eMTC

LTE-M，即LTE-Machine-to-Machine，是基於LTE演進的物聯網技術，在R12中叫Low-Cost MTC，在R13中被稱為LTE enhanced MTC ，即eMTC，旨在基於現有的LTE載波滿足物聯網設備需求。eMTC基於蜂窩網絡進行部署，支持上下行最大1Mbps的峯值速率，屬於物聯網中速率，其用户設備通過支持1.4MHz的射頻和基帶帶寬，可以直接接入現有的LTE網絡。LTE在不斷演進的過程中，最新的eMTC和NB_IoT都進一步優化了系統的成本、增強了續航能力、擴大了覆蓋範圍。eMTC的最關鍵能力在於支持移動性並可以定位，成本只有Cat1芯片的25%，相比於GPRS速率要高四倍。

窄帶LTE其中最主要的幾個特性。第一，系統複雜性地大幅度降低，複雜程度及成本得到了極大的優化。第二，功耗極度降低，電池續航時間大幅度增強。第三，網絡的覆蓋能力大大加強。第四，網絡覆蓋的密度增強。

eMTC具備LPWA基本的四大能力：一是廣覆蓋，在同樣的頻段下，eMTC比現有的網絡增益15dB，極大地提升了LTE網絡的深度覆蓋能力；二是具備支撐海量連接的能力，eMTC一個扇區能夠支持近10萬個連接；三是更低功耗，eMTC終端模塊的待機時間可長達10年；四是更低的模塊成本，大規模的連接將會帶來模組芯片成本的快速下降，eMTC芯片目標成本在1～2美金左右 ^[2]  。

除此之外，eMTC還具有四大優勢：一是速率高，eMTC支持上下行最大1Mbps的峯值速率，遠遠超過GPRS、 ZigBee等物聯技術的速率，eMTC更高的速率可以支撐更豐富的物聯應用，如低速視頻、語音等；二是移動性，eMTC支持連接態的移動性，物聯網用户可以無縫切換保障用户體驗；三是可定位，基於TDD的eMTC可以利用基站側的PRS測量，在無須新增GPS芯片的情況下就可進行位置定位，低成本的定位技術更有利於eMTC在物流跟蹤、貨物跟蹤等場景的普及：四是支持語音，eMTC從LTE協議演進而來，可以支持 VOLTE語音，未來可被廣泛應用到可穿戴設備中。 ^[1] 

eMTC作為LTE一個特性, 基本沿用LTE設計，佔原有LTE系統的6個PRB，其中一個RB佔12個子載波 (子載波帶寬15kHz, 間隔為15kHz) 。時域結構上eMTC幀結構與LTE一致；頻域結構上，3GPP將系統帶寬劃分成若干NB (不重疊的6個PRB) ，eMTC UE的調度受NB限制，不能跨NB調度，不同eMTC UE可以共享一個NB的資源，如圖1。e MTC業務與LTE業務共享一套QoS機制，eMTC有單獨的話統統計，通過eMTC和LTE使用的PRACH資源不同，識別不同業務進行統計。 ^[3] 

eMTC不重用LTE的PDCCH、PCFICH和PHICH下行信道, 新增MPDCCH信道, 用於發送eMTC UE的PDSCH和PUSCH信道的調度指示以及公共消息的指示, 比如尋呼、RAR響應、上行ACK反饋。eMTC重用LTE的下行數據信道PDSCH, 支持傳輸模式為TM1/2/6/9；eMTC重用LTE的下行導頻信號RS；重用LTE的物理同步信號PSS/SSS, 其中PSS映射到時隙0和時隙10的最後一個OFDM符號， SSS映射到時隙0和時隙10的倒數第二個OFDM符號，均以5ms為週期重複發送；eMTC重用LTE的物理廣播信道PBCH, 新增一套SIB消息, 包括SIB1-BR、SIB2、SIB3、SIB4、SIB5和SIB14共6條，MIB消息新增一個IE用於攜帶SIB1-BR的調度信息, 在每個系統幀的0#子幀和9#子幀發送, 週期為40ms。如圖2 (a) 。 ^[3] 

eMTC的PRACH和LTE的PRACH分開 (使用相同頻率, 時域上區分) , 可以採用時分, 頻分, 碼分方式；eMTC的PUCCH和LTE的PUCCH分開, eMTC的PUCCH支持跨子幀跳頻, 不支持子幀內跳頻；eMTC使用LTE傳統的PUSCH信道上傳數據資源, 其PUSCH資源受NB限制。如圖2 (b) 。 ^[3] 

eMTC作為小區特性, 與LTE共小區部署, 不佔用獨立小區, 但是需要佔用空口的RB資源和基帶的處理資源, 為保證MBB業務優先, 系統會預留一定的資源給LTE, 即使LTE沒有任何業務, eMTC也不能使用預留。 ^[3] 

通過配置參數EmtcDlRbTargetRatio和EmtcUlR bTargetRatio, 可以控制LTE和e MTC資源佔用比例, 在LTE和eMTC負載均很高時, 依據兩者目標利用率, 動態共享LTE的PRB資源, 如圖3-case1；當eMTC負載較高, 而LTE有空閒RB資源時, 這些空閒RB資源可以給eMTC使用, 如圖3-case2；因e MTC採用跨子幀調度和重複技術, 會長期佔用RB資源, 為了避免LTE控制消息和VoIP等高優先級業務被長期阻塞, 通過DlLteRvsNbNum和UlLteRvsNbNum參數給LTE預留RB資源, 保證LTE業務的需求, 即LTE負載較而eMTC負載較低時, LTE可以佔用全部帶寬, 如圖3-case3。 ^[3] 

與LTE下行異步HARQ, 上行同步HARQ不同, eMTC上行下行都是異步HARQ。下行調度, 設MPDCCH重複的最後一個子幀編號n, 則MPDCCH調度的PDSCH起始子幀編號為n+2；設PDSCH重複的最後子幀編號為n, 則PUCCH 1 Ack/Nack子幀編號為n+4。上行調度, 設MPDCCH重複的最後一個子幀編號n, 則MPDCCH調度的PUSCH起始子幀編號為n+4；設PUSCH重複的最後子幀編號為n, 則MPDCCH Ack/Nack子幀編號為n+4。 ^[3] 

圖4 (a) 下行全雙工 (b) 下行半雙工 (c) 上行全雙工 (d) 上行半雙工

在無重複及重傳的情況下, 如圖4, 以ModeA對eMTC速率進行估算：下行調度週期為10ms, 全雙工時可以下行連續MPDCCH和PDSCH調度, 10ms週期內能發送8個下行TB (傳輸塊) , 每個TB最大1000bits，因此下行峯值速率為8*1000* (1000/10) =800kbps；同理下行半雙工峯值速率為300kbps；上行行調度週期為8ms, 同理推算出全雙工上行峯值速率1000kbps, 半雙工上行峯值速率375kbps。 ^[3] 

eMTC採用PSM和e DRX技術以節約功耗。PSM是一種新增的比Idle態更省電的省電模式, 由MME通過NAS配置給UE, UE發送完數據後在Idle態停留一段時間後進入深度睡眠態, 不監聽任何空口消息, 只在主動發送數據和週期TAU時才退出PSM模式, 如圖5 (a) ；eDRX通過延長Idle態或連接態的DRX週期, 減少UE偵聽網絡的信令處理, UE只在每個e DRX週期只在尋呼窗口內監聽PDCCH, 其它時間處於睡眠狀態, 從而達到UE節電的目的, 如圖5 (b)。 ^[3] 

eMTC是愛立信提出的無線物聯網解決方案。eMTC基於LTE接入技術設計了無線物聯網絡的軟特性，主要面向中低速率、低功耗、大連接、移動性強、具有定位需求的物聯網應用場景。 ^[4] 

eMTC無線物聯網技術可支持語音、移動、定位業務，適合進行速率為100kbit/s~1Mbit/s範圍內的中速小包數據或語音業務，模組市場價約10美元每塊，典型應用為智能電梯、行車、物流跟蹤、穿戴設備等。下面重點介紹智能電梯典型場景的應用：

智能電梯：在電梯內安裝相應的數據採集設備，通過eMTC網絡實時傳輸推送至物業單位終端、數據管理服務器，可實現實時監控電梯運行情況，具體應用方案如圖6所示。 ^[4]