面向M2M的移動(dòng)通信系統優(yōu)化技術(shù)研究

　　摘要：傳感器網(wǎng)絡(luò )和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )相結合已經(jīng)成為必然的趨勢。但現有的3G，LTE移動(dòng)通信系統的設計目標是人與人(H2H)通信，沒(méi)有針對機器間(M2M)通信特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，難以適應M2M業(yè)務(wù)復雜的應用環(huán)境和海量的用戶(hù)容量。本文對面向M2M業(yè)務(wù)的移動(dòng)通信優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了探討，同時(shí)對3GPP在M2M優(yōu)化技術(shù)方面的研究工作做了簡(jiǎn)單介紹。
　　1 引言
　　隨著(zhù)物—物(M2M)通信業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，傳統傳感器網(wǎng)絡(luò )承載M2M業(yè)務(wù)面臨越來(lái)越多的局限性和挑戰，急需將傳感器網(wǎng)絡(luò )和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )相結合，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 )。對于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，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，傳統移動(dòng)通信技術(shù)畢竟是面向人與人(H2H)通信業(yè)務(wù)設計的，適應H2H的業(yè)務(wù)需求。而M2M終端無(wú)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。完全沿用傳統移動(dòng)通信系統設計，系統的效率、成本和適用性都無(wú)法達到最優(yōu)。
　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)和移動(dòng)通信的結合，既是無(wú)線(xiàn)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，這種結合可以解決兩個(gè)產(chǎn)業(yè)的諸多發(fā)展瓶頸，大大擴展兩個(gè)產(chǎn)業(yè)的業(yè)務(wù)應用領(lǐng)域，帶來(lái)很多新的機遇。
 圖:無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和移動(dòng)通信的結合
　　2 移動(dòng)M2M通信系統架構
　　如圖2所示，基于移動(dòng)通信系統的WSN網(wǎng)絡(luò )可以靈活支持各種規模的WSN網(wǎng)絡(luò )。可以由WSN節點(diǎn)通過(guò)有限的分層匯聚構成一定規模的WSN網(wǎng)絡(luò )后，通過(guò)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。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節點(diǎn)，也是WSN網(wǎng)關(guān)。這種結構完全不需要WSN節點(diǎn)之間的自組網(wǎng)，可以最大限度地降低傳輸延遲，支持對實(shí)時(shí)性要求很高的監控應用。移動(dòng)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(diǎn)和WSN網(wǎng)關(guān)使用，構建個(gè)域WSN網(wǎng)絡(luò )。

　　3 移動(dòng)M2M系統優(yōu)化方向
　　現有的3G，LTE移動(dòng)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(zhù)技術(shù)的發(fā)展其自身在不斷地完善和演進(jìn)，但由于沒(méi)有針對M2M通信特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，仍難以完全適應M2M業(yè)務(wù)復雜的應用環(huán)境，無(wú)法滿(mǎn)足海量M2M接入的需要。因此為了適應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(lèi)型的優(yōu)化
　　目前，無(wú)線(xiàn)通信系統的終端類(lèi)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(wú)線(xiàn)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(gè)頻點(diǎn)。
　　(2)多種帶寬處理能力：如5MHz，10MHz，20MHz。
　　(3)多天線(xiàn)處理能力：最大支持4個(gè)天線(xiàn)端口的MIMO接收。
　　(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(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(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(tài)下需要周期性接收系統廣播信道；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；需要支持自適應操作的大量測量、反饋、信令；需要支持切換和移動(dòng)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(fā)送接收、不需切換和移動(dòng)性管理的，主要表現在以下幾方面：
　　(1)設計更長(cháng)周期的預定義接收。
　　(2)設計更長(cháng)周期的DRX周期。
　　(3)設計更有效的持續調度策略，最大限度簡(jiǎn)化測量、反饋和信令。
　　(4)簡(jiǎn)化移動(dòng)性管理，最大限度簡(jiǎn)化測量、反饋和信令。
　　3.3 M2M覆蓋擴展優(yōu)化
　　目前無(wú)線(xiàn)通信系統主要考慮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(dòng)通信系統的覆蓋能力進(jìn)行增強，如：
　　(1)通過(guò)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(xiàn)。
　　(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?jì)?yōu)化
　　目前無(wú)線(xiàn)通信系統的小區容量是以典型的H2H終端密度來(lái)考慮的，如手機、筆記本電腦。傳統系統每個(gè)帶寬大于5MHz的小區支持400個(gè)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(guò)大，MAC，RLC和RRC層協(xié)議的處理能力不足。
　　從長(cháng)遠看來(lái)，M2M終端的數量很可能超過(guò)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(hù)數量，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(shí)通過(guò)簡(jiǎn)化處理過(guò)程限制復雜度。
　　3.5 M2M低數據率優(yōu)化
　　目前無(wú)線(xiàn)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(huà)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(xiàn)成本，需要降低每線(xiàn)占用的無(wú)線(xiàn)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
　　無(wú)線(xiàn)通信系統對時(shí)間延遲的控制，是按照H2H典型業(yè)務(wù)的用戶(hù)感受要求來(lái)考慮的。話(huà)音、實(shí)時(shí)數據等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的時(shí)延要求為秒量級，非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的時(shí)延要求為分鐘量級。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)對時(shí)間延遲的容忍度很大，可以達到小時(shí)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(jìn)行優(yōu)先級控制，保證時(shí)間控制要求較高的終端優(yōu)先傳輸，對時(shí)間控制要求較低的終端可以等到系統負載較低的時(shí)候再傳輸。
　　3.7 M2M低移動(dòng)性?xún)?yōu)化
　　移動(dòng)通信系統按照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(dòng)性，可以對移動(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(mǎn)足這些要求，M2M終端應具備自動(dòng)上報狀態(tài)和自動(dòng)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(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系統的一個(gè)特點(diǎn)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(dòng)，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(gè)終端組采用一個(gè)終端組ID，一個(gè)終端組內部的終端再采用終端ID來(lái)進(jìn)一步區分。這種方式可以用較短的ID來(lái)實(shí)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(lèi)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(zhù)、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(包括相同的數據率、時(shí)延要求等)和資源需求量的多個(gè)終端分為一組，使終端組內所有終端的資源需求之和相當于一個(gè)傳統H2H終端的資源需求量。
　　

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