eMTC能否承載優質VoLTE語音業務？

　　3GPP在R13階段制訂了面向物聯網及機器類通信的eMTC與NB-IoT通信標準，目標是低功耗、大連接、廣覆蓋、低成本。需要關注的是，相比傳統移動通信技術目標，用戶體驗速率提升不再是研究和設計的重點，取而代之的是深度覆蓋的需求，也就是要求在比現有移動通信網絡更深覆蓋、信號更弱的環境中，能夠建立數據連接并成功完成業務。

　　基于積極構建物聯網生態、擁抱萬物互聯的宏偉目標，中國電信已于2017年中期提供了NB-IoT商用服務，并明確提出2018年eMTC商用的計劃。當前eMTC的商用網絡主要集中在美國，對于中國電信而言，eMTC商用之前有必要對業務目標進行詳細探討。

　　eMTC業務特征對VoLTE業務的適用性分析

　　eMTC與NB-IoT的典型特性差異在于，eMTC終端工作帶寬可以達到1.08MHz，遠遠高于NB-IoT終端的200kHz，因此，eMTC終端的峰值速率遠遠高于NB-IoT終端。基于上述特征，業界普遍認為eMTC技術能夠提供較為低廉的VoLTE終端方案，并能夠具備較好的業務質量，但通過詳細的技術分析，采用eMTC技術支持語音業務或提供語音解決方案，實際效果可能難以樂觀。

　　低功耗特征

　　為了能夠在電力供應受限環境中提供物聯網服務，像NB-IoT一樣，eMTC也將低功耗作為系統設計目標，期望能夠基于較小容量的電池，支持終端10年免維護，并且與NB-IoT一樣采用了eDRX(Extended Discontinuous Reception)和PSM(Power Saving Mode)兩種節電技術。對于典型的低頻次物聯網業務，比如自動抄表類，由于業務頻次非常低，采用這兩種技術可以讓終端長期處于休眠狀態，只在需要進行數據傳輸的時候進行工作，因此可以非常節電，但這種良好的節電效果只對頻次較低的業務有效，對于VoLTE業務而言，終端需要經常監聽網絡尋呼，以及時響應到達的呼叫，所以無法采用eDRX和PSM技術的節電機制。

　　大連接特征

　　萬物互聯的要求，需要物聯網技術能夠服務海量的終端，為此3GPP設計了CP(Control Plane)優化與UP(User Plane)優化兩種空口技術優化方案，對于小包傳送的物聯網業務，可以節省大量的空口信令，提升傳輸效率。但對于VoLTE語音業務，是無法采用CP及UP優化方案提升容量的，因此eMTC對于VoLTE不具有提升容量的能力。

　　廣覆蓋特征

　　考慮到有些物聯網終端往往處于建筑物內部的較深位置，典型的比如水表，所處環境往往信號非常微弱，eMTC設計了重復技術以增強覆蓋，通過上、下行無線信號的重復，可以在接收端累積信號能量，從而增強覆蓋。但正是由于無線信號的重復，造成平均業務速率降低，也就是說，這種覆蓋增強技術是以業務速率降低為代價換取的，所以，對于VoLTE這種需要一定速率保障的業務而言，eMTC的覆蓋增強技術沒有帶來任何好處。

　　低成本eMTC終端方案

　　eMTC終端(芯片)的低成本方案主要包括：較小工作帶寬，eMTC終端的工作帶寬為1.08MHz，這種工作帶寬雖然比NB-IoT更高，但相較于普通LTE終端卻低了許多，能夠降低器件價格以及芯片計算能力要求，從而降低總體價格;較低的峰值速率，相對LTE而言，較低的峰值速率降低了芯片計算能力和Buffer要求，從而降低芯片價格;單終端接收天線，降低射頻器件成本;半雙工方案，可以省下終端射頻的雙工器，從而降低終端的成本。

　　半雙工eMTC方案對VoLTE的影響

　　半雙工方案是當前設備廠商和芯片廠商實現eMTC能力的主要方案。3GPP協議中規定eMTC具有兩種實現方案，分別是半雙工方案和全雙工方案，為了降低成本，當前階段半雙工方案成為主流。

　　半雙工eMTC終端的下行調度

　　根據圖1的eMTC半雙工下行調度時序，在信號較好情況下，MPDCCH發送調度以后，終端需要等待2個子幀才可以接收下行PDSCH信道中的數據，再等待4個子幀后終端向基站反饋ACK/NACK，上、下行切換需占用1個子幀的時長，終端才能準備再次接收MPDCCH調度。在最優情況下，10個子幀的時長內，真正有效進行PDSCH下行數據傳送的子幀數是3個，也就是說，對于下行數據傳送而言，70%的時間用于非數據傳送，只有30%的時間真正用于下行數據傳送，從基站的功率效率來看，真正用于數據傳送的基站平均功率相對普通LTE降低到30%，如果考慮需預留一半的發送機會給上行數據傳送，那么真正用于下行數據傳送的基站平均功率下降到15%左右，并且，這種情況還是信號最好的環境。

　　圖1 半雙工eMTC的下行調度時序

　　如果終端處在信號較差的環境，必須采用多次MPDCCH重復才能保證下行調度信令接收正確，那么PDSCH在下行調度時序中的時間比例將更低，參照當前LTE網絡中，LTE終端在小區邊緣對PDCCH的解調能力，在小區邊緣eMTC終端對MPDCCH正確解調的話需要單次MPDCCH調度占用2個子幀，這樣以來，在小區邊緣，對于單終端而言，大約只有10%的時間可以用于下行PDSCH數據傳送，并且終端單天線接收方案，也造成終端的下行數據接收能力進一步降低。

　　半雙工eMTC終端的上行調度

　　圖2是信號條件較好的環境中，最優的上行調度時序，終端接收到MPDCCH調度后，必須等待4個子幀才能進行MPDCCH所調度的上行PUSCH數據發送，并且，上行/下行發送的切換間隔必須至少占用1個子幀。從PUSCH上行數據發送到基站在MPDCCH中進行ACK/NACK確認也需等待4個子幀。

　　圖2 半雙工eMTC上行調度時序

　　此時終端只有3/8=37.5%的時間真正用于上行PUSCH數據發送。同樣假定上、下行調度各占用一半時間，那么終端真正用于上行PUSCH數據發送的時間占比將不到19%。

　　如果是在小區邊緣，MPDCCH必須采用重復的方式，則一個MPDCCH調度將占用2個子幀，此時用于上行PUSCH發送的時間占比將在10%左右。對于上行而言，終端在滿功率發射的情況下，PUSCH發送時間占比為10%左右，則意味著上行平均功率只有滿功率的10%左右。

　　半雙工eMTC終端的綜合影響

　　對于VoLTE這種具有固定速率要求的業務，每隔20ms都會固定產生一個語音幀，形成每隔20ms的一個固定數據包。上行PUSCH發送時間占比降低，意味著終端必須在較少的發射機會里，將語音數據發送出去，因此，相對普通LTE終端100%的PUSCH發射時間占比，半雙工eMTC終端必須在較少的發射機會中，采用較高的MCS，才能將語音數據發送完畢，較高的上行MCS則意味著上行覆蓋能力的降低。

　　同理，基站下行的PDSCH發送時間占比降低，也意味著基站必須采用較高的MCS，才能將每20ms周期到達的語音數據發送完畢，較高的下行MCS意味著下行覆蓋能力的降低。

　　終端滿功率發射情況下(此時意味著處于小區邊緣)，從平均功率的角度看，半雙工eMTC終端的PUSCH平均發射功率相對普通LTE終端降低到了10%左右，可以簡單認為半雙工eMTC終端比LTE終端上行的覆蓋能力減小10dB。同理，從下行接收來看，在終端能力的1.08MHz帶寬內，終端接收到的基站PDSCH平均功率相當于普通LTE終端的10%，也可以簡單認為半雙工eMTC終端相對于LTE終端下行覆蓋也減弱了10dB，實際上，由于普通LTE終端接收基站下行信號帶寬高于1.08MHz，因此半雙工eMTC終端較普通LTE終端下行覆蓋能力降低會超過10dB。需要提出的是，在覆蓋邊緣區域，終端滿功率發射時，PUSCH能夠支持的上行PRB數量只有2~3個，因此eMTC終端工作帶寬較普通LTE終端更低不會對上行VoLTE性能有影響。

　　根據鏈路預算分析，在1.8GHz頻段的密集市區環境中，覆蓋能力降低10dB，意味著小區的覆蓋半徑減小到60%左右。因此可以看出，采用半雙工eMTC終端承載VoLTE語音業務，覆蓋性能必將面臨著巨大挑戰，由于當前階段產業鏈僅僅支持半雙工eMTC方案，因此目前不應對采用eMTC技術承載VoLTE語音持積極態度。

　　全雙工eMTC方案對VoLTE的影響

　　相對半雙工eMTC方案，全雙工eMTC終端能夠大大提升下行PDSCH和上行PUSCH信道傳送的時間占比，因此，從覆蓋性能而言，全雙工eMTC終端較半雙工eMTC終端的覆蓋性能大大提升，但這種覆蓋性能提升并不意味著能夠完全等同于普通LTE終端。

　　首先，終端的工作帶寬只有1.08MHz，意味著在小區邊緣，終端能夠接收的帶寬遠遠低于普通LTE終端的20MHz，下行覆蓋能力的下降顯而易見。但前面已經介紹，這種較小的終端工作帶寬，在小區邊緣環境，對上行卻沒有影響。

　　其次，eMTC終端為了降低成本采用的單天線接收方案，在一定程度上影響了下行覆蓋性能。

　　所以，即使是全雙工eMTC終端方案，在覆蓋性能上也難以完全達到普通LTE終端的能力。

　　eMTC方案支持VoLTE語音方案的總體考慮

　　如前所述，如果采用半雙工eMTC方案承載VoLTE語音業務，在網絡運營方面將面臨著巨大挑戰，存在著業務質量難以保證的巨大風險，因此，對于現階段產業鏈普遍支持的半雙工eMTC技術，需慎重考慮提供VoLTE終端解決方案。

　　如果希望采用低成本的eMTC芯片提供廉價VoLTE終端方案和智能穿戴設備，必須考慮全雙工eMTC方案，并且根據試驗情況做進一步的可行性評估，鑒于當前產業鏈暫無全雙工eMTC終端芯片和設備，運營商還需根據實際需要決定是否推動相關產業的發展。