M2M的移動通信優化技術

1 引言

隨著物—物(M2M)通信業務的快速發展，傳統傳感器網絡承載M2M業務面臨越來越多的局限性和挑戰，急需將傳感器網絡和移動通信網絡相結合，發揮移動通信覆蓋廣、可靠性高、傳輸延遲小等特點，形成分層移動M2M網絡。對于移動通信網絡來說，其終端既可以是傳感器網關，也可以是傳感器本身。

但是，傳統移動通信技術畢竟是面向人與人(H2H)通信業務設計的，適應H2H的業務需求。而M2M終端無論是從傳輸特性、QoS要求、移動性，還是從終端的分布密度方面都與H2H終端有很大不同。完全沿用傳統移動通信系統設計，系統的效率、成本和適用性都無法達到最優。

無線傳感器網絡(WSN)和移動通信的結合，既是無線傳感器網絡產業發展的需要，也是移動通信產業發展的需要，如圖1所示，這種結合可以解決兩個產業的諸多發展瓶頸，大大擴展兩個產業的業務應用領域，帶來很多新的機遇。

圖1 無線傳感器網絡和移動通信的結合

本文對面向M2M業務的移動通信優化技術進行了探討。首先，通過對傳感器網絡的特性研究，給出了一種M2M業務流量建模方法，在此基礎上提出了優化方向，并提出了一些優化技術方案。另外，本文也對3GPP在M2M優化技術方面的研究工作做了簡單介紹。

2 移動M2M通信系統架構

如圖2所示，基于移動通信系統的WSN網絡可以靈活支持各種規模的WSN網絡。可以由WSN節點通過有限的分層匯聚構成一定規模的WSN網絡后，通過具有移動終端功能的WSN網關回傳到移動通信系統。也可以由移動基站直接連接具有移動終端能力的傳感器，此時這些傳感器既是WSN節點，也是WSN網關。這種結構完全不需要WSN節點之間的自組網，可以最大限度地降低傳輸延遲，支持對實時性要求很高的監控應用。移動終端(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節點和WSN網關使用，構建個域WSN網絡。

圖2 與移動通信網絡結合的WSN網絡

3 移動M2M系統優化方向

現有的3G，LTE移動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，盡管隨著技術的發展其自身在不斷地完善和演進，但由于沒有針對M2M通信特點進行優化，仍難以完全適應M2M業務復雜的應用環境，無法滿足海量M2M接入的需要。因此為了適應M2M業務的需求，需要在如下幾個方面進行優化。

3.1 M2M新型終端類型的優化

目前，無線通信系統的終端類型是按照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線通信系統，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頻點。

(2)多種帶寬處理能力：如5MHz，10MHz，20MHz。

(3)多天線處理能力：最大支持4個天線端口的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、更簡單的多天線處理能力、更靈活的吞吐量能力和緩存能力、更簡單的移動性、只支持PS域。

3.2 M2M功耗降低優化

目前無線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下需要周期性接收系統廣播信道；在激活狀態下需要周期性接收公共控制信道，睡眠時間短；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、周期性發送接收、不需切換和移動性管理的，主要表現在以下幾方面：

(1)設計更長周期的預定義接收。

(2)設計更長周期的DRX周期。

(3)設計更有效的持續調度策略，最大限度簡化測量、反饋和信令。

(4)簡化移動性管理，最大限度簡化測量、反饋和信令。

3.3 M2M覆蓋擴展優化

目前無線通信系統主要考慮H2H通信的典型覆蓋場景，容量和覆蓋的平衡點也依照典型H2H通信場景確定。而M2M終端很可能放置在比H2H終端環境更惡劣的位置，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，需要考慮對移動通信系統的覆蓋能力進行增強，如：

(1)通過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。

(3)采用Relay等新型網絡拓撲拉近終端和基站的距離。

3.4 M2M海量容量優化

目前無線通信系統的小區容量是以典型的H2H終端密度來考慮的，如手機、筆記本電腦。傳統系統每個帶寬大于5MHz的小區支持400個終端，終端ID數量、參考信號數量、控制信道數量較小，資源分配粒度過大，MAC，RLC和RRC層協議的處理能力不足。

從長遠看來，M2M終端的數量很可能超過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)支持更大的用戶數量，如200個H2H終端+400個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，同時通過簡化處理過程限制復雜度。

3.5 M2M低數據率優化

目前無線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。

3.6 M2M時間控制優化

關鍵詞： 技術 優化 移動通信 M2M