M2M的移動(dòng)通信優(yōu)化技術(shù)

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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，發(fā)揮移動(dòng)通信覆蓋廣、可靠性高、傳輸延遲小等特點(diǎn)，形成分層移動(dòng)M2M網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于移動(dòng)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(dòng)通信技術(shù)畢竟是面向人與人(H2H)通信業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的效率、成本和適用性都無法達(dá)到最優(yōu)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)和移動(dòng)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(dòng)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(gè)產(chǎn)業(yè)的諸多發(fā)展瓶頸，大大擴(kuò)展兩個(gè)產(chǎn)業(yè)的業(yè)務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域，帶來很多新的機(jī)遇。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信的結(jié)合

本文對(duì)面向M2M業(yè)務(wù)的移動(dòng)通信優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了探討。首先，通過對(duì)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(duì)3GPP在M2M優(yōu)化技術(shù)方面的研究工作做了簡(jiǎn)單介紹。

2 移動(dòng)M2M通信系統(tǒng)架構(gòu)

如圖2所示，基于移動(dòng)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(diǎn)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(dòng)終端功能的WSN網(wǎng)關(guān)回傳到移動(dòng)通信系統(tǒng)。也可以由移動(dòng)基站直接連接具有移動(dòng)終端能力的傳感器，此時(shí)這些傳感器既是WSN節(jié)點(diǎn)，也是WSN網(wǎng)關(guān)。這種結(jié)構(gòu)完全不需要WSN節(jié)點(diǎn)之間的自組網(wǎng)，可以最大限度地降低傳輸延遲，支持對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的監(jiān)控應(yīng)用。移動(dòng)終端(如手機(jī)、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(diǎn)和WSN網(wǎng)關(guān)使用，構(gòu)建個(gè)域WSN網(wǎng)絡(luò)。

圖2 與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的WSN網(wǎng)絡(luò)

3 移動(dòng)M2M系統(tǒng)優(yōu)化方向

現(xiàn)有的3G，LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)從其最根本的設(shè)計(jì)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(jìn)，但由于沒有針對(duì)M2M通信特點(diǎn)進(jìn)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(gè)方面進(jìn)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(jī)”和“高端手機(jī)”，尤其是新一代寬帶無線通信系統(tǒng)，終端能力呈上升趨勢(shì)。具體參數(shù)包括：

(1)射頻頻帶：通常要求支持十幾個(gè)頻點(diǎn)。

(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(gè)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)緩存大小：通常支持很大的緩存。

(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(dòng)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(jiǎn)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(jiǎn)單的移動(dòng)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?yàn)榻K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(shí)間短；需要支持自適應(yīng)操作的大量測(cè)量、反饋、信令；需要支持切換和移動(dòng)性管理的大量測(cè)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(dòng)性管理的，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

(1)設(shè)計(jì)更長(zhǎng)周期的預(yù)定義接收。

(2)設(shè)計(jì)更長(zhǎng)周期的DRX周期。

(3)設(shè)計(jì)更有效的持續(xù)調(diào)度策略，最大限度簡(jiǎn)化測(cè)量、反饋和信令。

(4)簡(jiǎn)化移動(dòng)性管理，最大限度簡(jiǎn)化測(cè)量、反饋和信令。

3.3 M2M覆蓋擴(kuò)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(chǎng)景，容量和覆蓋的平衡點(diǎn)也依照典型H2H通信場(chǎng)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(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的覆蓋能力進(jìn)行增強(qiáng)，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?fù)淅K端和基站的距離。

3.4 M2M海量容量?jī)?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(jī)、筆記本電腦。傳統(tǒng)系統(tǒng)每個(gè)帶寬大于5MHz的小區(qū)支持400個(gè)終端，終端ID數(shù)量、參考信號(hào)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(zhǎng)遠(yuǎn)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(gè)H2H終端+400個(gè)M2M終端。

(2)支持更大的信道容量、終端ID數(shù)量、參考信號(hào)數(shù)量和控制信道數(shù)量，采用更精細(xì)的資源分配粒度。

(3)擴(kuò)展的MAC，RLC，RRC處理能力，同時(shí)通過簡(jiǎn)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(fèi)，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(shí)間控制優(yōu)化