M2M的移動(dòng)通信優(yōu)化技術(shù)

無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)時(shí)間延遲的控制，是按照H2H典型業(yè)務(wù)的用戶感受要求來(lái)考慮的。話音、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的時(shí)延要求為秒量級(jí)，非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的時(shí)延要求為分鐘量級(jí)。而M2M終端的時(shí)間控制和H2H終端可能有很大不同。某些M2M業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)間延遲的容忍度很大，可以達(dá)到小時(shí)量級(jí)；但某些M2M業(yè)務(wù)又對(duì)延遲要求很高，可能達(dá)到毫秒量級(jí)。因此，對(duì)M2M終端的傳輸可進(jìn)行優(yōu)先級(jí)控制，保證時(shí)間控制要求較高的終端優(yōu)先傳輸，對(duì)時(shí)間控制要求較低的終端可以等到系統(tǒng)負(fù)載較低的時(shí)候再傳輸。

3.7 M2M低移動(dòng)性優(yōu)化

移動(dòng)通信系統(tǒng)按照H2H通信需求，均須支持切換和移動(dòng)性管理功能，占用了移動(dòng)通信系統(tǒng)的相當(dāng)一部分功能。包括小區(qū)間、頻率間、系統(tǒng)間的測(cè)量和切換。而很多M2M終端幾乎不需要移動(dòng)性，可以對(duì)移動(dòng)性管理功能進(jìn)行大幅簡(jiǎn)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(wú)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(dòng)上報(bào)狀態(tài)和自動(dòng)位置上報(bào)的能力。

4 分層M2M資源分配和接入

針對(duì)上述M2M需求，可提出一系列面向M2M的移動(dòng)通信優(yōu)化技術(shù)，本文重點(diǎn)討論分層M2M資源分配和接入技術(shù)。

M2M系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)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(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做很大改動(dòng)，而采用分層設(shè)計(jì)可以只對(duì)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(gè)終端組采用一個(gè)終端組ID，一個(gè)終端組內(nèi)部的終端再采用終端ID來(lái)進(jìn)一步區(qū)分。這種方式可以用較短的ID來(lái)實(shí)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(gè)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(gè)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(shí)延要求等)和資源需求量的多個(gè)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(dāng)于一個(gè)傳統(tǒng)H2H終端的資源需求量。

終端組內(nèi)有一個(gè)終端充當(dāng)“組長(zhǎng)終端”，組長(zhǎng)終端負(fù)責(zé)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(duì)于系統(tǒng)鏈路層是“透明的”。通過(guò)高層ID(如IP地址)進(jìn)一步區(qū)分這個(gè)終端組內(nèi)的各個(gè)終端。同時(shí)，“組長(zhǎng)終端”代表整個(gè)終端組向系統(tǒng)請(qǐng)求無(wú)線資源，其他“組員終端”，不直接向系統(tǒng)申請(qǐng)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(zhǎng)終端”一個(gè)資源塊，就相當(dāng)于將這個(gè)資源塊分給了這個(gè)終端組。系統(tǒng)的資源指示信令相當(dāng)于在終端組內(nèi)進(jìn)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?；诖朔謱咏K端ID結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)部署過(guò)程中，對(duì)一個(gè)終端組內(nèi)各終端的資源分配方法進(jìn)行預(yù)定義，即組內(nèi)各個(gè)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(zhǎng)終端和組員終端都接收此信息。

(3)組長(zhǎng)終端代表整個(gè)終端組向網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備接入層發(fā)起接入。

(4)組長(zhǎng)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(jìn)行注冊(cè)。

(5)組長(zhǎng)終端代表整個(gè)終端組向網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備接入層發(fā)出資源請(qǐng)求。

(6)網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備接入層向組長(zhǎng)終端發(fā)布分配給該終端組的無(wú)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(jì)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(jì)算出的資源位置開始和網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備進(jìn)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(gè)組內(nèi)的多個(gè)終端可以總是保持相同RRC配置，可通過(guò)同一個(gè)RRC連接來(lái)配置整個(gè)組的終端。由于M2M終端的信令較少，一個(gè)組的多個(gè)終端還可以采用時(shí)分、碼分的方式共享一個(gè)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(gè)資源塊分給多個(gè)終端，終端之間進(jìn)一步采用擴(kuò)頻碼復(fù)用，采用碼復(fù)用使多個(gè)M2M終端共享一個(gè)最小資源顆粒。這種情況下，只要將M2M終端采用的擴(kuò)頻碼和終端ID綁定就可以。

●時(shí)分方案：即將幾個(gè)M2M終端分為一組，共享一個(gè)資源塊，在一個(gè)資源塊內(nèi)的不同符號(hào)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(jìn)行信道估計(jì)。

●頻分方案：即仍保持頻率資源分配，只是將每個(gè)用戶的頻帶寬度減小，如將每個(gè)信道的帶寬縮小到數(shù)kHz。這種方案可以直觀地實(shí)現(xiàn)小數(shù)據(jù)率M2M傳輸，將改變標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法保持后向兼容性。

5 3GPP對(duì)M2M優(yōu)化技術(shù)的研究進(jìn)展

3GPP并不研究所有的機(jī)器通信，只研究具有蜂窩通信模塊、通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)器通信，稱之為MTC(Machine Type Communication)。

在2009年9月份的RAN #45次會(huì)議上，3GPP決定在R10啟動(dòng)一個(gè)研究針對(duì)MTC應(yīng)用的無(wú)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(jìn)行，項(xiàng)目首先對(duì)MTC典型應(yīng)用、業(yè)務(wù)模型和優(yōu)化對(duì)象等進(jìn)行研究。經(jīng)過(guò)研究，RAN2將無(wú)線網(wǎng)擁塞確定為首要工作重點(diǎn)，包括RAN網(wǎng)絡(luò)擁塞(尤其是隨機(jī)接入的擁塞問(wèn)題和信令網(wǎng)絡(luò)擁塞)。

在2010年9月的RAN #49次全會(huì)上，在SA的推動(dòng)下，RAN全會(huì)決定成立一個(gè)關(guān)于MTC的新的WI，用來(lái)解決避免大量MTC設(shè)備接入導(dǎo)致的核心網(wǎng)過(guò)載問(wèn)題。2011年3月份，RAN2完成了此WI并在RAN全會(huì)上通過(guò)。圖4所示的是3GPP MTC R10標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目進(jìn)程情況。