面向M2M的移動通信系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)研究
2012/02/02
摘要：傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合已經(jīng)成為必然的趨勢。但現(xiàn)有的3G，LTE移動通信系統(tǒng)的設(shè)計目標是人與人(H2H)通信，沒有針對機器間(M2M)通信特點進行優(yōu)化，難以適應(yīng)M2M業(yè)務(wù)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境和海量的用戶容量。本文對面向M2M業(yè)務(wù)的移動通信優(yōu)化技術(shù)進行了探討，同時對3GPP在M2M優(yōu)化技術(shù)方面的研究工作做了簡單介紹。
1 引言
隨著物—物(M2M)通信業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)承載M2M業(yè)務(wù)面臨越來越多的局限性和挑戰(zhàn)，急需將傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，發(fā)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(wǎng)絡(luò)。對于移動通信網(wǎng)絡(luò)來說，其終端既可以是傳感器網(wǎng)關(guān)，也可以是傳感器本身。
但是，傳統(tǒng)移動通信技術(shù)畢竟是面向人與人(H2H)通信業(yè)務(wù)設(shè)計的，適應(yīng)H2H的業(yè)務(wù)需求。而M2M終端無論是從傳輸特性、QoS要求、移動性，還是從終端的分布密度方面都與H2H終端有很大不同。完全沿用傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)的效率、成本和適用性都無法達到最優(yōu)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)和移動通信的結(jié)合，既是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，也是移動通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，如圖1所示，這種結(jié)合可以解決兩個產(chǎn)業(yè)的諸多發(fā)展瓶頸，大大擴展兩個產(chǎn)業(yè)的業(yè)務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域，帶來很多新的機遇。
圖:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動通信的結(jié)合
本文對面向M2M業(yè)務(wù)的移動通信優(yōu)化技術(shù)進行了探討。首先，通過對傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性研究，給出了一種M2M業(yè)務(wù)流量建模方法，在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化方向，并提出了一些優(yōu)化技術(shù)方案。另外，本文也對3GPP在M2M優(yōu)化技術(shù)方面的研究工作做了簡單介紹。
2 移動M2M通信系統(tǒng)架構(gòu)
如圖2所示，基于移動通信系統(tǒng)的WSN網(wǎng)絡(luò)可以靈活支持各種規(guī)模的WSN網(wǎng)絡(luò)�？梢杂蒞SN節(jié)點通過有限的分層匯聚構(gòu)成一定規(guī)模的WSN網(wǎng)絡(luò)后，通過具有移動終端功能的WSN網(wǎng)關(guān)回傳到移動通信系統(tǒng)。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(jié)點，也是WSN網(wǎng)關(guān)。這種結(jié)構(gòu)完全不需要WSN節(jié)點之間的自組網(wǎng)，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(jiān)控應(yīng)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(jié)點和WSN網(wǎng)關(guān)使用，構(gòu)建個域WSN網(wǎng)絡(luò)。
圖:與移動通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的WSN網(wǎng)絡(luò)
3 移動M2M系統(tǒng)優(yōu)化方向
現(xiàn)有的3G，LTE移動通信系統(tǒng)從其最根本的設(shè)計需求上講是解決人與人(H2H)通信，盡管隨著技術(shù)的發(fā)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(yōu)化，仍難以完全適應(yīng)M2M業(yè)務(wù)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，無法滿足海量M2M接入的需要。因此為了適應(yīng)M2M業(yè)務(wù)的需求，需要在如下幾個方面進行優(yōu)化。
3.1 M2M新型終端類型的優(yōu)化
目前，無線通信系統(tǒng)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(tǒng)，終端能力呈上升趨勢。具體參數(shù)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。
(3)多天線處理能力：最大支持4個天線端口的MIMO接收。
(4)數(shù)據(jù)吞吐量能力：最大支持100Mbit/s以上吞吐量。
(5)緩存大�。和ǔＶС趾艽蟮木彺妗�
(6)異頻和異系統(tǒng)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(yōu)化
目前無線通信系統(tǒng)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(tài)下需要周期性接收系統(tǒng)廣播信道；在激活狀態(tài)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(yīng)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(shù)據(jù)模型單一、周期性發(fā)送接收、不需切換和移動性管理的，主要表現(xiàn)在以下幾方面：
(1)設(shè)計更長周期的預(yù)定義接收。
(2)設(shè)計更長周期的DRX周期。
(3)設(shè)計更有效的持續(xù)調(diào)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(yōu)化
目前無線通信系統(tǒng)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(huán)境更惡劣的位置，考慮更惡劣的鏈路預(yù)算，因此M2M系統(tǒng)在覆蓋方面提出了更高的需求，需要考慮對移動通信系統(tǒng)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(yù)算。
(2)采用增益更高的射頻器件和天線。
(3)采用Relay等新型網(wǎng)絡(luò)拓撲拉近終端和基站的距離。
3.4 M2M海量容量優(yōu)化
目前無線通信系統(tǒng)的小區(qū)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(tǒng)系統(tǒng)每個帶寬大于5MHz的小區(qū)支持400個終端，終端ID數(shù)量、參考信號數(shù)量、控制信道數(shù)量較小，資源分配粒度過大，MAC，RLC和RRC層協(xié)議的處理能力不足。
從長遠看來，M2M終端的數(shù)量很可能超過H2H終端，且從成本考慮，應(yīng)盡可能不擠占H2H終端的容量，因此M2M系統(tǒng)應(yīng)具備如下能力：
(1)支持更大的用戶數(shù)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(shù)量、參考信號數(shù)量和控制信道數(shù)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(fù)雜度。
3.5 M2M低數(shù)據(jù)率優(yōu)化
目前無線通信系統(tǒng)的終端最低數(shù)據(jù)率是考慮典型H2H通信的需求，如電路域話音或VoIP的數(shù)據(jù)率。但是很多M2M終端的最小數(shù)據(jù)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(yōu)化
無線通信系統(tǒng)對時間延遲的控制，是按照H2H典型業(yè)務(wù)的用戶感受要求來考慮的。話音、實時數(shù)據(jù)等實時業(yè)務(wù)的時延要求為秒量級，非實時業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)對時間延遲的容忍度很大，可以達到小時量級；但某些M2M業(yè)務(wù)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(yōu)先級控制，保證時間控制要求較高的終端優(yōu)先傳輸，對時間控制要求較低的終端可以等到系統(tǒng)負載較低的時候再傳輸。
3.7 M2M低移動性優(yōu)化
移動通信系統(tǒng)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(tǒng)的相當一部分功能。包括小區(qū)間、頻率間、系統(tǒng)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(yōu)化
由于M2M終端經(jīng)常置于無人值守的環(huán)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(yīng)具備自動上報狀態(tài)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(yōu)化技術(shù)，本文重點討論分層M2M資源分配和接入技術(shù)。
M2M系統(tǒng)的一個特點是需要支持海量的小數(shù)據(jù)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(shù)量，需要對系統(tǒng)的設(shè)計做很大改動，而采用分層設(shè)計可以只對系統(tǒng)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(nèi)部的終端再采用終端ID來進一步區(qū)分。這種方式可以用較短的ID來實現(xiàn)，可以節(jié)省ID，節(jié)省尋址復(fù)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(tài)(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(yè)務(wù)流量模型(包括相同的數(shù)據(jù)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(nèi)所有終端的資源需求之和相當于一個傳統(tǒng)H2H終端的資源需求量。
終端組內(nèi)有一個終端充當“組長終端”，組長終端負責代表組內(nèi)所有終端和網(wǎng)絡(luò)的鏈路層保持連接，“組員終端”對于系統(tǒng)鏈路層是“透明的”。通過高層ID(如IP地址)進一步區(qū)分這個終端組內(nèi)的各個終端。同時，“組長終端”代表整個終端組向系統(tǒng)請求無線資源，其他“組員終端”，不直接向系統(tǒng)申請資源。而是在組內(nèi)所有終端之間形成固定的、預(yù)定義的資源分配。這樣，系統(tǒng)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(tǒng)的資源指示信令相當于在終端組內(nèi)進行廣播，組內(nèi)的所有終端接收到系統(tǒng)的資源指示信令后，根據(jù)終端組的分配組員塊和自己在組內(nèi)的具體資源位置發(fā)送信息。基于此分層終端ID結(jié)構(gòu)的終端接入和資源分配流程如圖所示：
圖:基于分層終端ID的接入和資源分配流程
(1)在網(wǎng)絡(luò)部署過程中，對一個終端組內(nèi)各終端的資源分配方法進行預(yù)定義，即組內(nèi)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(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備接入層發(fā)出的系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備接入層發(fā)起接入。
(4)組長終端和各組員終端分別向網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備非接入層進行注冊。
(5)組長終端代表整個終端組向網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備接入層發(fā)出資源請求。
(6)網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備接入層向組長終端發(fā)布分配給該終端組的無線資源。
(7)組內(nèi)各終端根據(jù)第1步中預(yù)定義的組內(nèi)資源分配方法，計算出自己應(yīng)該使用網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)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(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備進行通信。
由于可以選擇RRC狀態(tài)相似的M2M終端(如相似類型的傳感器)形成一組，一個組內(nèi)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(fù)用，采用碼復(fù)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(nèi)的不同符號協(xié)同傳輸。終端間采用“預(yù)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(shù)kHz。這種方案可以直觀地實現(xiàn)小數(shù)據(jù)率M2M傳輸，將改變標準，無法保持后向兼容性。
5 3GPP對M2M優(yōu)化技術(shù)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(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C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(yīng)用的無線網(wǎng)優(yōu)化的Study Item(SI)：“RAN Improvements for Machine-type Communications”，相應(yīng)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(yīng)用、業(yè)務(wù)模型和優(yōu)化對象等進行研究。經(jīng)過研究，RAN2將無線網(wǎng)擁塞確定為首要工作重點，包括RAN網(wǎng)絡(luò)擁塞(尤其是隨機接入的擁塞問題和信令網(wǎng)絡(luò)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(guān)于MTC的新的WI，用來解決避免大量MTC設(shè)備接入導(dǎo)致的核心網(wǎng)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: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(tǒng)一了LTE及UMTS系統(tǒng)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(yīng)用、車隊管理類MTC應(yīng)用以及地震監(jiān)測類MTC應(yīng)用的隨機接入分析。
關(guān)于如何解決大量MTC設(shè)備同時接入引起的隨機接入擁塞問題，可以通過在應(yīng)用層控制MTC設(shè)備的接入時間來解決，比如：在智能抄表類的業(yè)務(wù)中，可以通過在應(yīng)用層設(shè)置不同的上報時間來避免大量智能水/電表同時觸發(fā)業(yè)務(wù)上報。然而，在未來的M2M用戶中，存在著大量的行業(yè)用戶，這些行業(yè)用戶可能并不完全受運營商的控制，也不了解蜂窩網(wǎng)絡(luò)的特性，因而不會從網(wǎng)絡(luò)利用的角度出發(fā)來考慮設(shè)置應(yīng)用層的接入時間控制。在某些場景中，比如地震預(yù)報，大量的傳感器必須在極短的時間內(nèi)上報告警信息，網(wǎng)絡(luò)必須能夠同時處理大量的信息上報。因而也應(yīng)該尋找無線側(cè)針對MTC設(shè)備接入時間的控制方法，這些方案對于應(yīng)用層是透明的，即使應(yīng)用層沒有設(shè)置相應(yīng)的接入時間控制，網(wǎng)絡(luò)也可以從容應(yīng)付大量MTC設(shè)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(cè)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(xiàn)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(yīng)當首先執(zhí)行Access Class Barring檢查。如果檢查成功，終端才會發(fā)送RACH前導(dǎo)，開始RRC連接建立過程。E-UTRAN執(zhí)行Access Class Barring的方法是：通過小區(qū)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(shù)，將這個隨機數(shù)和Barring因子做比較。如果這個隨機數(shù)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(nèi)被阻止接入。因此，可以為MTC設(shè)備引入新的Barring因子，實現(xiàn)對MTC終端的接入控制。
(2)資源劃分方案
大量MTC設(shè)備的同時接入會增大RACH信道的負載，以及RACH前導(dǎo)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(shè)備動態(tài)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(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)而動態(tài)調(diào)整并在系統(tǒng)信息中廣播。
(3)動態(tài)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(yù)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(shè)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(nèi)產(chǎn)生一個隨機值，經(jīng)過此隨機值的時間，終端才可以重新發(fā)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(shè)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(shè)備只能在特定的接入時隙內(nèi)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(yīng)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(fā)MME來尋呼相應(yīng)的MTC設(shè)備，只有被尋呼的設(shè)備才能接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)送它們的數(shù)據(jù)。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(shè)備會回應(yīng)尋呼消息。此方案引入了組ID的概念，可以在尋呼消息中發(fā)送這個組ID，所有屬于這個組ID的MTC設(shè)備都會回應(yīng)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(shè)置組的大小，來控制同時接入無線網(wǎng)的MTC設(shè)備數(shù)量。
5.2 針對核心網(wǎng)擁塞的無線側(cè)解決方案
當核心網(wǎng)擁塞時，E-UTRAN應(yīng)當識別并及時拒絕掉一些低優(yōu)先級MTC終端的接入，以保證高優(yōu)先級終端(包括高優(yōu)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(wǎng)絡(luò)擁塞時忍受較長的延遲。
值得注意的是，MTC應(yīng)用也千差萬別，并不是所有的MTC應(yīng)用都可以忍受較長的延遲，比如，用于地震預(yù)警的傳感網(wǎng)絡(luò)，即使在網(wǎng)絡(luò)擁塞時，也必須盡快地讓其接入并傳送數(shù)據(jù)。因此是否將MTC應(yīng)用映射到“Delay Tolerant”上，由運營商在NAS層配置。
當核心網(wǎng)處于擁塞狀態(tài)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(cè)按照這個等待時間啟動一個計時器，在計時器到期前，相應(yīng)的MTC應(yīng)用不再發(fā)起RRC連接。
6 結(jié)束語
對面向M2M的移動通信系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)的研究才剛剛開始，由于這些優(yōu)化技術(shù)不可避免地會改變現(xiàn)有移動通信標準，3GPP對這些技術(shù)方案的態(tài)度都是十分謹慎的，到目前為止標準化了針對核心網(wǎng)擁塞的無線側(cè)解決方案，核心原因是因為目前M2M業(yè)務(wù)還不是移動運營商的核心業(yè)務(wù)。隨著M2M業(yè)務(wù)在運營商營收中的比例提高，產(chǎn)業(yè)界會給與這些優(yōu)化技術(shù)更多的重視，移動通信技術(shù)也終將會迎來更大的變革。
通信世界網(wǎng)
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