面向M2M的移动通信系统优化技术研究

　　1 引言

　　随着物—物(M2M)通信业务的快速发展，传统传感器网络承载M2M业务面临越来越多的局限性和挑战，急需将传感器网络和移动通信网络相结合，发挥移动通信覆盖广、可靠性高、传输延迟小等特点，形成分层移动M2M网络。对于移动通信网络来说，其终端既可以是传感器网关，也可以是传感器本身。

　　但是，传统移动通信技术毕竟是面向人与人(H2H)通信业务设计的，适应H2H的业务需求。而M2M终端无论是从传输特性、QoS要求、移动性，还是从终端的分布密度方面都与H2H终端有很大不同。完全沿用传统移动通信系统设计，系统的效率、成本和适用性都无法达到最优。

　　无线传感器网络(WSN)和移动通信的结合，既是无线传感器网络产业发展的需要，也是移动通信产业发展的需要，如图1所示，这种结合可以解决两个产业的诸多发展瓶颈，大大扩展两个产业的业务应用领域，带来很多新的机遇。 

　　图1 无线传感器网络和移动通信的结合

　　本文对面向M2M业务的移动通信优化技术进行了探讨。首先，通过对传感器网络的特性研究，给出了一种M2M业务流量建模方法，在此基础上提出了优化方向，并提出了一些优化技术方案。另外，本文也对3GPP在M2M优化技术方面的研究工作做了简单介绍。

　　2 移动M2M通信系统架构

　　如图2所示，基于移动通信系统的WSN网络可以灵活支持各种规模的WSN网络。可以由WSN节点通过有限的分层汇聚构成一定规模的WSN网络后，通过具有移动终端功能的WSN网关回传到移动通信系统。也可以由移动基站直接连接具有移动终端能力的传感器，此时这些传感器既是WSN节点，也是WSN网关。这种结构完全不需要WSN节点之间的自组网，可以最大限度地降低传输延迟，支持对实时性要求很高的监控应用。移动终端(如手机、笔记本电脑)本身如果具有传感器功能，也可以作为WSN节点和WSN网关使用，构建个域WSN网络。

 

　　图2 与移动通信网络结合的WSN网络

　　3 移动M2M系统优化方向

　　现有的3G，LTE移动通信系统从其最根本的设计需求上讲是解决人与人(H2H)通信，尽管随着技术的发展其自身在不断地完善和演进，但由于没有针对M2M通信特点进行优化，仍难以完全适应M2M业务复杂的应用环境，无法满足海量M2M接入的需要。因此为了适应M2M业务的需求，需要在如下几个方面进行优化。 

　　3.1 M2M新型终端类型的优化

　　目前，无线通信系统的终端类型是按照H2H终端的需求定义的，即“底端手机”和“高端手机”，尤其是新一代宽带无线通信系统，终端能力呈上升趋势。具体参数包括：

　　(1)射频频带：通常要求支持十几个频点。

　　(2)多种带宽处理能力：如5MHz，10MHz，20MHz。

　　(3)多天线处理能力：最大支持4个天线端口的MIMO接收。

　　(4)数据吞吐量能力：最大支持100Mbit/s以上吞吐量。

　　(5)缓存大小：通常支持很大的缓存。

　　(6)异频和异系统切换组合。

　　M2M终端可能是很低成本、很低耗电、很低移动性的海量终端，因此M2M终端支持更少的射频频带、更小的带宽处理能力、更简单的多天线处理能力、更灵活的吞吐量能力和缓存能力、更简单的移动性、只支持PS域。

　　3.2 M2M功耗降低优化

　　目前无线通信系统的终端电池寿命通常在2~3天，其高耗电主要是因为终端在空闲状态下需要周期性接收系统广播信道；在激活状态下需要周期性接收公共控制信道，睡眠时间短；需要支持自适应操作的大量测量、反馈、信令；需要支持切换和移动性管理的大量测量、反馈、信令。而M2M终端可能是数据模型单一、周期性发送接收、不需切换和移动性管理的，主要表现在以下几方面：

　　(1)设计更长周期的预定义接收。

　　(2)设计更长周期的DRX周期。

　　(3)设计更有效的持续调度策略，最大限度简化测量、反馈和信令。

　　(4)简化移动性管理，最大限度简化测量、反馈和信令。

　　3.3 M2M覆盖扩展优化

　　目前无线通信系统主要考虑H2H通信的典型覆盖场景，容量和覆盖的平衡点也依照典型H2H通信场景确定。而M2M终端很可能放置在比H2H终端环境更恶劣的位置，考虑更恶劣的链路预算，因此M2M系统在覆盖方面提出了更高的需求，需要考虑对移动通信系统的覆盖能力进行增强，如：

　　(1)通过鲁棒性更高的链路传输，获得更好的链路预算。

　　(2)采用增益更高的射频器件和天线。

　　(3)采用Relay等新型网络拓扑拉近终端和基站的距离。

　　3.4 M2M海量容量优化

　　目前无线通信系统的小区容量是以典型的H2H终端密度来考虑的，如手机、笔记本电脑。传统系统每个带宽大于5MHz的小区支持400个终端，终端ID数量、参考信号数量、控制信道数量较小，资源分配粒度过大，MAC，RLC和RRC层协议的处理能力不足。

　　从长远看来，M2M终端的数量很可能超过H2H终端，且从成本考虑，应尽可能不挤占H2H终端的容量，因此M2M系统应具备如下能力：

　　(1)支持更大的用户数量，如200个H2H终端+400个M2M终端。
　　(2)支持更大的信道容量、终端ID数量、参考信号数量和控制信道数量，采用更精细的资源分配粒度。 
　　(3)扩展的MAC，RLC，RRC处理能力，同时通过简化处理过程限制复杂度。

　　3.5 M2M低数据率优化

　　目前无线通信系统的终端最低数据率是考虑典型H2H通信的需求，如电路域话音或VoIP的数据率。但是很多M2M终端的最小数据率比H2H终端低很多，为了保持有吸引力的资费，需要大大降低每线成本，需要降低每线占用的无线资源，在原有单位资源中容纳更多的终端并行传输。

　　3.6 M2M时间控制优化

　　无线通信系统对时间延迟的控制，是按照H2H典型业务的用户感受要求来考虑的。话音、实时数据等实时业务的时延要求为秒量级，非实时业务的时延要求为分钟量级。而M2M终端的时间控制和H2H终端可能有很大不同。某些M2M业务对时间延迟的容忍度很大，可以达到小时量级；但某些M2M业务又对延迟要求很高，可能达到毫秒量级。因此，对M2M终端的传输可进行优先级控制，保证时间控制要求较高的终端优先传输，对时间控制要求较低的终端可以等到系统负载较低的时候再传输。

　　3.7 M2M低移动性优化

　　移动通信系统按照H2H通信需求，均须支持切换和移动性管理功能，占用了移动通信系统的相当一部分功能。包括小区间、频率间、系统间的测量和切换。而很多M2M终端几乎不需要移动性，可以对移动性管理功能进行大幅简化，以降低成本和耗电。

　　3.8 M2M防盗/防破坏优化

　　由于M2M终端经常置于无人值守的环境，因此防盗/防破坏的要求很高。为了满足这些要求，M2M终端应具备自动上报状态和自动位置上报的能力。

　　4 分层M2M资源分配和接入

　　针对上述M2M需求，可提出一系列面向M2M的移动通信优化技术，本文重点讨论分层M2M资源分配和接入技术。

　　M2M系统的一个特点是需要支持海量的小数据率终端的资源分配和接入，直接缩小资源分配粒度并增大终端接入数量，需要对系统的设计做很大改动，而采用分层设计可以只对系统做小幅度修改而取得相似的效果。

　　这种方法的思想是将终端分成若干组，每个终端组采用一个终端组ID，一个终端组内部的终端再采用终端ID来进一步区分。这种方式可以用较短的ID来实现，可以节省ID，节省寻址复杂度。

　　M2M终端和H2H终端不同，其行为不是完全随意的，一组M2M终端(如一组相似类型的传感器)行为相似，就可以将多个总是保持相同状态(接入、附着、释放)的M2M终端分为一组，共享1个终端ID。从资源分配的角度，可以将具有相同的业务流量模型(包括相同的数据率、时延要求等)和资源需求量的多个终端分为一组，使终端组内所有终端的资源需求之和相当于一个传统H2H终端的资源需求量。