面向M2M的移动通信系统优化技术研究

 

　　图3 基于分层终端ID的接入和资源分配流程

　　(1)在网络部署过程中，对一个终端组内各终端的资源分配方法进行预定义，即组内各个终端占用分配给该终端组的资源的哪一部分。

　　(2)终端接收网络侧设备接入层发出的系统同步和广播信息，组长终端和组员终端都接收此信息。

　　(3)组长终端代表整个终端组向网络侧设备接入层发起接入。

　　(4)组长终端和各组员终端分别向网络侧设备非接入层进行注册。

　　(5)组长终端代表整个终端组向网络侧设备接入层发出资源请求。

　　(6)网络侧设备接入层向组长终端发布分配给该终端组的无线资源。

　　(7)组内各终端根据第1步中预定义的组内资源分配方法，计算出自己应该使用网络侧设备分配给本组的资源的哪一部分。

　　(8)各终端在计算出的资源位置开始和网络侧设备进行通信。

　　由于可以选择RRC状态相似的M2M终端(如相似类型的传感器)形成一组，一个组内的多个终端可以总是保持相同RRC配置，可通过同一个RRC连接来配置整个组的终端。由于M2M终端的信令较少，一个组的多个终端还可以采用时分、码分的方式共享一个控制信道。另外，M2M资源分配需要支持小颗粒的资源分配，可能采用的方式包括：

　　●码分方案：即将一个资源块分给多个终端，终端之间进一步采用扩频码复用，采用码复用使多个M2M终端共享一个最小资源颗粒。这种情况下，只要将M2M终端采用的扩频码和终端ID绑定就可以。
　　●时分方案：即将几个M2M终端分为一组，共享一个资源块，在一个资源块内的不同符号协同传输。终端间采用“预定义分配”避免额外信令，但需要考虑如何进行信道估计。
　　●频分方案：即仍保持频率资源分配，只是将每个用户的频带宽度减小，如将每个信道的带宽缩小到数kHz。这种方案可以直观地实现小数据率M2M传输，将改变标准，无法保持后向兼容性。

　　5 3GPP对M2M优化技术的研究进展

　　3GPP并不研究所有的机器通信，只研究具有蜂窝通信模块、通过蜂窝网络进行数据传输的机器通信，称之为MTC(Machine Type Communication)。 

　　在2009年9月份的RAN #45次会议上，3GPP决定在R10启动一个研究针对MTC应用的无线网优化的Study Item(SI)：“RAN Improvements for Machine-type Communications”，相应成果收集在TR 37.868中。此SI的主要研究工作在RAN2进行，项目首先对MTC典型应用、业务模型和优化对象等进行研究。经过研究，RAN2将无线网拥塞确定为首要工作重点，包括RAN网络拥塞(尤其是随机接入的拥塞问题和信令网络拥塞)。

　　在2010年9月的RAN #49次全会上，在SA的推动下，RAN全会决定成立一个关于MTC的新的WI，用来解决避免大量MTC设备接入导致的核心网过载问题。2011年3月份，RAN2完成了此WI并在RAN全会上通过。图4所示的是3GPP MTC R10标准化项目进程情况。 

　　图4 3GPP MTC R10标准化项目进程

　　5.1 随机接入拥塞解决方案

　　在3GPP讨论中，首先统一了LTE及UMTS系统的随机接入拥塞的仿真评估。另外，TR 37.868还收录了对智能抄表类MTC应用、车队管理类MTC应用以及地震监测类MTC应用的随机接入分析。

　　关于如何解决大量MTC设备同时接入引起的随机接入拥塞问题，可以通过在应用层控制MTC设备的接入时间来解决，比如：在智能抄表类的业务中，可以通过在应用层设置不同的上报时间来避免大量智能水/电表同时触发业务上报。然而，在未来的M2M用户中，存在着大量的行业用户，这些行业用户可能并不完全受运营商的控制，也不了解蜂窝网络的特性，因而不会从网络利用的角度出发来考虑设置应用层的接入时间控制。在某些场景中，比如地震预报，大量的传感器必须在极短的时间内上报告警信息，网络必须能够同时处理大量的信息上报。因而也应该寻找无线侧针对MTC设备接入时间的控制方法，这些方案对于应用层是透明的，即使应用层没有设置相应的接入时间控制，网络也可以从容应付大量MTC设备的同时接入。

　　在3GPP的讨论中，确认了以下几种解决随机接入拥塞的无线侧候选方案：

　　(1)接入控制方案

　　在E-UTRAN中，接入控制是由Access Class Barring功能实现的，用来抑制过多的流量，避免拥塞。当终端要求建立一个连接时，终端应当首先执行Access Class Barring检查。如果检查成功，终端才会发送RACH前导，开始RRC连接建立过程。E-UTRAN执行Access Class Barring的方法是：通过小区广播一个Barring因子和AC Barring Time。当终端启动层3接入时，终端抽取一个随机数，将这个随机数和Barring因子做比较。如果这个随机数小于Barring因子，终端开始随机接入过程，否则，终端会在AC Barring Time内被阻止接入。因此，可以为MTC设备引入新的Barring因子，实现对MTC终端的接入控制。

　　(2)资源划分方案

　　大量MTC设备的同时接入会增大RACH信道的负载，以及RACH前导碰撞的概率，同时也会影响正常终端的工作，使正常终端的碰撞概率也增加。可以通过为MTC设备动态地分配RACH资源来解决此问题：将一些RACH资源用于MTC，其他RACH资源用于正常终端，这样，MTC冲突概率的增加不会影响正常终端，RACH资源分配可以根据网络状态而动态调整并在系统信息中广播。

　　(3)动态RACH资源分配方案

　　此方案主要是“开源”，即增加RACH资源：首先，可以在时间域上增加，即当eNodeB检测到随机接入的高峰正在到来时(如Preambles利用率超过了预定义的门限)，可以通过Paging或者新的SIB来暂时增加一个或多个子帧作为PRACH资源，当高峰过去以后，可以取消暂时增加的配置。其次，也可以在频率域上增加。目前的LTE标准中，用于RACH接入的资源是6个RB。当eNB检测到随机接入的高峰正在到来时，其可以通过Paging或者新的SIB来暂时增加另外的6个RB作为RACH资源。

　　(4)MTC特定的随机接入回退(Backoff)方案

　　在目前的LTE中，普通终端在初始接入时的回退值设为零，当初次接入没有成功，eNB会通知终端一个具体的回退时间，终端在零和此回退时间内产生一个随机值，经过此随机值的时间，终端才可以重新发起接入。此方案的主要思想是为MTC引入一个与普通终端不同的回退方案，比如：初始接入时即有一个非零的回退值，另外，回退值的范围也可以比普通终端更广。

　　(5)MTC特定时隙接入方案 
此方案为MTC设备定义一个接入周期/时隙(与寻呼周期/时隙的概念相似)，每个MTC设备只能在特定的接入时隙内接入，其具体的接入时隙可以通过其ID(IMSI)来决定。

　　(6)Pull方案

　　对于某些MTC应用，如智能抄表，可以不允许它们进行类似于普通终端的Mobile Originating 呼叫。而是通过MTC Server控制的方法，即让MTC Server触发MME来寻呼相应的MTC设备，只有被寻呼的设备才能接入网络发送它们的数据。目前的寻呼消息必须包含每个被寻呼终端的ID，只有符合终端ID的终端设备会回应寻呼消息。此方案引入了组ID的概念，可以在寻呼消息中发送这个组ID，所有属于这个组ID的MTC设备都会回应这个Paging消息。通过使用组ID，极大地减少了寻呼开销。另外，可以通过设置组的大小，来控制同时接入无线网的MTC设备数量。

　　5.2 针对核心网拥塞的无线侧解决方案

　　当核心网拥塞时，E-UTRAN应当识别并及时拒绝掉一些低优先级MTC终端的接入，以保证高优先级终端(包括高优先级MTC终端)的传输。为此，3GPP决定为终端引入一个“Delay Tolerant”指示，当终端使用此指示时，表明其可以在网络拥塞时忍受较长的延迟。

　　值得注意的是，MTC应用也千差万别，并不是所有的MTC应用都可以忍受较长的延迟，比如，用于地震预警的传感网络，即使在网络拥塞时，也必须尽快地让其接入并传送数据。因此是否将MTC应用映射到“Delay Tolerant”上，由运营商在NAS层配置。

　　当核心网处于拥塞状态时，eNB可以通过拒绝或释放掉那些对时延容忍度比较高的连接，并反馈一个等待时间值(最大值为1800s)。当终端收到上述消息后，会在终端侧按照这个等待时间启动一个计时器，在计时器到期前，相应的MTC应用不再发起RRC连接。

　　6 结束语

　　对面向M2M的移动通信系统优化技术的研究才刚刚开始，由于这些优化技术不可避免地会改变现有移动通信标准，3GPP对这些技术方案的态度都是十分谨慎的，到目前为止标准化了针对核心网拥塞的无线侧解决方案，核心原因是因为目前M2M业务还不是移动运营商的核心业务。随着M2M业务在运营商营收中的比例提高，产业界会给与这些优化技术更多的重视，移动通信技术也终将会迎来更大的变革。