物联网(IoT，internet of things)历经多年发展，极大地革新了人们的生活与工作方式，并广泛地应用于社会的各个方面，如智能家居、智能电网、车联网、智慧农业等.预计到2021年，全球智能终端设备数目将会达到280亿个，其中物联网终端设备将高达150亿个^[1].同时，物联网也是未来5G下的主要应用场景之一——海量机器类型通信，主要面向海量设备的网络接入场景.这里主要讨论3GPP为了应对mMTC场景提出的一系列举措.

由于传统蜂窝网络具有广覆盖、易安装、高效资源管理等特点，已经成为支撑物联网的关键技术.然而，蜂窝网络设计的初衷是以高吞吐量、高数据速率、高移动性等为主要目标，旨在满足人与人之间的数据通信服务，面对物联网海量设备、小数据量、高功耗要求等特点，其难以支撑物联网通信服务.

为了解决物联网下机器类型通信所面临的问题(见图 1)，3GPP针对5G下的mMTC业务，基于现有蜂窝网络标准，定义了增强型机器类型通信(eMTC，enhanced MTC)、扩展覆盖GSM(EC-GSM，extended-coverage GSM)以及窄带物联网(NB-IoT, narrowband internet of things)^[2]，主要面向低速率、超低成本、低功耗、广深覆盖、大连接需求的物联网业务，降低了设备的成本与复杂度，改善了通信服务覆盖距离与信号穿透性，减少了设备侧的功耗，延长了电池寿命^[3].同时3GPP将会对这些技术进行演进，以满足多种多样物联网应用的需求.笔者主要对eMTC这一基于LTE的演进标准方案进行详细地阐述与分析.

1 eMTC技术简介

早在2009年，3GPP就开始研究LTE网络支持MTC的需求^[4]，并在Rel-12中提出低成本机器类型通信(low-cost MTC)，在Rel-13(LTE enhanced MTC(Cat-M))与Rel-14(FeMTC，further enhanced MTC)中进一步增强，旨在利用现有的LTE及其演进技术满足物联网设备需求.

eMTC的推出引起了世界各国专家学者的关注，Chakrapani^[5]针对eMTC与NB-IoT提出了一种高效、低复杂度的资源调度方案，有效提升了资源利用率，避免了拥塞；李贵勇等^[6]针对eMTC终端空闲状态下扩展不连续接收方案(eDRX，extended discontinuous reception)过程中的寻呼和测量进行研究，提出了层一控制层(L1C，layer 1 control)，并设计了L1C空闲态下的寻呼和测量流程；徐芙蓉等^[7]对NB-IoT与eMTC的覆盖能力进行了对比与分析.但目前仍缺乏关于eMTC面向5G物联网解决方案的系统性阐述与分析，笔者将针对Rel-13 eMTC从终端设备成本/复杂度、网络覆盖与终端设备功耗3个方面详细进行阐述与分析，并讨论Rel-14 FeMTC的增强技术，最终对eMTC未来发展趋势进行阐释与分析.

2 Rel-13 eMTC关键技术分析

eMTC的部署主要采用LTE带内部署方式，与LTE在同一频段协同工作，共用部分控制信道^[2]. eMTC主要是针对低功耗广覆盖物联网业务，进一步优化了系统的成本与复杂度，增强了物联网终端设备续航能力，扩大了网络覆盖范围.

2.1 设备成本与复杂度

传统的终端设备，如智能手机等，通信模块仅仅占据了设备成本的一小部分，相对于峰值速率、频谱效率等，控制成本显得并没有那么重要.但在5G mMTC场景下，对通信吞吐量、时延等要求低，而且海量设备的部署使得终端成本更为重要.为此，3GPP对eMTC做了多方面的成本降低策略(见表 1)，如支持半双工频分复用(FDD, frequency division duplexing)、单天线传输、更低的峰值速率、更窄的传输带宽和有限的传输模式^[9]，终端模块复杂度相对于传统LTE终端设备(LTE Cat-1)降低80%^[10].

2.1.1 半双工方式

传统LTE终端设备在频分双工方面(FDD)只支持全双工通信，即终端设备可以在不同频段上同时实现数据的接收与发送，通过增加终端设备复杂度，提高网络吞吐量和传输速率.但是鉴于mMTC场景数据量小、通信频率低的特点，全双工带来的网络增益已经远远超过了mMTC各种业务的网络需求，同时还提高设备成本.因此，eMTC除了支持TDD、全双工FDD之外，还支持半双工FDD，从而降低射频模块设计和实现的成本与复杂度.

2.1.2 天线简化

传统LTE通信系统引入基于多天线的多输入多输出技术(MIMO，multiple input multiple output)来提升无线网络通信吞吐量和频谱效率.然而对于5G mMTC应用来说，设备的成本与复杂度更为关键.因此eMTC对接收端射频模块进行了简化.多天线改为了单天线，降低了前向射频复杂度和成本，减少了存储模块成本.此外，最高发射功率调为20 dBm，从而降低了由集成功率放大器带来的设备复杂度.

2.1.3 峰值速率下调

相对于传统LTE通信系统的上行5 Mbit/s与下行10 Mbit/s的峰值速率，eMTC上行以及下行速度都降到了1 Mbit/s，控制信息的最大传输信息块大小降至1 kbit，极大地降低了终端设备侧的信息处理与存储压力^[10]，从而降低了终端设备侧的成本.

2.1.4 限定带宽

传统LTE通信系统支持1.4~20 MHz的带宽，占用6~100个资源块(RB，resource block)，如图 2所示. eMTC最大调度为6个RB，带宽仅有1.4 MHz，每个信道只占用6个RB，3GPP将LTE频域分成不重叠的6个RB窄带^[5]，eMTC用户的资源调度受NB限制，不能跨NB调度，支撑通信链路中的低数据速率传输.

主同步信号/副同步信号和物理广播信道(PBCH，physical broadcast channel)基本上与LTE保持一致，eMTC在首次接入的小区搜索过程中继续沿用传统的主同步信号/副同步信号PSS/SSS，从而获取蜂窝小区标识符与定时信息，基站为小区内用户广播主信息块(MIB，master information block)、系统信息块(SIB，system information block)，同时支持小区字段指示.

LTE物理随机接入信道(PRACH，physical random access channel)频域只占据6个RB，恰好能够适用于eMTC窄带.其中接入前导序列包括一个循环前缀和5种Zadoff-Chu序列(0, 1, 2, 3, 4).网络可以根据终端所处覆盖等级，配置不同的前导序列格式，应对不同的无线链路状况、路径损耗和传播时延.

eMTC物理下行共享信道(PDSCH，physical downlink share channel)以及物理上行共享信道(PUSCH，physical uplink share channel)与LTE保持一致，但增加了重复传输和窄带间跳频，提升了信道覆盖和抗干扰能力.

由于带宽的降低，传统的物理控制格式指示信道(PCFICH，physical control format indicator channel)、物理HARQ指示信道(PHICH，physical HARQ indication channel)、物理下行控制信道(PDCCH，physical downlink control channel)需要在全带宽上运作的信道将无法再被使用，所以针对此问题，3GPP基于LTE的增强型物理下行控制信道(EPDCCH, enhanced physical downlink control channel)，为eMTC设计了一种新的物理下行控制信道——机器类型通信物理下行控制接入信道(MPDCCH, MTC physical physical downlink control channel)，并辅以新的下行控制信息格式，能够完整地1.4 MHz信道上运作.

2.2 覆盖增强方案

物联网设备常常被部署在通信链路较差或者传统通信网络难以覆盖的复杂环境下，发送端与接收端之间的各种传播损耗和障碍使得终端无法实现正常的网络通信；而且，终端成本下调造成了通信链路质量衰减.为此，3GPP为eMTC增加了大约15 dB的额外链路预算^[10]，从而实现eMTC最大耦合损耗(MCL，maximum coupling loss)155.7 dB的覆盖目标，覆盖性能提高7倍左右^[11].如图 3所示，eMTC主要通过重复发送、功率谱密度提升来实现覆盖增强^[12].

2.2.1 功率谱密度提升

功率谱密度提升主要是基站侧为了改善下行覆盖范围而采用的一种技术.基站可以调整物理资源块发送的功率，从而提升某些物理资源块的功率谱密度. eMTC能够接受的最大频谱密度增强大概是4 dB，可以用于特定的信道，如PBCH、PDSCH的特定用户.

2.2.2 信息重复发送

覆盖距离增强主要是来自于物理资源块的重复发送，从而提升接收端成功接收并解码传输信息的概率.一般来说，每次重复发送会有3 dB增益，然而，前提是用户或者基站能够实现精确的信道估计与频率追踪. eMTC通过利用跨子帧与跨物理资源块信道估计方案来改善信道估计准确度，从而保障重复信息发送带来的覆盖增益.

在Rel-13 eMTC中支持信息重复发送的物理信道有PDSCH、PUSCH、MPDCCH、PRACH、PUCCH和PBCH.在原有LTE Cat-1中，各信道的覆盖能力不同，如表 2所示.在Rel-13 eMTC中，每个信道相比LTE各信道需提升8.5~15 dB，通过时域上的信息重复发送提升信道增益，达到MCL 155.7 dB的覆盖目标.

为了兼顾eMTC的覆盖深度和容量性能，3GPP协议在eMTC中引入了覆盖增强等级(CE，coverage enhancement)，如图 4所示.空闲态根据传输损耗划分了4个不同的覆盖等级(CE Level 0~3).用户根据接收参考信号强度(RSRP, reference signal received power)来选取不同覆盖等级，对应的RSRP阈值将会在基站的广播信息中获得，从而用户可以通过对比阈值明确自身所在的覆盖等级.对于连接态，则划分了CE Mode A和CE Mode B两个覆盖模式，空闲态的覆盖等级和连接态的覆盖模式之间有对应的映射关系，通过覆盖等级的差异化管理可以大大节省开销.

CE Mode A与CE Mode B的差别主要在于模式A只支持中等距离的信号传输，模式A下传统LTE Cat-1用户保持一致，仅通过少量的信号重复传输来补偿接收信道变窄、上行传输功率降低等带来的覆盖性能衰减, 且eMTC必须支持；而模式B只是一个可选项, 支持极远距离的传输，覆盖性能提升将近15 dB.故通常情况下，除非网络覆盖极差，用户几乎一直处于模式A下.

2.3 功耗降低措施

作为支撑5G大连接场景的关键技术之一，eMTC迫切需要满足海量物联网设备对于低功耗的需求，提升其电池寿命与工作年限，尤其是对于那些无法更换电池、充电困难、地处偏远地区的物联网设备.而且，为了提升覆盖增益，设备的重复传输进一步加大了能耗. 3GPP宣称eMTC能支持特定场景下配有5 WH电池的终端工作10年. eMTC主要通过节能模式(PSM，power saving mode)、扩展的不连续接收以及减少不必要的信令交互3个方面降低物联网设备通信过程中带来的能耗，如图 5所示.相比于LTE，能耗降低35倍以上，可支撑设备工作10年^{[8, 14]}.

2.3.1 节能模式(PSM)

早在3GPP Rel-12蜂窝网版本中，针对用户的PSM就已经被引入用来提升终端用户的电池工作寿命.在节能模式下，终端设备需要网络告知其进行连接或位置更新的激活定时器，明确在进入空闲状态之后，需要多久进入节能模式.在节能模式下，终端设备会关闭接收天线，进入休眠期，期间网络侧的信息(包括寻呼信息)无法接收, 直至设备侧有网络请求到达(见图 5).由于物联网通信具有分散、不频繁的特点，设备将会长期处于休眠状态，期间功耗很低，大概占在连接态下功耗的千分之一, 从而极大地降低了设备的能耗，延长了工作寿命^[14].

终端设备在PSM期间依旧保持着原网络的注册，即处于PSM的设备不需要在每次长时间休眠后重新进行网络注册/连接配置.

2.3.2 扩展不连续接收方案(eDRX)

在Rel-13中，为了进一步降低物联网终端侧通信能耗，eMTC引入了eDRX，以延长数据接收之间的空闲时间，从原有最大2.56 s提升至10.24 s，同时寻呼信令检测、位置更新信令时间间隔高达40 min以上^[15]，减少了信道检测与信息交互的频率，有效降低了通信能耗.设备在空闲状态下实现扩展不连续接收(I-eDRX)，可进一步降低终端设备的功耗.

显然，eDRX使设备通信能耗下降的同时，也提升了数据传输所需要的时延.因此，eDRX只适用于对时延要求不敏感的业务，可通过更长的睡眠时间实现较低的通信功耗.

2.3.3 降低信令交互频率

eMTC通过减少不必要的信令交互，延长周期定时器，灵活配置位置更新定时器, 减少唤醒次数，降低物联网终端通信能耗.例如，物联网设备的位置通常是固定的，eMTC通过降低位置追踪更新信令的频繁交互，降低通信功耗，提升电池寿命.

3 Rel-14标准eMTC增强

相比R13版本，eMTC标准的R14版本在eMTC定位、多播、移动性以及VoLTE四个方面做了进一步增强，并且在2017年6月完成了标准化工作^[16].

1) 定位与跟踪对物联网至关重要，但基于全球导航卫星的定位方式成本高，精度差.因此，Rel-14中eMTC利用观察到达时间差算法，通过接收的来自多个传送点的参考信号到达时间差进行位置信息计算与确定^[17]，提供定位服务，可广泛用于资产追踪、紧急呼叫等物联网业务.

2) 5G mMTC场景下设备数目众多，当为一组特定设备传输相同信息时，利用传统单播技术会造成大量的资源浪费.因此，Rel-14 eMTC基于单小区单点对多点(SC-PTM，single-cell point to multipoint)特性，利用单小区多播控制信道与单小区多播传输信道^[13]，支持eMTC的下行多播技术，实现对海量设备的群组信息传输，有效降低了eMTC终端部署维护的成本.

3) Rel-13 eMTC主要聚焦在传感器、智能表具等应用，数据速率比较低.为了应对更多的物联网业务，如视频监控等较大数据量的应用，3GPP Rel-14将带宽扩展到了5 MHz，将原来最大传输块大小(TBS，transport block size)扩大到了下行4 008 bit、上行6 968 bit，上行数据速率可以达到7 Mbit/s，下行数据速率可以达到4 Mbit/s^[18].

4) 为了应对一些需要语音交互的物联网业务，如可穿戴设备、智能家居等，针对长期演进语音承载(VoLTE, voice over long term evolution)技术，Rel-14 eMTC标准引入了PUSCH上行异步HARQ，还有新的调度时序关系.后者主要是针对半双工用户下行和上行反馈之间间隔占用时间的优化，可加大传输数据大小，从而提升VoLTE的通信质量.

4 展望

目前eMTC已经逐渐开始商用，成为支撑5G下大规模设备通信的关键方案之一，但目前仍有诸多问题亟须解决.

1) 信令拥塞问题.大规模机器通信面临的是数以万亿计的海量物联网终端设备，将会对网络侧造成巨大的信令压力，使网络拥塞或过载，甚至会造成网络崩溃.因此，可以采用非正交多址接入方案，通过功率域、码域、星座域的信道复用，实现多个信息在同一信道上的传输，降低拥塞发生概率^[19].比如，利用资源扩展多址接入(RSMA, resource spread multiple access)实现免许可上行接入，通过异步、非正交与竞争式的接入，支撑海量物联网设备的分散、小突发通信业务.

2) 扩展覆盖问题.在偏远、极端等通信受阻地区，如楼宇内、地下或者环境恶劣的山区极地，物联网设备仅仅通过信息重复传输，不仅无法保障上行通信覆盖，而且还会造成巨大的能耗.因此，亟须保障低功耗设备的上行覆盖扩展，如采用带广域网管理的多跳网状网络(multi-hop mesh with WAN management)，通过附近设备的中继实现上行数据传输，或采用D2D技术完成临近设备间的数据交互与中继传输，实现数据回传^[20].

3) 唤醒机制问题.物联网中的节点绝大部分时间必须处于休眠状态才能降低功耗，故必须先对目标节点实施唤醒，然后才能进行有效通信.现有的传感器通信协议会快速地消耗电池能量，高启动/监听电流和过多的泄漏电流也会导致节点使用寿命的缩短^[21].为了解决物联网无线节点通信的功耗问题，亟须设计一种高能量效率和低功率消耗的唤醒接收方案.例如，添加唤醒接收器，它独立于数据接收器，仅仅用于接收唤醒指令，可降低原有接收器工作带来的功耗问题^[22].

4) 非授权频段协作问题.目前出现了很多非授权频段的物联网解决方案，如Wi-Fi、LoRa、SigFox等.一方面，LTE作为运营商授权频谱的服务虽具有广阔的覆盖和高流量，但资费较高；另一方面，Wi-Fi等广泛应用在企业和个人环境中，却存在性能体验差、安全性低等问题^[23].因此，如何实现授权频段与非授权频段网络协作也是未来LTE网络发展的趋势.例如，高通、诺基亚等企业支持的Multefire规范，定义了LTE网络在未授权和共享频谱中运作，同时确保与其他用户和诸如Wi-Fi等技术公平地共享频谱. MulteFire超越了辅助授权接入(LAA)，实现了诸如专用或局域网等新应用^[24].

5 结束语

详细介绍与分析了面向5G大连接场景的蜂窝物联网技术之一——eMTC，探讨了3GPP为了适应5G下物联网大连接通信场景的网络需求提出的增强技术与标准，从终端设备成本与复杂度、网络覆盖以及功耗3个方面对Rel-13 eMTC关键技术做了具体分析，并讨论了Rel-14对于eMTC其他方面的增强，最后对eMTC未来研究发展进行阐释.