTIA关于eMTC的射频规范

由此,3GPP和CTIA均发布了关于eMTC的射频规范,从RF传导及RF OTA两方面对产品射频性能完成闭环确认。


6、小结

在物联网时代,应用场景的多样化,使任何一项技术都无法实现通吃,高数据吞吐的技术存在功耗高的难题,而部分低功耗的技术又存在组网或连接数受限、存在安全隐患等问题。

eMTC和NB-IoT较好的解决了低功耗、大连接及网络安全问题,二者都是3GPP接纳的标准,同属于蜂窝物联网应用方向的发展阵营,它们都在原有LTE协议上进行了裁剪和优化,减少了系统的复杂性,这些改变使其能与运营商原有LTE部署或GSM部署实现并存,且eMTC在某些应用场景对NB-IoT实现了很好的互补。随着中国eMTC网络的正式商用,及国内外芯片厂商的助力,其产业化程度将会大大提速。