M2M技術(shù)課程論文

摘

要

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)信息化水平的日益提高，如何構(gòu)建一個(gè)以“無處不在的網(wǎng)絡(luò)”為目標(biāo)的泛在網(wǎng)絡(luò)社會(huì)成為許多國家的政府、學(xué)術(shù)界以及運(yùn)營企業(yè)高度關(guān)注的課題。2015年兩會(huì)期間，李克強(qiáng)在政府工作報(bào)告中提出：新興產(chǎn)業(yè)和新興業(yè)態(tài)是競爭高地。要實(shí)施高端裝備、信息網(wǎng)絡(luò)、集成電路、新能源、新材料、生物醫(yī)藥、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等重大項(xiàng)目，把一批新興產(chǎn)業(yè)培育成主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。制定“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，推動(dòng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等與現(xiàn)代制造業(yè)結(jié)合，促進(jìn)電子商務(wù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)金融健康發(fā)展，引導(dǎo)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)拓展國際市場(chǎng)。國家已設(shè)立400億元新興產(chǎn)業(yè)創(chuàng)業(yè)投資引導(dǎo)基金，要整合籌措更多資金，為產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新加油助力。M2M被正式納入國家《信息產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展十二五規(guī)劃及2020年中長期規(guī)劃綱要》的重點(diǎn)扶持項(xiàng)目。目前歐洲M2M市場(chǎng)已比較成熟，產(chǎn)業(yè)鏈較完整。在亞太地區(qū)，日本和韓國的M2M市場(chǎng)發(fā)展較快，在中國，各通信運(yùn)營商都在緊鑼密鼓地制定計(jì)劃或?qū)⑵渫茝V。M2M無線應(yīng)用正生逢其時(shí)，通過無線技術(shù)將泛在網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)單元——將人類社會(huì)的有形物資連成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)以人為本，所有人與人、物與物、人與物之間的連接。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)。本文也對(duì)3GPP在M2M優(yōu)化技術(shù)方面的研究工作做了簡單介紹。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)。可以由WSN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。3.6M2M時(shí)間控制優(yōu)化無線通信系統(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。3.7M2M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)行大幅簡化，以降低成本和耗電。3.8M2M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(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來進(jìn)一步區(qū)分。這種方式可以用較短的ID來實(shí)現(xiàn)，可以節(jié)省ID，節(jié)省尋址復(fù)雜度。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)?！耦l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)，無法保持后向兼容性。53GPP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(MachineTypeCommunication)。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)用的無線網(wǎng)優(yōu)化的StudyItem(SI)：“RANImprovementsforMachine-typeCommunications”，相應(yīng)成果收集在TR37.868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)過研究，RAN2將無線網(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(huì)上通過。5.1隨機(jī)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(jī)接入擁塞的仿真評(píng)估。另外，TR37.868還收錄了對(duì)智能抄表類MTC應(yīng)用、車隊(duì)管理類MTC應(yīng)用以及地震監(jiān)測(cè)類MTC應(yīng)用的隨機(jī)接入分析。關(guān)于如何解決大量MTC設(shè)備同時(shí)接入引起的隨機(jī)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(shí)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(bào)時(shí)間來避免大量智能水/電表同時(shí)觸發(fā)業(yè)務(wù)上報(bào)。在3GPP的討論中，確認(rèn)了以下幾種解決隨機(jī)接入擁塞的無線側(cè)候選方案：(1)資源劃分方案大量MTC設(shè)備的同時(shí)接入會(huì)增大RACH信道的負(fù)載，以及RACH前導(dǎo)碰撞的概率，同時(shí)也會(huì)影響正常終端的工作，使正常終端的碰撞概率也增加?？梢酝ㄟ^為MTC設(shè)備動(dòng)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(huì)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(dòng)態(tài)調(diào)整并在系統(tǒng)信息中廣播。(2)MTC特定的隨機(jī)接入回退(Backoff)方案在目前的LTE中，普通終端在初始接入時(shí)的回退值設(shè)為零，當(dāng)初次接入沒有成功，eNB會(huì)通知終端一個(gè)具體的回退時(shí)間，終端在零和此回退時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)值，經(jīng)過此隨機(jī)值的時(shí)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(gè)與普通終端不同的回退方案，比如：初始接入時(shí)即有一個(gè)非零的回退值，另外，回退值的范圍也可以比普通終端更廣。(3)MTC特定時(shí)隙接入方案此方案為MTC設(shè)備定義一個(gè)接入周期/時(shí)隙(與尋呼周期/時(shí)隙的概念相似)，每個(gè)MTC設(shè)備只能在特定的接入時(shí)隙內(nèi)接入，其具體的接入時(shí)隙可以通過其ID(IMSI)來決定。5.2針對(duì)核心網(wǎng)擁塞的無線側(cè)解決方案當(dāng)核心網(wǎng)擁塞時(shí)，E-UTRAN應(yīng)當(dāng)識(shí)別并及時(shí)拒絕掉一些低優(yōu)先級(jí)MTC終端的接入，以保證高優(yōu)先級(jí)終端(包括高優(yōu)先級(jí)MTC終端)的傳輸。為此，3GPP決定為終端引入一個(gè)“DelayTolerant”指示，當(dāng)終端使用此指示時(shí)，表明其可以在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)忍受較長的延遲。當(dāng)核心網(wǎng)處于擁塞狀態(tài)時(shí)，eNB可以通過拒絕或釋放掉那些對(duì)時(shí)延容忍度比較高的連接，并反饋一個(gè)等待時(shí)間值(最大值為1800s)。當(dāng)終端收到上述消息后，會(huì)在終端側(cè)按照這個(gè)等待時(shí)間啟動(dòng)一個(gè)計(jì)時(shí)器，在計(jì)時(shí)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M2M業(yè)務(wù)的多樣性、差異化以及M2M業(yè)務(wù)表現(xiàn)出來的傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)所不具有的各種特點(diǎn)，都對(duì)現(xiàn)網(wǎng)架構(gòu)和網(wǎng)元設(shè)備產(chǎn)生了很大影響。本文在研究M2M業(yè)務(wù)特征及其對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的影響和國際標(biāo)準(zhǔn)組織提出的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了在現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)上部署具有可行性，又能一定程度上滿足MTC業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。對(duì)面向M2M的移動(dòng)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(huì)改變現(xiàn)有移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，3GPP對(duì)這些技術(shù)方案的態(tài)度都是十分謹(jǐn)慎的，到目前為止標(biāo)準(zhǔn)化了針對(duì)核心網(wǎng)擁塞的無線側(cè)解決方案，核心原因是因?yàn)槟壳癕2M業(yè)務(wù)還不是移動(dòng)運(yùn)營商的核心業(yè)務(wù)。隨著M2M業(yè)務(wù)在運(yùn)營商營收中的比例提高，產(chǎn)業(yè)界會(huì)給與這些優(yōu)化技術(shù)更多的重視，移動(dòng)通信技術(shù)也終將會(huì)迎來更大的變革。運(yùn)營商發(fā)展M2M業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)與發(fā)展移動(dòng)通信是一致的，在專用的M2M網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，必須長遠(yuǎn)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)資源，根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展實(shí)施網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和數(shù)據(jù)分流，加強(qiáng)平臺(tái)建設(shè)，完善網(wǎng)絡(luò)覆蓋，加大網(wǎng)絡(luò)容量，從根本上滿足M2M業(yè)務(wù)需求，同時(shí)又不影響當(dāng)前的人人通信業(yè)務(wù)，提高用戶體驗(yàn)。7、主要參考資料：

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沈蘇彬