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

本文就 NB-IoT 與 eMTC 的主要性能，在十個方面進行了系統(tǒng)地梳理及詳細地分析，在十輪論戰(zhàn)過后，讓我們再重新審視中移動的最佳決策應(yīng)該是什么樣子的。

伴隨移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展，全球物聯(lián)網(wǎng)即將迎來快速的發(fā)展。在國際運營商中，AT&T、Verizon、KDDI、KPN、Orange、NTT DoCoMo、Telefonica、Telstra、Telus 都先后開展了 eMTC 的商用。

在我國，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 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，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，而中移動的 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，在十個方面進行了系統(tǒng)地梳理及詳細地分析，在十輪論戰(zhàn)過后，讓我們再重新審視中移動的最佳決策應(yīng)該是什么樣子的。

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

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

場景二：中等需求類業(yè)務(wù)。該類業(yè)務(wù)對吞吐率要求中等或偏低，部分應(yīng)用有移動性及語音方面的要求，對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，是全球各運營商爭奪連接的主要市場。NB-IoT 與 eMTC 也主要是在這個戰(zhàn)場上進行 PK 的。

戰(zhàn)敗了哪些對手
NB-IoT 與 EMTC 一路走來，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，但存在如下問題：

1. 終端續(xù)航時長無法滿足要求，如：目前 GSM 終端待機時長(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，且某些特殊地點如深井、煙囪等更換電池很不方便。

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

3. 典型場景網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足，例如深井、地下車庫等覆蓋盲點，室外基站無法實現(xiàn)全覆蓋。

4. 成本高，對于部署物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)來說，選擇 LPWA 的一個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)備通常還需無線路由器或無線 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)對于企業(yè)來說部署成本太高，國產(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，無法確?？煽總鬏?。

上述幾點已經(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)勢較為明顯。

NB-IoT 與 eMTC 的十輪鏖戰(zhàn)
1. 覆蓋
NB-IOT ：設(shè)計目標是在 GSM 基礎(chǔ)上覆蓋增強 20dB。以 144 dB 作為 GSM 的最大耦合路損，則 NB-IoT 設(shè)計的最大耦合路損為 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。而在其通過上行覆蓋增強技術(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)計目標是在 LTE 最大路損(140 dB)基礎(chǔ)上增強 15 dB 左右，最大耦合路損可達 155 dB。該技術(shù)覆蓋增強主要依靠信道的重復(fù)，其覆蓋較 NB-IoT 差 9dB 左右。

總結(jié)來看，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題，因此功耗，就對物聯(lián)網(wǎng)終端在特殊場景中能否商用，起到非常重要的作用了。

NB-IoT ：在 3GPP 標準中的終端電池壽命設(shè)計目標為 10 年。在實際設(shè)計中，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、減少周期性測量及僅支持單進程等多種方案提升電池效率，以達到 10 年壽命的設(shè)計預(yù)期。但在實際應(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 ：在較理想的場景下，電池壽命預(yù)期也可達 10 年水平，其終端也引入了 PSM 與 eDRX 兩種節(jié)電模式，但是實際性能，還需后在不同場景中做進一步評估、驗證。

3. 模組成本
NB-IoT ：其采用更簡單的調(diào)制解調(diào)編碼方式，以降低存儲器及處理器的要求;采用半雙工的方式，無需雙工器、降低帶外及阻塞指標等等一系列方法。在目前市場規(guī)模下，其模組成本可達 5 美金以下，在今后市場規(guī)模擴大的情況下，規(guī)模效應(yīng)有可能使其模組成本進一步下降。具體金額及時間進度，依賴產(chǎn)業(yè)發(fā)展的速度而定。

eMTC ：其也在 LTE 的基礎(chǔ)上，針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求對成本進行了一定程度的優(yōu)化。在市場初期的規(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)能夠進行大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

NB-IoT ：其在設(shè)計之初所定目標為 5 萬連接數(shù) / 小區(qū)，根據(jù)初期計算評估，目前版本可基本達到要求。但是否可達到該設(shè)計目標取決于小區(qū)內(nèi)各 NB-IoT 終端業(yè)務(wù)模型等因素，需后續(xù)進一步測試評估。

eMTC：其連接數(shù)并未針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用做專門優(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)進一步測試評估。

5. 后續(xù)需增強功能
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)計時，并未設(shè)計 PRS 及 SRS。因此，目前 NB-IoT 僅能通過基站側(cè) E-CID 方式定位，精度較粗。當然，未來的升級中將進一步考慮增強定位精度的特性與設(shè)計。

多播(multi-cast)功能 ：在物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中，基站有可能需要對大量終端同時發(fā)出同樣的數(shù)據(jù)包。在 NB-IoT 的 R13 版本中，無相應(yīng)多播業(yè)務(wù)，在進行該類業(yè)務(wù)時需逐個向每個終端下發(fā)相應(yīng)數(shù)據(jù)，浪費大量系統(tǒng)資源，延長整體信息傳送時間。在 R14 版本中，有可能對多播特性進行考慮，以改善相關(guān)性能。

移動性 / 業(yè)務(wù)連續(xù)性增強功能：R13 中 NB-IoT 主要針對靜止 / 低速用戶設(shè)計、優(yōu)化，不支持鄰區(qū)測量上報，因此無法進行連接態(tài)小區(qū)切換，僅支持空閑態(tài)小區(qū)重選。R14 階段會增強 UE 測量上報功能，支持連接態(tài)小區(qū)切換。

6. 對語音支持能力
對于標清與高清的 VoIP 語音, 其語音速率分別為 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，方可支持標清與高清的 VoIP 語音。

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，無法對語音功能進行支持。

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

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

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

8. 網(wǎng)絡(luò)部署對現(xiàn)網(wǎng)影響
網(wǎng)絡(luò)部署的難易程度，網(wǎng)絡(luò)組建成本恐怕是運營商在決策過程中，最重要考慮的問題。

NB-IOT：對于未部署 LTE FDD 的運營商，NB-IOT 的部署更接近于全新網(wǎng)絡(luò)的部署，將涉及到無線網(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，若無現(xiàn)成空閑頻譜，則需對現(xiàn)網(wǎng)頻譜(通常為 GSM)進行調(diào)整(Standalone 模式)。因此，實施代價相對較高。

而對于已部署 LTE FDD 的運營商，NB-IoT 的部署可很大程度上利用現(xiàn)有設(shè)備與頻譜，其部署相對簡單。但無論是依托那種制式進行建設(shè)，都需要獨立部署核心網(wǎng)或升級現(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)，在無線網(wǎng)方面，可基于現(xiàn)有 4G 網(wǎng)絡(luò)進行軟件升級，在核心網(wǎng)方面，同樣可通過軟件升級實現(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)，但無法滿足移動性及中等速率要求、語音等業(yè)務(wù)需求，比較適合低速率、移動性要求相對較低的 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、移動性，語音能力方面存在優(yōu)勢，適合于中等吞吐率、移動性或語音能力要求較高的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。運營商可根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)中實際應(yīng)用選擇相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行部署。

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

10. NB-IoT 與 eMTC 性能小結(jié)
現(xiàn)在來看，中移動的選擇，對我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常關(guān)鍵。一方面中移動苦于 FDD 牌照發(fā)放時間的不確定性，以及建設(shè) NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)的成本遠高于另外兩家，而遲遲下不了決心;另一方面有國際運營商加持的 eMTC，又的確有獨特的優(yōu)勢，但是兩種制式帶來的規(guī)模體量沒有達到預(yù)期，會使芯片、模組價格居高不下，進一步不利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

這都讓中移動難以下決心選擇，因為一旦選擇錯誤，機會成本與網(wǎng)絡(luò)成本都是十分巨大的。