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针对移动M2M业务的优化技术研究


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针对移动 M2M 业务的 优化技术研究 *
沈 嘉 工业和信息化部电信研究院通信标准研究所无线与移动研究部主任工程师 刘思扬 工业和信息化部电信研究院通信标准研究所无线与移动研究部工程师

摘要: 传感器网络和移动通信网络相结合已经成 为必然的趋势。但现有的 3G、 LTE 移动通信系统 的设计目标是人与人 (H2H ) 通信, 没 有 针 对 机器 间 (M2M ) 通 信 特 点进 行 优 化 , 难 以 适 应 M2M 业 务复杂的应用环境和海量的用户容量。文章针对 移动 M2M 业务的优化技术进行了探讨。 关键词: 机器间通信, M2M, 物联网, 移动通信 Abstract:The combination of wireless sensor net- work and mobile communications network has be- come a obvious developing trend. However, the legacy mobile system, e.g. 3G and LTE, are de- signed for human -to -human (H2H) communica- tions. They are not optimized for machine -to -ma- chine (M2M) communications, hence cannot adapt to the complicated application scenarios and huge user capacity of M2M services. In this paper, the optimizations of mobile communications for M2M services are studied. Key words: machine -to -mashine, M2M, Internet of things, mobile communications

随着 物物 (M2M ) 通 信业 务 的 快 速 发 展, 传统传感器 网络承载 M2M 业务面临越来越多的局限性和挑战, 急需 将传感器网络和移动通信网络相结合,发挥移动通信覆 盖广、 可靠性高、 传输延迟小等特点, 形成分层移动 M2M 网络。对于移动通信网络来说, 其终端既可以是传感器网 关, 也可以是传感器本身。 但是,传统移动通信技术毕竟是面向人与人 (H2H ) 通信业务设计的, 适应 H2H 的业务需求。而 M2M 终端无 论是从传输特性、 QoS 要求、 移动性, 还是从终端的分布密 度方面都与 H2H 终端有很大不同。完全沿用传统移动通 信系统设计,系统的效率、成本和适用性都无法达到最 优。 无 线 传 感 器 网络 (WSN ) 和 移动 通 信 的结合, 既是无 线传感器网络产业发展的需要,也是移动通信产业发展 的需要。如图 1 所示, 这种结合可以解决两个产业的诸多 发展瓶颈, 大大扩展两个产业的业务应用领域, 带来很多 新的机遇。
“传感器网络与移动通信 本文基于 “新一代宽带无线移动通信网 “重大专项 网 的 结 合 技 术 及 其 M2M 业 务 应 用 研 究 与 示 范 验 证 ” 课 题 ( 编 号: 2009ZX03006-006 ) 的研究成果编写而成。

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2.1 M2M 新型终端类型的优化
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目前无线通信系统的终端类型是 按照 H2H 终 端 的 需 求 定 义 的, 即 “低 端手机” 和 “高端手机” , 尤其是新一代 宽带无线通信系统,终端能力呈上升 趋势。具体参数包括: ·射 频频 带 : 通 常 要求支 持 十 几 个 频 点;

图 1 无线传感器网络和移动通信的结合

本文对移动 M2M 业务的优化技术进行了探讨。 首先,通过对传感器网络的特性研究,给出了一种 M2M 业务流量建模方法, 在此基础上提出了优化方 向, 并提出了一些优化技术方案。

·多 种 带 宽 处 理 能 力 : 如 5 MHz、 10 MHz、 20 MHz; · 多天线处理能力:最大支持 4 个天线端 口 的 MIMO 接收; · 数据吞吐能力: 最大支持 100 Mbit/s 以上吞吐 量; · 缓存大小: 通常支持很大的缓存; · 异频和异系统切换组合。 M2M 终 端 可 能是 很 低 成 本 、 很 低耗 电 、 很低移 动性的海量终端, 因此 M2M 终端支持更少的射频频 带、更小的带宽处理能力、更简单的多天线处理能 力、 更灵活的吞吐量能力和缓存能力、 更简单的移动 性、 只支持 PS 域。 2.2 M2M 功耗降低优化 目前无线通信系统的终端电池寿命通常在 2- 3 天,其高耗电主要是因为终端在空闲状态下需要周 期性接收系统广播信道;在激活状态下需要周期性 接收公共控制信道, 睡眠时间短; 需要支持自适应操 作的大量测量、 反馈、 信令; 需要支持切换和移动性 管理的大量测量、 反馈、 信令。 而 M2M 终端可能是数据模型单一、 周期性发送 接收、 不需切换和移动性管理: · 设计更长周期的预定义接收; · 设计更长周期的 DRX 周期; · 设计更有效的持续调度策略, 最大限度简化测 量、 反馈和信令; · 简化移动性管理, 最大限度简化测量、 反馈和 信令。

1 移动 M2M 通信系统架构
如图 2 所示, 基于移动通信系统的 WSN 网络可 以灵活地支持各种规模的 WSN 网络。可以由 WSN 节点通过有限的分层汇聚构成一定规模的 WSN 网 络后, 通过具有移动终端功能的 WSN 网关回传到移 动通信系统。也可以由移动基站直接连接具有移动 终端能力的传感器,此时这些传感器既是 WSN 节 点, 也是 WSN 网关。这种结构完全不需要 WSN 节 点之间的自组网, 可以最大限度地降低传输延迟, 支 持对实时性要求很高的监控应用。另外,移动终端 (如手机、 笔记本电脑 ) 本身如果具有传感器功能, 也 可 以 作为 WSN 节 点 和 WSN 网 关 使 用 , 构 建 个 域 WSN 网络。

2 移动 M2M 系统优化方向
LTE 移动通信系统从其最根本的设 现有的 3G、 计需求上讲是解决 H2H 通信, 尽管随着技术的发展 其 自 身 也 在 不 断 地 完 善 和 演 进, 但 由 于 没 有 针 对 M2M 通信特点进行优化,仍难以完全适应 M2M 业 务复杂的应用环境,无法满足海量 M2M 接入的需 要。因此为了适应 M2M 业务的需求, 需要在如下几 个方面对进行优化。

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图 2 与移动通信网络结合的 WSN 网络

2.3 M2M 覆盖扩展优化 目前 无 线 通 信 系统 主 要 考 虑 H2H 通 信 的 典 型 覆盖场景, 容量和覆盖的平衡点也依照典型 H2H 通 信场景确定。而 M2M 终端很可能放置在比 H2H 终 端环境更恶劣的位置, 考虑更恶劣的链路预算。 因此 M2M 系统在覆盖方面提出了更高的要求, 需要考虑 对移动通信系统的覆盖能力进行增强, 如: · 通过鲁棒性更高的链路传输, 获得更好的链路 预算; · 采用增益更高的射频器件和天线; · 采 用 Relay 等新 型 网络 拓 扑拉 近 终 端 和 基 站 的距离。 2.4 M2M 海量容量优化 目 前 无 线 通 信 系统 的 小 区 容 量 是 考 虑 典 型 的 H2H 终端密度来考虑的, 如手机、 笔记本电脑。传统 系统每个带宽大于 5 MHz 的小区支持 400 个终端, 终端 ID 数量、 参考信号数量、 控制信道数量较小, 资 源分配粒度过大, MAC、 RLC 和 RRC 层 协议 的 处 理 能力不足。

从长远看来, M2M 终 端 的 数 量 很 可 能 超 过 H2H 终端, 且从成本考虑 , 应尽可能不挤占 H2H 终 端的容量, 因此 M2M 系统应具备如下能力: ·支 持 更 大的 用 户 数 量 , 如 200 个 H2H 终 端 +400 个 M2M 终端; · 支持更大的信道容量、 终端 ID 数量、 参考信号 数量和控制信道数量, 采用更精细的资源分配粒度; · 扩展 MAC、 RLC、 RRC 处理能力,同时通过简 化处理过程限制复杂度。 2.5 M2M 低数据率优化 目前无线通信系统的终端最低数据率是考虑典 型 H2H 通信的需求,如电路域话音或 VoIP 的数据 率。但是很多 M2M 终端的的最小数据率比 H2H 终 端低很多, 为了保持有吸引力的资费, 需要大大降低 每线成本, 因此需要降低每线占用的无线资源, 在原 有单位资源中容纳更多的终端并行传输。 2.6 M2M 时间控制优化 目前无线通信系统对时间延迟的控制,是按照
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H2H 典型业务的用户感受要求来考虑的。话音、 实 时数据等实时业务的时延要求为秒量级,非实时业 务的时延要求为分钟量级。 而 M2M 终端的时间控制 和 H2H 终端可能有很大不同。某些 M2M 业务对时 间延迟的容忍度很大,可以达到小时量级;但某些 M2M 业务又对延迟要求很高,可能达到毫秒量级。 因此, 对 M2M 终端的传输可进行优先级控制, 保证 时间控制要求较高的终端优先传输,对时间控制要 求 较 低 的 终 端 可 以 等 到系统 负 载 较 低 的 时 候 再 传 输。 2.7 M2M 低移动性优化 目前的移动通信系统,按照 H2H 通信需求, 均 须支持切换和移动性管理功能,占用了移动通信系 统的相当一部分能 力 , 包括小区间、 频率间、 系统间 的测量和切换。而很多 M2M 终端几乎不需要移动 性, 可以对移动性管理功能进行大幅简化, 以降低成 本和耗电。 2.8 M2M 防盗/防破坏优化 由于 M2M 终端经常置于无人值守的环境, 因此 防盗 / 防破坏的要求很高。 为了满足这些要求, M2M 终端应具备自动上报状态和自动位置上报的能力。

ID 来实现, 可以节省 ID, 节省寻址复杂度。 M2M 终端和 H2H 终端不同,其行为不是完全 随意的。 一组 M2M 终端 (如一组相似类型的传感器 ) 行为相似, 这样就可以将多个总是保持相同状态 (接 入、 附着、 释放 ) 的 M2M 终端分为一组, 共享 1 个终 端 ID。从资源分配的角度, 可以将具有相同的业务 流量模型 (包括相同的数据率、 时延要求等) 和资源 需求量的多个终端分为一组,使终端组内所有终端 的资源需求之和相当于 一 个 传 统 H2H 终 端 的 资 源 需求量。 终端组内有一个终端充当 “组长终端” , 负责 代 表组内所有终端和网络的链路层保持连接, “组员终 端” 对于系统链路层是 “透明的” 。 通过高层 ID (如 IP 地址 ) 进一步区分这个终端组内的各个终端。同时, “组长终端”代表整个终端组向系统请求无线资源, 其他 “组员终端” , 不直接向系统申请资源。而是在 组内所有终端之间形成固定的、 预定义的资源分配。 这样, 系统分配给 “组长终端” 一个资源块, 就相当于 将这个资源块分给了这个终端组。系统的资源指示 信令相当于在终端组内进行广播,组内的所有终端 接收到系统的资源指示信令后,则根据终端组的分 配组员块和自己在组内的具体资源位置发送信息。 基于此分层终端 ID 结构的终端接入 和 资 源 分 配流程如图 3 所示。 · 在网络部署过程中, 对一个终端组内各终端的 资源分配方法进行预定义,即组内各个终端占用分 配给该终端组的资源的哪一部分; · 终端接收网络侧设备接入层发出的系统 同 步 和广播信息, 组长终端和组员终端都接收此信息; · 组长终端代表整个终端组向网络侧设备 接入 层发起接入; · 组长终端和各组员终端分别向网络侧设 备 非 接入层进行注册; · 组长终端代表整个终端组向网络侧设备 接入 层发出资源请求; · 网络侧设备接入层向组长终端发布分配 给 该 终端组的无线资源;

3 分层 M2M 资源分配和接入
针对上述 M2M 的需求, 可提出一系列针对移动 M2M 业务的优化技术,本文重点讨论分层 M2M 资 源分配和接入技术。 M2M 系统 的一 个特 点 是需 要支 持 海 量 的 小 数 据率终端的资源分配和接入,直接缩小资源分配粒 度并增大终端接入数量需要对系统的设计作很大改 动,而采用分层设计可以只对系统做小幅度修改而 取得相似的效果。 这种方法的思想是将终端分成若干组,每个终 端组采用一个终端组 ID, 一个终端组内部的终端再 采用终端 ID 来进一步区分。 这种方式可以用较短的
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· 组内各终端根据第 1 步中预定义的组内 资 源 分配方法,计算出自己应该使用网络侧设备分配给 本组的资源的哪一部分; · 各终端在计算出的资源位置开始和网络 侧 设 备进行通信。

虑如何进行信道估计。 · 频分方案: 即仍保持频率资源分配, 但将每个 用户的频带宽度减小,如将每个信道的带宽缩小到 数 kHz。 这种方案可以直观地实现小数据率 M2M 传 输, 但将改变标准, 无法保持后向兼容性。

4 3GPP 对 M2M 优化技术的研究 进展
只研究那些具 3GPP 并不研究所有的机器通信, 有蜂窝通信模块、通过蜂窝网络进行数据传输的机 器通信, 称之为 MTC (Machine Type Communication ) 。 在 2009 年 9 月 份 的 RAN #45 次 会 议 上 , 3GPP 决定在 R10 启动一个研究针对 MTC 应用的无线网 优化的 Study Item (SI ) : “RAN Improvements for Machine- type Communications” , 相 应 成 果 收 集 在 TR 37.868 中。此 SI 的主要研究工作在 RAN2 进行, 项 目首先对 MTC 典型应用、 业务模型和优化对象等进 行了研究。 经过研究, RAN2 将无线网拥塞确定为首
图 3 基于分层终端 ID 的接入和资源分配流程

要工作重点, 包括 RAN 网络拥塞 (尤其是随机接入 的拥塞问题和信令网络拥塞 ) 。 在 2010 年 9 月的 RAN #49 次全会上, 在 SA 的 推动下, RAN 全 会决 定 成 立一 个 关于 MTC 的新的 WI,用来解决避免大量 MTC 设备接入导致的核心 网过载问题。在 2011 年 3 月份, RAN2 完成了此 WI 并在 RAN 全会上通过 (图 4 ) 。 4.1 随机接入拥塞解决方案 在 3GPP 讨论中,首先统一了 LTE 及 UMTS 系 统的随机接入拥塞的仿真评估。另外, TR 37.868 还 收录了对智能抄表类 MTC 应用、车队管理类 MTC 应用以及地震监测类 MTC 应用的随机接入分析。 关于 如 何 解决 大 量 MTC 设 备 同时 接入 引 起 的 随 机 接入 拥 塞 问 题 ,其 实 可 以 通 过 在 应用 层控 制 MTC 设备的接入时间来解决。比如, 在智能抄表类 的业务中,可以通过在应用层设置不同的上报时间 来避免大量智能水 / 电表同时触发业务上报。 然而,
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由于可以选择 RRC 状态相似 M2M 终端 (如相 似类型的传感器 ) 形成一组, 一个组内的多个终端可 以总是保持相同 RRC 配置,可通过同一个 RRC 连 接来配置整个组的终端。由于 M2M 终端的信令较 少, 一个组的多个终端还可以采用时分、 码分的方式 共享一个控制信道。 另外, M2M 资源分配需要支持小颗粒度的资源 分配, 可能采用的方式包括以下几种。 · 码分方案:即将一个资源块分给多个终端, 终 端之间进一步采用扩频码复用,采用码复用使多个 M2M 终端共享一个最小资源颗粒。这种情况下, 只 要将 M2M 终端采用的扩频码和终端 ID 绑定就可以 了。 · 时分方案: 即将几个 M2M 终端分为一组, 共享 一个资源块, 在一个资源块内的不同符号协同传输。 终端间采用 “预定 义 分 配 ” 避免额外信令, 但需要考

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图 4 3GPP MTC R10 标准化项目进程

在未来的 M2M 用户中,存在着大量的行业用户, 这 些行业用户可能并不完全受运营商的控制,也不了 解蜂窝网络的特性,因而不会从网络利用的角度出 发来考虑设置应用层的接入时间控制。 另外, 在某些 场景中, 比如地震预报, 大量的传感器必须在极短的 时间内上报告警信息,网络必须能够同时处理大量 的信息上报。因而, 也应该寻找无线侧针对 MTC 设 备接入时间的控制方法,这些方案对于应用层是透 明的, 即使应用层没有设置相应的接入时间控制, 网 络也可以从容应付大量 MTC 设备的同时接入。 在 3GPP 的讨论中,确认了以下几种解决随机 接入拥塞的无线侧候选方案。 (1 ) 接入控制方案 在 E- UTRAN 中 , 接 入 控 制 是 由 access class barring 功 能 实 现 的, 用 来 抑 制 过 多 的 流量 , 避免 拥 塞。 当终端要求建立一个连接时, 终端应当首先执行 access class barring 检查。 如果检查成功, 终端才会发 送 RACH 前导, 开始 RRC 连接建立过程。 E- UTRAN 执行 access class barring 的方法是: 通过 小 区 广 播 一 个 barring 因子和 AC barring time。 当 终 端 启 动 层 3 接入 时 , 终 端 抽 取 一 个 随 机 数 , 将这 个 随 机 数 和 barring 因子做比较。 如果这个随机数小于 barring 因 子,终端开始随机接入过程,否则,终端会在 AC barring time 内被阻止接入。因此, 可以为 MTC 设备 引入新的 barring 因子,实现对 MTC 终端的接入控 制。 (2 ) 资源划分方案 大量 MTC 设备的同时接入会 增 大 RACH 信 道 42
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的负载以及 RACH 前导碰撞的概率, 同时也会影响 正常终端的工作, 使正常终端的碰撞概率增加。 可以 通过为 MTC 设备动态地分配 RACH 资源来解决此 问 题: 将 一 些 RACH 资 源 用 于 MTC, 其他 RACH 资 源用于正常终端。这样, MTC 冲突概率的增加不会 影响正常 终 端 , RACH 资 源 分 配 可 以 根 据 网络状 态 而动态调整并在系统信息中广播。 (3 ) 动态 RACH 资源分配方案 此方案主要是 “开源” , 即增 加 RACH 资 源 : 首 先, 可以在时间域 上 增 加 , 即当 eNodeB 检测到随机 接入的高峰正在到来时 (如: preambles 利用率超过 了预定义的门限 ) , 可以通过 paging 或者新的 SIB 来 暂时增加一个或多个子帧作为 PRACH 资源,当高 峰过去以后, 可以取消暂时增加的配置。其次, 也可 以 在 频 率 域 上 增 加 。 目 前 的 LTE 标 准 中 , 用 于 RACH 接入的资源是 6 个 RB。当 eNB 检测到随机 接入的高峰正在到来时, 其可以通过 paging 或者新 的 SIB 来 暂 时增 加 另 外的 6 个 RB 作为 RACH 资 源。 (4 ) MTC 特定的随机接入回退 (backoff ) 方案 在目前的 LTE 中, 普通终端在初始接入时的回 退值设为零, 当初次接入没有成功, eNB 会通知终端 一个具体的回退时间,终端在零和此回退时间内产 生一个随机值, 经过此随机值的时间, 终端才可以重 新发起接入。 此方案的主要思想是为 MTC 引入一个 与普通终端不同的回退方案。 比如, 初始接入时即有 一个非零的回退值, 另外, 回退值的范围也可以比普 通终端的更广。

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(5 ) MTC 特定时隙接入方案 此 方 案 为 MTC 设 备 定 义 一 个 接入 周 期 / 时 隙 (与寻呼周期 / 时隙的概念相似 ) , 每个 MTC 设备只 能在特定的接入时隙内接入,其具体的接入时隙可 以通过其 ID (IMSI ) 来决定。 (6 ) Pull 方案 对于某些 MTC 应用 , 如 智 能 抄 表, 可 以不 允 许 它们进行类似于普通终端的 mobile originating 呼叫。 而是通过 MTC server 控制的方法,即让 MTC server 触发 MME 来寻呼相应的 MTC 设备, 只有被寻呼的 设备才能接入网络发送它们的数据。目前的寻呼消 息必须包含每个被寻呼终端的 ID, 只有符合终端 ID 的终端设备会回应寻呼消息。 此方案提出引入组 ID 的 概念 , 可 以 在 寻 呼 消 息中发 送 这 个组 ID, 所有 属 于这 个组 ID 的 MTC 设 备 都 会 回 应 这 个 paging 消 息。通过使用组 ID, 极大减少了寻呼开销。另外, 可 以 通 过 设 置 组 的大 小 , 来控 制 同时 接入无 线 网的 MTC 设备数量。

起 RRC 连接。

5 结语
对针对移动 M2M 业务的优化技术的 研究 才 刚 刚开始,由于这些优化技术不可避免地会改变现有 移动通信标准, 3GPP 对这些技术方案的态度都是十 分谨慎的, 到目前为止, 标准化了针对核心网拥塞的 无线侧解决方案, 核心原因是因为目前 M2M 业务还 不是移动运营商的核心业务。 随着我国 M2M 业务在 运营商营收中的比例提高,产业界会给与这些优化 技术更多的重视,移动通信技术也终将会因此迎来 大的变革。
参考文献
[1] 3GPP TR 37.868, RAN Improvements for Machine- type Communications [2] R2- 101974, “Prioritization of NIMTC functions in Rel- 10” , 3GPP RAN2 #69 bis [3] 沈嘉 . 移动 通 信 网络 和传 感 器 网络的 融 合 [J]. 现代电信科技 ,2008 (12) [4] 刘思杨.LTE- Advanced 增强型技术空口协议最新进展[J].现代电信 科技, 2011,(3):46- 53

MSTT

4.2 针对核心网拥塞的无线侧解决方案 当 核心 网拥 塞 时 , E- UTRAN 应 当 识别 并及 时 拒绝掉一些低优先级 MTC 终端的接入, 以保证高优 先级终端 (包括高优先级 MTC 终端 ) 的传输。为此, 3GPP 决 定 为 终 端 引 入 一 个 “delay tolerant” 指示, 当 终端使用此指示时,表明其可以在网络拥塞时忍受 较长的延迟。 值得注意的是, MTC 应用也千差万别,并不是 所有的 MTC 应用都可以忍受较长的延迟。比如, 用 于地震预警的传感网络, 即使在网络拥塞时, 也必须 尽快的让其接入并传送数据。 因此是否将 MTC 应用 映射到 “delay tolerant” 上, 由运营商在 NAS 层配置。 当核心网处于 拥 塞 状 态 时 , eNB 可 以 通 过 拒 绝 或释放掉那些对时延容忍度比较高的连接,并反馈 一个等待时间值 (最大值为 1 800 s ) 。当终端收到上 述消息后,会在终端侧按照这个等待时间启动一个 计时器, 在计时器到期前, 相应 的 MTC 应用不 再 发

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