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eMTC能否承载优质VoLTE语音业务?


作者:杜刚 来源:通信世界 2017-11-07 14:20:29 填写您的邮件地址,订阅我们的精彩内容:

摘要: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。

关键词:eMTC[45篇]  VoLTE语音[0篇]  3GPP[4篇]  通信[887篇]  

  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。

eMTC能否承载优质VoLTE语音业务?

  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。

eMTC能否承载优质VoLTE语音业务?

  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。

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