電子發燒友App
?
1 引言
隨著物—物(M2M)通信業務的快速發展，傳統傳感器網絡承載M2M業務面臨越來越多的局限性和挑戰，急需將傳感器網絡和移動通信網絡相結合，發揮移動通信覆蓋廣、可靠性高、傳輸延遲小等特點，形成分層移動M2M網絡。
本文對面向M2M業務的移動通信優化技術進行了探討。首先，通過對傳感器網絡的特性研究，給出了一種M2M業務流量建模方法，在此基礎上提出了優化方向，并提出了一些優化技術方案。另外，本文也對3GPP在M2M優化技術方面的研究工作做了簡單介紹。
無線傳感器網絡(WSN)和移動通信的結合，既是無線傳感器網絡產業發展的需要，也是移動通信產業發展的需要，如圖1所示，這種結合可以解決兩個產業的諸多發展瓶頸，大大擴展兩個產業的業務應用領域，帶來很多新的機遇。
?
圖1 無線傳感器網絡和移動通信的結合
2 移動M2M通信系統架構
如圖2所示，基于移動通信系統的WSN網絡可以靈活支持各種規模的WSN網絡。可以由WSN節點通過有限的分層匯聚構成一定規模的WSN網絡后，通過具有移動終端功能的WSN網關回傳到移動通信系統。也可以由移動基站直接連接具有移動終端能力的傳感器，此時這些傳感器既是WSN節點，也是WSN網關。這種結構完全不需要WSN節點之間的自組網，可以最大限度地降低傳輸延遲，支持對實時性要求很高的監控應用。移動終端(如手機、筆記本電腦)本身如果具有傳感器功能，也可以作為WSN節點和WSN網關使用，構建個域WSN網絡。
?
圖2 與移動通信網絡結合的WSN網絡
3 移動M2M系統優化方向
現有的3G，LTE移動通信系統從其最根本的設計需求上講是解決人與人(H2H)通信，盡管隨著技術的發展其自身在不斷地完善和演進，但由于沒有針對M2M通信特點進行優化，仍難以完全適應M2M業務復雜的應用環境，無法滿足海量M2M接入的需要。因此為了適應M2M業務的需求，需要在如下幾個方面進行優化。
3.1 M2M新型終端類型的優化
目前，無線通信系統的終端類型是按照H2H終端的需求定義的，即“底端手機”和“高端手機”，尤其是新一代寬帶無線通信系統，終端能力呈上升趨勢。具體參數包括：
(1)射頻頻帶：通常要求支持十幾個頻點。
(2)多種帶寬處理能力：如5MHz，10MHz，20MHz。
(4)數據吞吐量能力：最大支持100Mbit/s以上吞吐量。
(5)緩存大小：通常支持很大的緩存。
(6)異頻和異系統切換組合。
M2M終端可能是很低成本、很低耗電、很低移動性的海量終端，因此M2M終端支持更少的射頻頻帶、更小的帶寬處理能力、更簡單的多天線處理能力、更靈活的吞吐量能力和緩存能力、更簡單的移動性、只支持PS域。
3.2 M2M功耗降低優化
目前無線通信系統的終端電池壽命通常在2~3天，其高耗電主要是因為終端在空閑狀態下需要周期性接收系統廣播信道;在激活狀態下需要周期性接收公共控制信道，睡眠時間短;需要支持自適應操作的大量測量、反饋、信令;需要支持切換和移動性管理的大量測量、反饋、信令。而M2M終端可能是數據模型單一、周期性發送接收、不需切換和移動性管理的，主要表現在以下幾方面：
(1)設計更長周期的預定義接收。
(2)設計更長周期的DRX周期。
(3)設計更有效的持續調度策略，最大限度簡化測量、反饋和信令。
(4)簡化移動性管理，最大限度簡化測量、反饋和信令。
3.3 M2M覆蓋擴展優化
目前無線通信系統主要考慮H2H通信的典型覆蓋場景，容量和覆蓋的平衡點也依照典型H2H通信場景確定。而M2M終端很可能放置在比H2H終端環境更惡劣的位置，考慮更惡劣的鏈路預算，因此M2M系統在覆蓋方面提出了更高的需求，需要考慮對移動通信系統的覆蓋能力進行增強，如：
(1)通過魯棒性更高的鏈路傳輸，獲得更好的鏈路預算。
(2)采用增益更高的射頻器件和天線。
(3)采用Relay等新型網絡拓撲拉近終端和基站的距離。
3.4 M2M海量容量優化
目前無線通信系統的小區容量是以典型的H2H終端密度來考慮的，如手機、筆記本電腦。傳統系統每個帶寬大于5MHz的小區支持400個終端，終端ID數量、參考信號數量、控制信道數量較小，資源分配粒度過大，MAC，RLC和RRC層協議的處理能力不足。
從長遠看來，M2M終端的數量很可能超過H2H終端，且從成本考慮，應盡可能不擠占H2H終端的容量，因此M2M系統應具備如下能力：
(1)支持更大的用戶數量，如200個H2H終端+400個M2M終端。
(2)支持更大的信道容量、終端ID數量、參考信號數量和控制信道數量，采用更精細的資源分配粒度。
(3)擴展的MAC，RLC，RRC處理能力，同時通過簡化處理過程限制復雜度。
3.5 M2M低數據率優化
目前無線通信系統的終端最低數據率是考慮典型H2H通信的需求，如電路域話音或VoIP的數據率。但是很多M2M終端的最小數據率比H2H終端低很多，為了保持有吸引力的資費，需要大大降低每線成本，需要降低每線占用的無線資源，在原有單位資源中容納更多的終端并行傳輸。
3.6 M2M時間控制優化
無線通信系統對時間延遲的控制，是按照H2H典型業務的用戶感受要求來考慮的。話音、實時數據等實時業務的時延要求為秒量級，非實時業務的時延要求為分鐘量級。而M2M終端的時間控制和H2H終端可能有很大不同。某些M2M業務對時間延遲的容忍度很大，可以達到小時量級;但某些M2M業務又對延遲要求很高，可能達到毫秒量級。因此，對M2M終端的傳輸可進行優先級控制，保證時間控制要求較高的終端優先傳輸，對時間控制要求較低的終端可以等到系統負載較低的時候再傳輸。
3.7 M2M低移動性優化
移動通信系統按照H2H通信需求，均須支持切換和移動性管理功能，占用了移動通信系統的相當一部分功能。包括小區間、頻率間、系統間的測量和切換。而很多M2M終端幾乎不需要移動性，可以對移動性管理功能進行大幅簡化，以降低成本和耗電。
3.8 M2M防盜/防破壞優化
由于M2M終端經常置于無人值守的環境，因此防盜/防破壞的要求很高。為了滿足這些要求，M2M終端應具備自動上報狀態和自動位置上報的能力。
4 分層M2M資源分配和接入
針對上述M2M需求，可提出一系列面向M2M的移動通信優化技術，本文重點討論分層M2M資源分配和接入技術。
M2M系統的一個特點是需要支持海量的小數據率終端的資源分配和接入，直接縮小資源分配粒度并增大終端接入數量，需要對系統的設計做很大改動，而采用分層設計可以只對系統做小幅度修改而取得相似的效果。
這種方法的思想是將終端分成若干組，每個終端組采用一個終端組ID，一個終端組內部的終端再采用終端ID來進一步區分。這種方式可以用較短的ID來實現，可以節省ID，節省尋址復雜度。
M2M終端和H2H終端不同，其行為不是完全隨意的，一組M2M終端(如一組相似類型的傳感器)行為相似，就可以將多個總是保持相同狀態(接入、附著、釋放)的M2M終端分為一組，共享1個終端ID。從資源分配的角度，可以將具有相同的業務流量模型(包括相同的數據率、時延要求等)和資源需求量的多個終端分為一組，使終端組內所有終端的資源需求之和相當于一個傳統H2H終端的資源需求量。
終端組內有一個終端充當“組長終端”，組長終端負責代表組內所有終端和網絡的鏈路層保持連接，“組員終端”對于系統鏈路層是“透明的”。通過高層ID(如IP地址)進一步區分這個終端組內的各個終端。同時，“組長終端”代表整個終端組向系統請求無線資源，其他“組員終端”，不直接向系統申請資源。而是在組內所有終端之間形成固定的、預定義的資源分配。這樣，系統分配給“組長終端”一個資源塊，就相當于將這個資源塊分給了這個終端組。系統的資源指示信令相當于在終端組內進行廣播，組內的所有終端接收到系統的資源指示信令后，根據終端組的分配組員塊和自己在組內的具體資源位置發送信息。基于此分層終端ID結構的終端接入和資源分配流程如圖3所示：
?
圖3 基于分層終端ID的接入和資源分配流程
(1)在網絡部署過程中，對一個終端組內各終端的資源分配方法進行預定義，即組內各個終端占用分配給該終端組的資源的哪一部分。
(2)終端接收網絡側設備接入層發出的系統同步和廣播信息，組長終端和組員終端都接收此信息。
(3)組長終端代表整個終端組向網絡側設備接入層發起接入。
(4)組長終端和各組員終端分別向網絡側設備非接入層進行注冊。
(5)組長終端代表整個終端組向網絡側設備接入層發出資源請求。
(6)網絡側設備接入層向組長終端發布分配給該終端組的無線資源。
(7)組內各終端根據第1步中預定義的組內資源分配方法，計算出自己應該使用網絡側設備分配給本組的資源的哪一部分。
(8)各終端在計算出的資源位置開始和網絡側設備進行通信。
由于可以選擇RRC狀態相似的M2M終端(如相似類型的傳感器)形成一組，一個組內的多個終端可以總是保持相同RRC配置，可通過同一個RRC連接來配置整個組的終端。由于M2M終端的信令較少，一個組的多個終端還可以采用時分、碼分的方式共享一個控制信道。另外，M2M資源分配需要支持小顆粒的資源分配，可能采用的方式包括：
●碼分方案：即將一個資源塊分給多個終端，終端之間進一步采用擴頻碼復用，采用碼復用使多個M2M終端共享一個最小資源顆粒。這種情況下，只要將M2M終端采用的擴頻碼和終端ID綁定就可以。
●時分方案：即將幾個M2M終端分為一組，共享一個資源塊，在一個資源塊內的不同符號協同傳輸。終端間采用“預定義分配”避免額外信令，但需要考慮如何進行信道估計。
●頻分方案：即仍保持頻率資源分配，只是將每個用戶的頻帶寬度減小，如將每個信道的帶寬縮小到數kHz。這種方案可以直觀地實現小數據率M2M傳輸，將改變標準，無法保持后向兼容性。
5 3GPP對M2M優化技術的研究進展
3GPP并不研究所有的機器通信，只研究具有蜂窩通信模塊、通過蜂窩網絡進行數據傳輸的機器通信，稱之為MTC(Machine Type Communication)。
在2009年9月份的RAN #45次會議上，3GPP決定在R10啟動一個研究針對MTC應用的無線網優化的Study Item(SI)：“RAN Improvements for Machine-type Communications”，相應成果收集在TR 37.868中。此SI的主要研究工作在RAN2進行，項目首先對MTC典型應用、業務模型和優化對象等進行研究。經過研究，RAN2將無線網擁塞確定為首要工作重點，包括RAN網絡擁塞(尤其是隨機接入的擁塞問題和信令網絡擁塞)。
在2010年9月的RAN #49次全會上，在SA的推動下，RAN全會決定成立一個關于MTC的新的WI，用來解決避免大量MTC設備接入導致的核心網過載問題。2011年3月份，RAN2完成了此WI并在RAN全會上通過。圖4所示的是3GPP MTC R10標準化項目進程情況。
?
圖4 3GPP MTC R10標準化項目進程
5.1 隨機接入擁塞解決方案
在3GPP討論中，首先統一了LTE及UMTS系統的隨機接入擁塞的仿真評估。另外，TR 37.868還收錄了對智能抄表類MTC應用、車隊管理類MTC應用以及地震監測類MTC應用的隨機接入分析。
關于如何解決大量MTC設備同時接入引起的隨機接入擁塞問題，可以通過在應用層控制MTC設備的接入時間來解決，比如：在智能抄表類的業務中，可以通過在應用層設置不同的上報時間來避免大量智能水/電表同時觸發業務上報。然而，在未來的M2M用戶中，存在著大量的行業用戶，這些行業用戶可能并不完全受運營商的控制，也不了解蜂窩網絡的特性，因而不會從網絡利用的角度出發來考慮設置應用層的接入時間控制。在某些場景中，比如地震預報，大量的傳感器必須在極短的時間內上報告警信息，網絡必須能夠同時處理大量的信息上報。因而也應該尋找無線側針對MTC設備接入時間的控制方法，這些方案對于應用層是透明的，即使應用層沒有設置相應的接入時間控制，網絡也可以從容應付大量MTC設備的同時接入。
在3GPP的討論中，確認了以下幾種解決隨機接入擁塞的無線側候選方案：
(1)接入控制方案
在E-UTRAN中，接入控制是由Access Class Barring功能實現的，用來抑制過多的流量，避免擁塞。當終端要求建立一個連接時，終端應當首先執行Access Class Barring檢查。如果檢查成功，終端才會發送RACH前導，開始RRC連接建立過程。E-UTRAN執行Access Class Barring的方法是：通過小區廣播一個Barring因子和AC Barring Time。當終端啟動層3接入時，終端抽取一個隨機數，將這個隨機數和Barring因子做比較。如果這個隨機數小于Barring因子，終端開始隨機接入過程，否則，終端會在AC Barring Time內被阻止接入。因此，可以為MTC設備引入新的Barring因子，實現對MTC終端的接入控制。
(2)資源劃分方案
大量MTC設備的同時接入會增大RACH信道的負載，以及RACH前導碰撞的概率，同時也會影響正常終端的工作，使正常終端的碰撞概率也增加。可以通過為MTC設備動態地分配RACH資源來解決此問題：將一些RACH資源用于MTC，其他RACH資源用于正常終端，這樣，MTC沖突概率的增加不會影響正常終端，RACH資源分配可以根據網絡狀態而動態調整并在系統信息中廣播。
(3)動態RACH資源分配方案
此方案主要是“開源”，即增加RACH資源：首先，可以在時間域上增加，即當eNodeB檢測到隨機接入的高峰正在到來時(如Preambles利用率超過了預定義的門限)，可以通過Paging或者新的SIB來暫時增加一個或多個子幀作為PRACH資源，當高峰過去以后，可以取消暫時增加的配置。其次，也可以在頻率域上增加。目前的LTE標準中，用于RACH接入的資源是6個RB。當eNB檢測到隨機接入的高峰正在到來時，其可以通過Paging或者新的SIB來暫時增加另外的6個RB作為RACH資源。
(4)MTC特定的隨機接入回退(Backoff)方案
在目前的LTE中，普通終端在初始接入時的回退值設為零，當初次接入沒有成功，eNB會通知終端一個具體的回退時間，終端在零和此回退時間內產生一個隨機值，經過此隨機值的時間，終端才可以重新發起接入。此方案的主要思想是為MTC引入一個與普通終端不同的回退方案，比如：初始接入時即有一個非零的回退值，另外，回退值的范圍也可以比普通終端更廣。
(5)MTC特定時隙接入方案
此方案為MTC設備定義一個接入周期/時隙(與尋呼周期/時隙的概念相似)，每個MTC設備只能在特定的接入時隙內接入，其具體的接入時隙可以通過其ID(IMSI)來決定。
(6)Pull方案
對于某些MTC應用，如智能抄表，可以不允許它們進行類似于普通終端的Mobile Originating 呼叫。而是通過MTC Server控制的方法，即讓MTC Server觸發MME來尋呼相應的MTC設備，只有被尋呼的設備才能接入網絡發送它們的數據。目前的尋呼消息必須包含每個被尋呼終端的ID，只有符合終端ID的終端設備會回應尋呼消息。此方案引入了組ID的概念，可以在尋呼消息中發送這個組ID，所有屬于這個組ID的MTC設備都會回應這個Paging消息。通過使用組ID，極大地減少了尋呼開銷。另外，可以通過設置組的大小，來控制同時接入無線網的MTC設備數量。
5.2 針對核心網擁塞的無線側解決方案
當核心網擁塞時，E-UTRAN應當識別并及時拒絕掉一些低優先級MTC終端的接入，以保證高優先級終端(包括高優先級MTC終端)的傳輸。為此，3GPP決定為終端引入一個“Delay Tolerant”指示，當終端使用此指示時，表明其可以在網絡擁塞時忍受較長的延遲。
值得注意的是，MTC應用也千差萬別，并不是所有的MTC應用都可以忍受較長的延遲，比如，用于地震預警的傳感網絡，即使在網絡擁塞時，也必須盡快地讓其接入并傳送數據。因此是否將MTC應用映射到“Delay Tolerant”上，由運營商在NAS層配置。
當核心網處于擁塞狀態時，eNB可以通過拒絕或釋放掉那些對時延容忍度比較高的連接，并反饋一個等待時間值(最大值為1800s)。當終端收到上述消息后，會在終端側按照這個等待時間啟動一個計時器，在計時器到期前，相應的MTC應用不再發起RRC連接。
6 結束語
對面向M2M的移動通信系統優化技術的研究才剛剛開始，由于這些優化技術不可避免地會改變現有移動通信標準，3GPP對這些技術方案的態度都是十分謹慎的，到目前為止標準化了針對核心網擁塞的無線側解決方案，核心原因是因為目前M2M業務還不是移動運營商的核心業務。隨著M2M業務在運營商營收中的比例提高，產業界會給與這些優化技術更多的重視，移動通信技術也終將會迎來更大的變革。
工商網監
評論