M2M技术基础ppt3

1、M2M技术基础技术基础第三章第三章 早期早期M2M部署的经验教训部署的经验教训3.1 引言引言l网络服务提供商（或移动网络运营商）面临的网络服务提供商（或移动网络运营商）面临的挑战：安装的基础设备是为个人通信被设计和挑战：安装的基础设备是为个人通信被设计和优化的优化的lM2M设备可能使用的几个通信技术设备可能使用的几个通信技术短程短程RF有线有线蜂窝蜂窝2G/3G/4Gl可以匹配可以匹配M2M市场的特征：可用性、地理覆盖范围、低延市场的特征：可用性、地理覆盖范围、低延迟和高水平的安全迟和高水平的安全本章结构本章结构l从目前对数据收集（或交换）和设备触发可能从目前对数据收集（或交换）和设备触发可

2、能的技术选择等方面分析了早期的技术选择等方面分析了早期M2M运营部署的运营部署的情况情况l总结一些与总结一些与M2M相关的挑战，介绍一些优化机相关的挑战，介绍一些优化机制制l早期早期M2M服务部署中得出的主要教训的总结服务部署中得出的主要教训的总结3.2 早期早期M2M运营部署运营部署l本节从目前对数据收集（或交换）和设备触发本节从目前对数据收集（或交换）和设备触发可能的技术选择等方面分析了早期可能的技术选择等方面分析了早期M2M运营部运营部署的情况署的情况目前对数据收集或交换各种可能的技术选择，以及设目前对数据收集或交换各种可能的技术选择，以及设备触发备触发早期早期M2M运营部署举例运营部署

3、举例早期早期M2M部署的常见问题部署的常见问题M2M部署优化方案部署优化方案3.2.1 技术选择技术选择l数据收集和交换的技术选择数据收集和交换的技术选择CS域服务：域服务：CS是电路交换，通信之前，资源预留，是电路交换，通信之前，资源预留，不同用户独占各自分配的资源，没有统计复用。例如不同用户独占各自分配的资源，没有统计复用。例如SMS和电路交换数据（和电路交换数据（CSD）。使用）。使用CS域更多的是域更多的是针对偶尔发射非常少量数据的针对偶尔发射非常少量数据的M2M应用部署例子应用部署例子分组交换（分组交换（PS）承载。）承载。PS是包交换，不同的用户可是包交换，不同的用户可以共享同样的

4、资源，统计复用。使用以共享同样的资源，统计复用。使用PS域更多的是域更多的是针对需要传输相对大量数据或要求较低网络延迟的应针对需要传输相对大量数据或要求较低网络延迟的应用用设备触发的技术选择设备触发的技术选择l设备触发：指的是设备触发：指的是M2M服务器通过服务器通过M2M设备用设备用来触发一个数据承载建立的机制来触发一个数据承载建立的机制l技术选择：技术选择：发送一个特定的发送一个特定的SMS到设备：该设备然后通过建立到设备：该设备然后通过建立一个一个GPRS承载反应，即分组数据协议（承载反应，即分组数据协议（PDP）环境）环境激活激活一个无应答语言电话：一个无应答语言电话：M2M服务器触发

5、一个通向服务器触发一个通向M2M设备语音电话的建立。设备语音电话的建立。M2M设备识别主叫用户设备识别主叫用户的数量，用无应答语音电话触发一个的数量，用无应答语音电话触发一个PDP环境的建立环境的建立设备触发的技术选择设备触发的技术选择网络请求的网络请求的PDP环境激活（环境激活（NRPCA）：这允许网络）：这允许网络为了为了M2M服务器而去建立一个服务器而去建立一个PDP环境。然而由于环境。然而由于内在技术的限制，没有被广泛使用。现在的内在技术的限制，没有被广泛使用。现在的3GPP标标准工作旨在优化准工作旨在优化NRPCA机制机制设备触发型通信模型设备触发型通信模型3.2.2 早期早期M2M

6、运营部署举例运营部署举例l车辆追踪车辆追踪l智能遥测智能遥测l医疗保健监控医疗保健监控l监测和安全监测和安全l销售点和自动取款机销售点和自动取款机l从早期从早期M2M例子中得出的结论例子中得出的结论1. 车辆追踪车辆追踪l蜂窝无线定位主要有三大类解决方案蜂窝无线定位主要有三大类解决方案 ：1. 基于网络的定位技术，如基于基于网络的定位技术，如基于Cell ID和时间提前和时间提前量（量（TA）的方法、上行链路信号到达时间（）的方法、上行链路信号到达时间（TOA）方法、上行链路信号到达时间差（方法、上行链路信号到达时间差（TDOA）方法以及）方法以及上行链路信号到达角度（上行链路信号到达角度（A

7、OA）方法，这些解决方）方法，这些解决方案需要对现有网络做部分改进，但却可以兼容现有移案需要对现有网络做部分改进，但却可以兼容现有移动终端；动终端；Cell ID技术技术lCell ID技术是蜂窝网络中最简单的一种定位方技术是蜂窝网络中最简单的一种定位方法，由于其对终端定位的结果是终端服务小区法，由于其对终端定位的结果是终端服务小区基站的位置，所以定位精度随扇区大小而变化，基站的位置，所以定位精度随扇区大小而变化，特点是速度快，应用简单，精度较差，通常与特点是速度快，应用简单，精度较差，通常与其他定位结合使用，统称为基于其他定位结合使用，统称为基于Cell ID的定位的定位技术。这类定位技术是

8、技术。这类定位技术是Cell ID技术的补充和改技术的补充和改进。在移动蜂窝通信网络中，每个蜂窝小区都进。在移动蜂窝通信网络中，每个蜂窝小区都有一个惟一的，利用移动终端所在有一个惟一的，利用移动终端所在Cell对应的对应的Cell ID就可以粗略确定移动终端的位置。就可以粗略确定移动终端的位置。 时间提前量（时间提前量（TA）l GSM/GPRS系统中可以用作定位的另一个参数是时间系统中可以用作定位的另一个参数是时间提前量提前量(TA)，UMTS系统中与之对应的是回路测量时系统中与之对应的是回路测量时间（间（RoundTripTime，RTT）。）。TA和和RTT两者皆是利两者皆是利用基站传送

9、到手机的时间补偿（用基站传送到手机的时间补偿（Time Offset）来测量）来测量BTS与手机之间的距离，分析移动台所在的区域。与手机之间的距离，分析移动台所在的区域。TA以比特为单位，以比特为单位，1bit相当于相当于550米的距离；米的距离；RTT以比特以比特为单位，为单位，WCDMA 3.84M码片速率下码片速率下1bit相当于相当于20米米的距离；的距离；TD-SCDMA 1.28M码片速率下码片速率下1bit相当于相当于60米的距离。把米的距离。把Cell ID和和TA/RTT结合在一起是一种简结合在一起是一种简单又经济的方法。所有终端都可使用这种方法定位，单又经济的方法。所有终端

10、都可使用这种方法定位，这是其一大优点。但这种技术的定位精度取决于小区这是其一大优点。但这种技术的定位精度取决于小区大小和周围的环境，通常只能用于粗略定位。大小和周围的环境，通常只能用于粗略定位。 NMRl NMR（Network Measurement Report）也称）也称E-CGI（Enhanced Cell Global Identification），从本质），从本质讲是一种具有自主和指纹定位两种模式的技术。这种讲是一种具有自主和指纹定位两种模式的技术。这种技术是对技术是对CellID以及以及CellID+ TA/RTT的增强。的增强。NMR指指纹定位离线学习阶段，终端在确定位置的样

11、本点处对纹定位离线学习阶段，终端在确定位置的样本点处对各相邻小区的信号强度进行采集和记录，并将样本点各相邻小区的信号强度进行采集和记录，并将样本点处服务小区处服务小区Cell ID、各相邻小区信号强度和对应精确、各相邻小区信号强度和对应精确位置归档；进入在线定位阶段，终端实时测量和收集位置归档；进入在线定位阶段，终端实时测量和收集相邻小区的相邻小区的NMR数据并上报网络侧数据库，查询与所数据并上报网络侧数据库，查询与所检测信号强度最为接近的样本点的位置，作为最终定检测信号强度最为接近的样本点的位置，作为最终定位结果。位结果。 2. 基于移动台的定位方法。用于基于移动台的定位方法。用于GSM中的

12、下行链路中的下行链路增强观测时差定位方法（增强观测时差定位方法（E-OTD）、用于）、用于WCDMA下下行链路空闲周期观测到达时间差方法（行链路空闲周期观测到达时间差方法（OTDOA-IPDL）等；）等；lE-OTD:增强型观察时间差增强型观察时间差(Enhanced Observed Time Difference, E-OTD)只能用于只能用于GSM/GPRS网络，使用这种网络，使用这种技术需要在网络中的多个基站上放置位置测量单元技术需要在网络中的多个基站上放置位置测量单元（Location Measuremnet Unit,LMU）作为参考点。每个）作为参考点。每个参考点都有一个精确的定

13、时源。参考点都有一个精确的定时源。E-OTD的运作方式是以移的运作方式是以移动终端测量来自至少动终端测量来自至少3个个LMU的信号，根据各的信号，根据各LMU到达移到达移动终端的时间差值所产生的交叉双曲线可以计算出移动台动终端的时间差值所产生的交叉双曲线可以计算出移动台的位置。的位置。 E-OTD方案可以提供比方案可以提供比CellID高得多的定位精度高得多的定位精度在在50米到米到125米之间。但是它的定位响应速度较慢，往往需要约米之间。但是它的定位响应速度较慢，往往需要约5秒的时间。另外，它需要对移动终端软件进行更新，这意秒的时间。另外，它需要对移动终端软件进行更新，这意味着现存的移动用户

14、无法通过该技术获得基于位置的服务。味着现存的移动用户无法通过该技术获得基于位置的服务。 3. 以以GPS、GLONASS、GALILEO、BEIDOU、QZSS等为代表的卫星定位系统，移动台和网络侧集等为代表的卫星定位系统，移动台和网络侧集成了卫星定位的辅助设备。成了卫星定位的辅助设备。l从技术角度来说，第二类和第三类方法更容易从技术角度来说，第二类和第三类方法更容易提供较为精确的用户定位信息，但这些技术需提供较为精确的用户定位信息，但这些技术需要改进网络的同时，也存在对移动台改动的需要改进网络的同时，也存在对移动台改动的需求，这将对移动台体积、功耗、成本带来影响。求，这将对移动台体积、功耗、

15、成本带来影响。车辆追踪车辆追踪M2M应用基本规则应用基本规则2. 智能遥测智能遥测l智能遥测允许来自电表的各种数据实时收集智能遥测允许来自电表的各种数据实时收集l在智能计量的例子中，在智能计量的例子中，M2M设备被配置来按时设备被配置来按时间表定期报告计量数据，在这种业务的部署中间表定期报告计量数据，在这种业务的部署中采用以下两种可能的解决方案：采用以下两种可能的解决方案：SMS解决方案：用解决方案：用SMS报告计量数据报告计量数据GPRS解决方案：建立解决方案：建立GPRS，通过，通过TCP/IP报告计量报告计量数据数据3. 医疗保健监控医疗保健监控l这个服务通常利用这个服务通常利用M2M设

16、备，它被集成在一个设备，它被集成在一个可佩带的手镯或项链中。病人可以通过按可佩带的手镯或项链中。病人可以通过按M2M设备上的一个按钮联系急救中心。设备上的一个按钮联系急救中心。M2M设备行为模式设备行为模式1：收到一个呼叫时，急救中心向：收到一个呼叫时，急救中心向M2M设备发出一个高优先级的呼叫，使用高优先级设备发出一个高优先级的呼叫，使用高优先级移动台国际用户目录编号（移动台国际用户目录编号（ MSISDN ）与）与EMT（急（急救医务人员）建立一个通信救医务人员）建立一个通信M2M设备行为模式设备行为模式2：由于：由于M2M设备需要定期升级软设备需要定期升级软件件/固件，固件，CSD用低优

17、先级的用低优先级的MSISDN来维护设备来维护设备l在这个业务的部署中，主要的缺点是潜在的在这个业务的部署中，主要的缺点是潜在的MSISDN资源消耗的增加。目前还缺乏足够的资源消耗的增加。目前还缺乏足够的资源，如资源，如MSISDN。所以对于未来的部署，开。所以对于未来的部署，开发一个标准解决方案去避免对多个发一个标准解决方案去避免对多个MSISDN的的同时需求是至关重要的。同时需求是至关重要的。4. 监测和安全监测和安全l监测和安全的监测和安全的M2M设备部署在住宅和商业场所，设备部署在住宅和商业场所，为安全警报应用提供数据、照片和视频监控信为安全警报应用提供数据、照片和视频监控信息息l在此

18、部署中，蜂窝网络被用来作为主要的或备在此部署中，蜂窝网络被用来作为主要的或备份入口去连接安全监控应用或房屋所有者。份入口去连接安全监控应用或房屋所有者。l需要交换的信息主要包括报警信息和视频信号需要交换的信息主要包括报警信息和视频信号l此应用要求非常低的延迟和偶尔的高带宽此应用要求非常低的延迟和偶尔的高带宽监测和安全部署的要求监测和安全部署的要求l 使用使用PS承载的重要型承载的重要型l 为了避免有关为了避免有关PDP环境建立中大规模的延迟，要维持环境建立中大规模的延迟，要维持一个拥有永久分配一个拥有永久分配IP地址的不间断连接地址的不间断连接l M2M设备的认证是使用设备的认证是使用RADI

19、US协议由协议由M2M应用服务应用服务器提供的。这种身份验证对于器提供的。这种身份验证对于M2M设备建立设备建立PDP环境环境是一个先决条件是一个先决条件l M2M设备的设备的IP地址是从相同的子网由地址是从相同的子网由M2M应用服务器应用服务器（或一个实体代表）分配的。这样的一个机制避免了（或一个实体代表）分配的。这样的一个机制避免了使用公共使用公共IP地址的需求，方便不间断承载。地址的需求，方便不间断承载。监测和安全部署的要求监测和安全部署的要求l为了保护为了保护M2M设备的认证，以及确保设备的认证，以及确保MNO和和M2M应用服务器之间交换数据的隐私，在应用服务器之间交换数据的隐私，在M

20、NO和该公司的网络之间建立了一条加密的和该公司的网络之间建立了一条加密的IP安全安全性通道，其中性通道，其中M2M应用服务器被托管。应用服务器被托管。5. 销售点和自动取款机销售点和自动取款机l销售点（销售点（PoS）和自动取款机（）和自动取款机（ATM）终端设）终端设备都配备了广域网连接（无线或有线）以允许备都配备了广域网连接（无线或有线）以允许与中心服务器通信，管理付款与中心服务器通信，管理付款/现金分配交易现金分配交易需要对交换数据强大的安全性和完整性的需求需要对交换数据强大的安全性和完整性的需求能够提供近实时的服务能够提供近实时的服务l此业务部署需要通过使用不间断连接解决实时此业务部署

21、需要通过使用不间断连接解决实时性的需求性的需求6. 从早期从早期M2M例子中得出的结论例子中得出的结论l解决方案的选择本质上依赖目标应用需求的特解决方案的选择本质上依赖目标应用需求的特性。一般地，需要考虑以下需求：性。一般地，需要考虑以下需求：端对端延迟和互操作要求端对端延迟和互操作要求数据量数据量数据交换频率数据交换频率服务器与客户端的初始通信服务器与客户端的初始通信通信模块功能通信模块功能用例需要用例需要CS/PS域域连接模式连接模式描述描述优点优点缺点缺点实时实时/交交互数据互数据PS域域一直打开一直打开M2M设备有一个永久激活的设备有一个永久激活的PDP环境，允许一直连接环境，允许一直

22、连接没有关于数没有关于数据承载的延据承载的延迟迟额外的资本支额外的资本支出和出和MNO投资投资运营成本运营成本中到高的中到高的数据量数据量（无实时（无实时要求）要求）PS域域为数据传输为数据传输周期建立的周期建立的PDP环境环境由服务器发起时，设备触发是由服务器发起时，设备触发是服务器主动执行的，向服务器主动执行的，向M2M设设备发送一个备发送一个SMS或无应答呼叫或无应答呼叫请求请求PDP环境的建立。或者，环境的建立。或者，由由M2M设备主动要求建立设备主动要求建立PDP环境。环境。避免了为每避免了为每个个PDP环境环境在一个永久在一个永久基础上维持基础上维持环境的需要环境的需要尽管实际数据

23、尽管实际数据交换是在交换是在PS域域上执行，但上执行，但CS域仍在被使用域仍在被使用低数据量低数据量和周期性和周期性CS域域语音或语音或SMS语音电话或语音电话或SMS产生信息传播产生信息传播没有没有PS域域的昂贵的费的昂贵的费用，仅有少用，仅有少量数据传输量数据传输CS域资源上额域资源上额外的开销外的开销高级可用高级可用性数据服性数据服务务CS域域有多个有多个MSISDN的的数据数据CSDCSD呼叫产生一个专门的呼叫产生一个专门的MSISDN高优先级的高优先级的呼叫用高优呼叫用高优先级的路由先级的路由潜在的潜在的MSISDN资源资源消耗的增加消耗的增加表表3-1 M2M解决办法和用例例子映射

24、解决办法和用例例子映射3.2.3 早期早期M2M部署常见的问题部署常见的问题l阻塞和过载阻塞和过载l识别和寻址资源的短缺识别和寻址资源的短缺l为了纯数据服务使用为了纯数据服务使用CS域环境域环境1.阻塞和过载阻塞和过载l阻塞阻塞阻塞问题发生在当阻塞问题发生在当M2M设备要求建立设备要求建立PDP环境时。环境时。当阻塞发生时，导致建立当阻塞发生时，导致建立PDP环境失败，环境失败，M2M设备设备将保持不断的尝试，直到建立一个连接。将保持不断的尝试，直到建立一个连接。l过载过载当异常高数量的请求同时发生时，身份验证服务器当异常高数量的请求同时发生时，身份验证服务器（RADIUS）在这个过程中开始过

25、载）在这个过程中开始过载过载发生时，当常规的人对人（过载发生时，当常规的人对人（H2H）PDP连接请求连接请求来到数据包核心网络时，来到数据包核心网络时，RADIUS无法回复或回复超无法回复或回复超时时过载通过网关过载通过网关GPRS支持节点接口传回，结果在后来支持节点接口传回，结果在后来的阶段冻结了整个数据包核心网络的阶段冻结了整个数据包核心网络图图3-8 M2M设备中的拥塞设备中的拥塞形成原因形成原因l 同步性：同步性：M2M设备通常被规定在给定的时间间隔内报设备通常被规定在给定的时间间隔内报告数据，当网络中存在多个业务部署时，会导致同步告数据，当网络中存在多个业务部署时，会导致同步问题，

26、同时导致阻塞的发生问题，同时导致阻塞的发生l 不可预测性：在一些情况下，在操作员没有意识到的不可预测性：在一些情况下，在操作员没有意识到的情况下，情况下，M2M模块就被部署了，这种情况下，预测相模块就被部署了，这种情况下，预测相应网络的通信量变得很困难应网络的通信量变得很困难l 突发性：一些设备，如监测和安全设备，通常产生少突发性：一些设备，如监测和安全设备，通常产生少量的数据，而当发生警报时，可能突然产生高容量数量的数据，而当发生警报时，可能突然产生高容量数据据l 无法控制性：一组设备随机地连接到网络，没有任何无法控制性：一组设备随机地连接到网络，没有任何可预测的模式。例如，一组漫游设备，从

27、一个无线网可预测的模式。例如，一组漫游设备，从一个无线网络络A的覆盖区漫游到无线网络的覆盖区漫游到无线网络B的覆盖区。的覆盖区。解决方法解决方法l网络管理员往往需要暂停网络管理员往往需要暂停M2M业务，作为一种业务，作为一种确定和隔离错误或故障通信模块的手段确定和隔离错误或故障通信模块的手段l然而去识别特定的然而去识别特定的M2M业务是很难实现的业务是很难实现的2. 识别和寻址资源的短缺识别和寻址资源的短缺l 移动台识别号码（移动台识别号码（MSISDN），即我们用的手机号码，），即我们用的手机号码，用于识别移动终端。用于识别移动终端。l 其格式为其格式为MSISDN=CC+NDC+SN（采用

28、（采用E.164建议）建议）l CC=国家码，中国为国家码，中国为86。l NDC=国内目的地码，即网路接入号。中国移动为国内目的地码，即网路接入号。中国移动为135、136、137、138、139，中国联通为，中国联通为130、131、133。l SN=客户号码。客户号码。l MSISDN号可以是变长的，不包括字冠，最长为号可以是变长的，不包括字冠，最长为15位位数字，它是唯一的识别移动电话的签约号码，每次签数字，它是唯一的识别移动电话的签约号码，每次签约都接至一个约都接至一个HLR l对于每个国家的对于每个国家的MSISDN，一旦，一旦M2M移动设备移动设备的大规模部署，也会达到极限值的大

29、规模部署，也会达到极限值l一个优化的方案是使用私有一个优化的方案是使用私有MSISDN，然而此，然而此方案有一定局限性，如漫游时服务的互操作性方案有一定局限性，如漫游时服务的互操作性2. 识别和寻址资源的短缺识别和寻址资源的短缺IP地址的短缺地址的短缺l当当M2M设备建立数据承载时，设备建立数据承载时，IP寻址被使用。寻址被使用。l解决方法：解决方法：为了节省为了节省IP资源，可以使用私有资源，可以使用私有IP地址，这需要一个地址，这需要一个特定的网络设置，既能为一个特定的网络设置，既能为一个M2M服务器和它控制服务器和它控制的的M2M设备建立特定的私有网络，又能为在互联网设备建立特定的私有网

30、络，又能为在互联网中的中的M2M服务器部署一个网络地址转换器（服务器部署一个网络地址转换器（NAT）。）。此部署的局限：此部署的局限：lNAT部署的额外成本部署的额外成本lM2M服务器的命令或数据可能无法到达服务器的命令或数据可能无法到达M2M设备，因此，设备，因此，即使即使M2M设备有一个已建立的设备有一个已建立的PDP环境，它仍然需要通过环境，它仍然需要通过SMS触发设备。触发设备。3. 为了纯数据服务使用为了纯数据服务使用CS域环境域环境l对于仅适用对于仅适用PS域服务配置的域服务配置的M2M设备可能不需设备可能不需要一个要一个MSISDN，然而实际上，因为其中的一，然而实际上，因为其中

31、的一些程序（比如计费），些程序（比如计费），3GPP标准仍然要求配标准仍然要求配备一个备一个MSISDN作为标识符。这样就需要维护作为标识符。这样就需要维护一个一个CS域的环境，而这个环境的维护是有一定域的环境，而这个环境的维护是有一定成本的。成本的。l移动移动M2M系统优化方向系统优化方向 l面向面向M2M的移动通信优化技术的移动通信优化技术-分层分层M2M资源资源分配和接入分配和接入 l3GPP对对M2M优化技术的研究进展优化技术的研究进展 3.2.4 M2M部署的优化部署的优化1.移动移动M2M系统优化方向系统优化方向 l现有的现有的3G，LTE移动通信系统从其最根本的设移动通信系统从其

32、最根本的设计需求上讲是解决人与人（计需求上讲是解决人与人（H2H）通信，尽管）通信，尽管随着技术的发展其自身在不断地完善和演进，随着技术的发展其自身在不断地完善和演进，但由于没有针对但由于没有针对M2M通信特点进行优化，仍难通信特点进行优化，仍难以完全适应以完全适应M2M业务复杂的应用环境，无法满业务复杂的应用环境，无法满足海量足海量M2M接入的需要。接入的需要。l因此为了适应因此为了适应M2M业务的需求，需要在如下几业务的需求，需要在如下几个方面进行优化。个方面进行优化。M2M新型终端类型的优化新型终端类型的优化 M2M功耗降低优化功耗降低优化 M2M覆盖扩展优化覆盖扩展优化 M2M海量容量

33、优化海量容量优化 M2M低数据率优化低数据率优化 M2M时间控制优化时间控制优化 M2M低移动性优化低移动性优化 M2M防盗防盗/防破坏优化防破坏优化 移动移动M2M系统优化方向系统优化方向M2M新型终端类型的优化新型终端类型的优化 l 目前，无线通信系统的终端类型是按照目前，无线通信系统的终端类型是按照H2H终端的需求定义的，终端的需求定义的，即即“底端手机底端手机”和和“高端手机高端手机”，尤其是新一代宽带无线通信，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：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。）射频频带：通常要求支持十几个频

34、点。（2）多种带宽处理能力：如）多种带宽处理能力：如5MHz，10MHz，20MHz。（3）多天线处理能力：最大支持）多天线处理能力：最大支持4个天线端口的个天线端口的MIMO（Multi-input Multi-output）接收。）接收。（4）数据吞吐量能力：最大支持）数据吞吐量能力：最大支持100Mbit/s以上吞吐量。以上吞吐量。（5）缓存大小：通常支持很大的缓存。）缓存大小：通常支持很大的缓存。（6）异频和异系统切换组合。）异频和异系统切换组合。l M2M终端可能是很低成本、很低耗电、很低移动性的海量终端，终端可能是很低成本、很低耗电、很低移动性的海量终端，因此因此M2M终端支持更少

35、的射频频带、更小的带宽处理能力、更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、只支持简单的移动性、只支持PS域。域。M2M功耗降低优化功耗降低优化 l 目前无线通信系统的终端电池寿命通常在目前无线通信系统的终端电池寿命通常在23天，其天，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制信道

36、，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。测量、反馈、信令。l 而而M2M终端可能是数据模型单一、周期性发送接收、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：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。）设计更长周期的预定义接收。（2）设计更长周期的）设计更长周期的DRX（Discontinuous receiving）周期。）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）设计更有效的持续调度策略

37、，最大限度简化测量、反馈和信令。和信令。（4）简化移动性管理，最大限度简化测量、反馈和信令。）简化移动性管理，最大限度简化测量、反馈和信令。 M2M覆盖扩展优化覆盖扩展优化 l目前无线通信系统主要考虑目前无线通信系统主要考虑H2H通信的典型覆通信的典型覆盖场景，容量和覆盖的平衡点也依照典型盖场景，容量和覆盖的平衡点也依照典型H2H通信场景确定。而通信场景确定。而M2M终端很可能放置在比终端很可能放置在比H2H终端环境更恶劣的位置，考虑更恶劣的链终端环境更恶劣的位置，考虑更恶劣的链路预算，因此路预算，因此M2M系统在覆盖方面提出了更高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

38、力的需求，需要考虑对移动通信系统的覆盖能力进行增强，如：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）通过鲁棒性更高的链路传输，获得更好的链路预算。预算。（2）采用增益更高的射频器件和天线。）采用增益更高的射频器件和天线。（3）采用）采用Relay（中继）等新型网络拓扑拉近终端（中继）等新型网络拓扑拉近终端和基站的距离。和基站的距离。M2M海量容量优化海量容量优化 l 目前无线通信系统的小区容量是以典型的目前无线通信系统的小区容量是以典型的H2H终端密终端密度来考虑的，如手机、笔记本电脑。传统系统每个带度来考虑的，如手机、笔记本电脑。传统系统每个带宽大于宽大于5MHz的小区支持

39、的小区支持400个终端，终端个终端，终端ID数量、参数量、参考信号数量、控制信道数量较小，资源分配粒度过大，考信号数量、控制信道数量较小，资源分配粒度过大，MAC，RLC和和RRC层协议的处理能力不足。层协议的处理能力不足。l 从长远看来，从长远看来，M2M终端的数量很可能超过终端的数量很可能超过H2H终端，终端，且从成本考虑，应尽可能不挤占且从成本考虑，应尽可能不挤占H2H终端的容量，因终端的容量，因此此M2M系统应具备如下能力：系统应具备如下能力：（1）支持更大的用户数量，如）支持更大的用户数量，如200个个H2H终端终端+400个个M2M终终端。端。（2）支持更大的信道容量、终端）支持更

40、大的信道容量、终端ID数量、参考信号数量和控数量、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。制信道数量，采用更精细的资源分配粒度。（3）扩展的）扩展的MAC，RLC，RRC处理能力，同时通过简化处理处理能力，同时通过简化处理过程限制复杂度。过程限制复杂度。M2M低数据率优化低数据率优化 l目前无线通信系统的终端最低数据率是考虑典目前无线通信系统的终端最低数据率是考虑典型型H2H通信的需求，如电路域话音或通信的需求，如电路域话音或VoIP的数的数据率。但是很多据率。但是很多M2M终端的最小数据率比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，需要终端低很多，为了保持有吸

41、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资源，在原有单位资源中容纳更多的终端并行传输。传输。M2M时间控制优化时间控制优化 l无线通信系统对时间延迟的控制，是按照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。而时业务的时延要求为分钟量级。而M2M终端的终端的时间控制和时间控制和H2H终端可能有很大不同。某些终端可能有很

42、大不同。某些M2M业务对时间延迟的容忍度很大，可以达到业务对时间延迟的容忍度很大，可以达到小时量级；但某些小时量级；但某些M2M业务又对延迟要求很高，业务又对延迟要求很高，可能达到毫秒量级。因此，对可能达到毫秒量级。因此，对M2M终端的传输终端的传输可进行优先级控制，保证时间控制要求较高的可进行优先级控制，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。以等到系统负载较低的时候再传输。 M2M低移动性优化低移动性优化 l移动通信系统按照移动通信系统按照H2H通信需求，均须支持切通信需求，均须支持切换和移动性管

43、理功能，占用了移动通信系统的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。而很多间的测量和切换。而很多M2M终端几乎不需要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，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。以降低成本和耗电。M2M防盗防盗/防破坏优化防破坏优化 l由于由于M2M终端经常置于无人值守的环境，因此终端经常置于无人值守的环境，因此防盗防盗/防破坏的要求很高。为了满足这些要求，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终端应具备自

44、动上报状态和自动位置上报的能力。的能力。2.面向面向M2M的移动通信优化技术的移动通信优化技术-分层分层M2M资资源分配和接入源分配和接入 lM2M系统的一个特点是需要支持海量的小数据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。小幅度修改而取得相似的效果。 l这种方法的思想是将终端分成若干组，每个终这种方法的思想是将终端分成若干组，每个终

45、端组采用一个终端组端组采用一个终端组ID，一个终端组内部的终，一个终端组内部的终端再采用终端端再采用终端ID来进一步区分。这种方式可以来进一步区分。这种方式可以用较短的用较短的ID来实现，可以节省来实现，可以节省ID，节省寻址复，节省寻址复杂度：杂度：M2M终端和终端和H2H终端不同，其行为不是完全随意的，终端不同，其行为不是完全随意的，一组一组M2M终端（如一组相似类型的传感器）行为相终端（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、似，就可以将多个总是保持相同状态（接入、附着、释放）的释放）的M2M终端分为一组，共享终端分为一组，共享1个终端个终端ID。从资

46、。从资源分配的角度，可以将具有相同的业务流量模型（包源分配的角度，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相当于一个传统H2H终端的资源需求量。终端的资源需求量。 l 终端组内有一个终端充当终端组内有一个终端充当“组长终端组长终端”，组长终端负，组长终端负责代表组内所有终端和网络的链路层保持连接，责代表组内所有终端和网络的链路层保持连接，“组组员终端员终端”对于对于系统链路层系统链路层是是“透明的透明的”。

47、通过高层。通过高层ID（如（如IP地址）进一步区分这个终端组内的各个终端。地址）进一步区分这个终端组内的各个终端。l 同时，同时，“组长终端组长终端”代表整个终端组向系统请求无线代表整个终端组向系统请求无线资源，其他资源，其他“组员终端组员终端”，不直接向系统申请资源。，不直接向系统申请资源。而是在组内所有终端之间形成固定的、预定义的资源而是在组内所有终端之间形成固定的、预定义的资源分配。这样，系统分配给分配。这样，系统分配给“组长终端组长终端”一个资源块，一个资源块，就相当于将这个资源块分给了这个终端组。就相当于将这个资源块分给了这个终端组。l 系统的资源指示信令相当于在终端组内进行广播，组

48、系统的资源指示信令相当于在终端组内进行广播，组内的所有终端接收到系统的资源指示信令后，根据终内的所有终端接收到系统的资源指示信令后，根据终端组的分配组员块和自己在组内的具体资源位置发送端组的分配组员块和自己在组内的具体资源位置发送信息。信息。l （1）在网络部署过程中，对一个终端组内各终端的资源分配）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。的哪一部分。l （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，）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

49、端和组员终端都接收此信息。组长终端和组员终端都接收此信息。l （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。）组长终端代表整个终端组向网络侧设备接入层发起接入。l （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）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。注册。l （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）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。请求。l （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）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。线资源。l （7）组内各终端根据第）组内各终端根据第1步中预定义的组内资源

50、分配方法，计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。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。l （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。）各终端在计算出的资源位置开始和网络侧设备进行通信。基于此分层终端基于此分层终端ID结构的终端接入和资源分配流程如下结构的终端接入和资源分配流程如下图所示：图所示：l 由于可以选择由于可以选择RRC状态相似的状态相似的M2M终端（如相似类型的传感器）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形成一组，一个组内的多个终端可以总是保持相同RRC配置，配置，可通过

51、同一个可通过同一个RRC连接来配置整个组的终端。由于连接来配置整个组的终端。由于M2M终端的终端的信令较少，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，享一个控制信道。另外，M2M资源分配需要支持小颗粒的资源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：分配，可能采用的方式包括：l 码分方案：即将一个资源块分给多个终端，终端之间进一步码分方案：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终端共享一个最小资源颗粒。这种情况下，只

52、要将源颗粒。这种情况下，只要将M2M终端采用的扩频码和终端终端采用的扩频码和终端ID绑定就可以。绑定就可以。l 时分方案：即将几个时分方案：即将几个M2M终端分为一组，共享一个资源块，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“预定义分预定义分配配”避免额外信令，但需要考虑如何进行信道估计。避免额外信令，但需要考虑如何进行信道估计。l 频分方案：即仍保持频率资源分配，只是将每个用户的频带频分方案：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宽度减小，如将每个信道的带宽缩小到数kHz。这

53、种方案可以。这种方案可以直观地实现小数据率直观地实现小数据率M2M传输，将改变标准，无法保持后向兼传输，将改变标准，无法保持后向兼容性。容性。3. 3GPP对对M2M优化技术的研究进展优化技术的研究进展 l 3GPP并不研究所有的机器通信，只研究具有蜂窝通信模块、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，称之为通过蜂窝网络进行数据传输的机器通信，称之为MTC（Machine Type Communication）。）。l 在在2009年年9月份的月份的RAN #45次会议上，次会议上，3GPP决定在决定在R10启动一启动一个研究针对个研究针对MTC应用

54、的无线网优化的应用的无线网优化的Study Item（SI）：）：“RAN(Radio Access Network) Improvements for Machine-type Communications”，相应成果收集在，相应成果收集在TR 37.868中。此中。此SI的主要研究工作在的主要研究工作在RAN2进行，项目首先对进行，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，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，包括将无线网拥塞确定为首要工作重点，包括RAN网络拥塞网络拥塞（尤其是随机接入的拥塞问题和信令网络拥塞）。

55、（尤其是随机接入的拥塞问题和信令网络拥塞）。l 在在2010年年9月的月的RAN #49次全会上，次全会上，RAN全会决定成立一个关全会决定成立一个关于于MTC的新的的新的WI(Work Item)，用来解决避免大量，用来解决避免大量MTC设备接设备接入导致的核心网过载问题。入导致的核心网过载问题。2011年年3月份，月份，RAN2完成了此完成了此WI并在并在RAN全会上通过。全会上通过。随机接入拥塞解决方案随机接入拥塞解决方案 l 关于如何解决大量关于如何解决大量MTC设备同时接入引起的随机接入拥塞问题，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可以通过在应用层控制MTC设备的

56、接入时间来解决，比如：在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来避免大量智能水/电表同时触发业务上报。电表同时触发业务上报。l 然而，在未来的然而，在未来的M2M用户中，存在着大量的行业用户，这些行用户中，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

57、报，大量的传感器必须时间控制。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。信息上报。l 因而也应该寻找对无线侧因而也应该寻找对无线侧MTC设备接入时间的控制方法，这些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间控制，网络也可以从容应付大量MTC设备的同时接入。设备的同时接入。l在在3GPP的讨论中，确认了以下几种解决随机的讨论中，确认了以下几种解决随机接入

58、拥塞的无线侧候选方案：接入拥塞的无线侧候选方案： 接入控制方案接入控制方案 资源划分方案资源划分方案 动态动态RACH资源分配方案资源分配方案 MTC特定的随机接入回退（特定的随机接入回退（Backoff）方案）方案 MTC特定时隙接入方案特定时隙接入方案 Pull方案方案 随机接入拥塞解决方案随机接入拥塞解决方案 接入控制方案接入控制方案 l 在在E-UTRAN中，接入控制是由中，接入控制是由Access Class Barring（访问类别限制）功能实现的，用来抑制过（访问类别限制）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，多的流量，避免拥塞。当终端要求建立一个连

59、接时，终端应当首先执行终端应当首先执行Access Class Barring检查。如果检查。如果检查成功，终端才会发送检查成功，终端才会发送RACH（Random Access Channel随机接入信道）前导，开始随机接入信道）前导，开始RRC连接建立过连接建立过程。程。E-UTRAN执行执行Access Class Barring的方法是：的方法是：通过小区广播一个通过小区广播一个Barring因子和因子和AC Barring Time。当终端启动层当终端启动层3（RRC层）接入时，终端抽取一个随层）接入时，终端抽取一个随机数，将这个随机数和机数，将这个随机数和Barring因子做比较。

60、如果这因子做比较。如果这个随机数小于个随机数小于Barring 因子，终端开始随机接入过程，因子，终端开始随机接入过程，否则，终端会在否则，终端会在AC Barring Time内被阻止接入。因内被阻止接入。因此，可以为此，可以为MTC设备引入新的设备引入新的Barring因子，实现对因子，实现对MTC终端的接入控制。终端的接入控制。 UTRAN - UMTS Terrestrial Radio Access Network - UMTS 陆地无线接入网。UTRAN 是一种全新的接入网，是UMTS 最重要的一种接入方式，适用范围最广。UTRAN由NODE B和无线网络控制器（RNC）构成，NO