LTE和物联网融合

2013-10-27李铁峰黄耀军

通信技术 2013年4期

关键词：终端设备终端服务器

李铁峰，黄耀军，张震

（中国移动广东深圳分公司，广东深圳 518048）

0 引言

物联网自 1999年被提出以来，得到了广泛关注和迅猛发展，被誉为是推动产业升级迈向信息社会的发动机。近年来全球主要发达国家和地区纷纷提出与物联网相关的信息化战略，具有物联网特征的相关应用层出不穷。

LTE通信网络被称之为准4G网络，近年发展迅速、应用广泛，FDD LTE已逐渐成为国外运营商的首选，由中国主导、具有自主知识产权的TD-LTE日臻成熟，有望在年内试商用。

LTE为物联网提供了良好网络保障，物联网也将促进 LTE网络的广泛应用，二者融合发展、互为促进，必将有效推动信息化融合，加速传统产业转型升级，提供新的经济增长点。

1 LTE网络中对物联网支持

1.1 LTE简介

LTE是 3G技术长期演进（Long Term Evolution）的英文缩写，称之为 3.9G或准4G无线通信技术，采用正交频分复用（OFDM）和多输入多输出（MIMO）等技术，使网络具有高带宽（在20 MHz频谱带宽下提供下行 326 Mbit/s与上行86 Mbit/s的峰值速率）、低时延（用户平面内部单向传输时延低于 5 ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50 ms）、扁平化、IP化、智能化等特点。LTE 已经成为下一代移动通信技术的实际标准。

1.2 物联网简介

物联网是通过信息传感设备（射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等），按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1]。

机器对机器通信（M2M）是物联网的重要部分，M2M指通过“通信网络”传递信息从而实现机器对机器或人对机器的数据交换，也就是通过通信网络实现机器之间的互联互通。

1.33 GPP中关于MTC的标准进展

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。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，而目前迅速发展的LTE技术是M2M通信组网的最佳选择。

为了对M2M的支持，3GPP早在2005年9月就开展了移动通信系统支持物联网应用的可行性研究，正式研究于R10阶段启动。

M2M在3GPP内对应的名称为机器类型通信（MTC）。3GPP并行设立了多个工作项目或研究项目，由不同工作组按照其领域，并行展开针对MTC的研究。SA1 工作组( TSGSA中第1工作组)负责定义MTC业务需求及特性。基于SA1提出的需求，SA2工作组负责设计M2M网络优化的总体技术方案，包括网络基本架构、主要功能和基本处理流程等。SA3工作组关注整个3GPP系统的安全，负责分析MTC通信潜在的安全威胁及安全需求并提出可行的解决方案。基于 SA2的输出，TSG CT(TSG核心网络终端)中各工作组负责终端及核心网方面MTC各种优化技术的实现。TSG GERAN(TSG GSM/EDGE 无线接入网)和TSG RAN (TSG接入网)中各工作组负责 MTC通信在无线接入网络中的优化。

在R10阶段，3GPP完成了Stage 1阶段M2M通信需求定义的工作，2010年6月，SA #48全会在SA1工作组启动了Stage 1 WI项目，其主要目标是根据Stage 2的研究进展对TS 22.368中已定义的需求、用例以及功能做进一步完善。该项目计划于2011年9月冻结。除此之外，SA #48全会还批准SA1成立R11阶段新的Stage 1 SI项目，在允许MTC终端设备间的通信以及引入 MTC网关等新场景下研究新增的功能需求。项目已于2011年完成研究报告，目前正在开展R12阶段研究工作[2]。

2 LTE中MTC的概念及应用

2.1 MTC终端的特点

u由于并不是所有的MTC应用都具有一样的特征，用不同的 MTC 应用特征来定义不同的 MTC应用，从而达到有目标的优化MTC的目的，MTC终端具有如下的一些特性：

1）低移动性：MTC终端不移动，不经常移动或者是在指定的区域内移动。

2）时间控制接入：MTC终端在规定时间内发送接收数据。

3）时间容忍度:MTC终端仅需要延迟数据传输。

4）只使用分组交换：MTC终端只需要分组数据传输。

5）在线少量数据传输：永远在线少量数据传输。

6）离线少量数据传输: MTC终端只需要离线少量数据传输。

7）只有MTC发起：使用终端发起的通信。

8）很少有移动接收：网络偶尔发起业务(Push)。

9）离线指示：MTC服务器（MTC server）感知终端离线。

10）拥塞指示：MTC服务器感知终端被屏蔽。

11）优先告警：网络需要保证PAM消息优先被传递。

12）特别低的功耗：终端低功耗保证。

13）安全连接: MTC终端要求在它与MTC服务器建立安全连接。

14）特定位置触发器：对已知位置MTC终端进行触发的MTC应用。

2.2 基于MTC网络框架结构

MTC网络结构如图1所示，主要包括3部分：MTC终端设备，承载通道以及MTC服务器，MTC终端设备与一个或者多个MTC服务器进行通信，LTE网络作为MTC终端设备与MTC服务器之间传递信息的承载通道。

系统中有 MTCu、MTCi、MTCsms等接口。MTC的交互功能（IWK Function）模块主要用于满足多种通信模式的需要，具有终结协议、服务鉴权、安全通信保障等功能。

图1 MTC系统结构示意

MTC终端具有一些不同于传统LTE终端的特殊功能，例如：

MTC终端地址和编号：编号要能够唯一标识一个MTC终端设备，能唯一标识一个MTC终端设备组，由于地址空间受限，受限的编号涉及到IMSI, MSISDN和IPv4地址。

MTC计费功能：能够对一个 MTC组进行计费，能够对特定的时间段执行特殊费率、能够对特定的事件进行计费。

MTC通信安全：能够提供与H2H相同的安全级别。

远端MTC终端设备管理：由现有的机制完成，例如OMA DM。

2.3 MTC接入场景和方法

3GPP给出了MTC在LTE网络中3种接入场景（直接、间接、混合）。间接场景中 MTC 终端设备和一个或者多个 MTC服务器通信又分为MTC服务器位于操作域内和位于操作域外两种[3]，具体如图2所示。

图2 MTC系统接入场景

两个MTC终端设备通过不同的操作域互相通信的接入场景如图3所示。

图3 MTC系统跨域接入场景

2.4 MTC网络特定问题及解决方法

MTC终端和业务的特殊性，决定了MTC网络相对于传统的 LTE网络有特殊的地方，针对这些特性相应的解决方案如下：

1）基于组的优化：MTC的应用决定了 MTC终端设备具有特定的作用，如果将一些具有相似特性、相似地理位置或属于同一用户的MTC 设备组成一个组，然后对该group进行统一的管理，数据统一发送，这样会在很大程度上节约信令和开销。

2）MTC终端设备之间的通信问题：一个用户可能需要将多个MTC终端设备通过PLMN连接到多个MTC服务器上，这要求MTC具备一系列的能力。

3）MTC终端设备地址：由于有众多的MTC 设备和MTC 服务器，且MTC服务器由于考虑具备集中控制的功能，因此MTC服务器需要可以发起与多个MTC 设备的连接。由于IPv4地址空间的限制，MTC终端设备只能分配私有的不可路由的IPv4地址，可以考虑 IPv6以及其它的方法来给MTC终端设备分配地址，在R10阶段优先解决终端地址分配的技术问题。

4）在线/离线小数据包传输：数据包大小是由MTC终端设备（如抄表设备）的功能决定，某些MTC终端设备需要偶尔发送一些少量的离线数据。对于这种场景，可以采取某种优化方式，使系统资源利用率更高（如在没有数据发送的时候就detach）。

5）拥塞控制：由于MTC 终端设备的众多特征，使得终端与服务器之间的数据或信令传递很容易引起接入网和核心网的拥塞。这是 MTC现在迫切需要解决的问题。主要是针对 attach request，service request等信令的发起时间进行随机化，避开大量MTC同一时刻发起大量的信令而堵塞网络。

6）低移动性：对于这些场景的 MTC 终端设备，需要研究如何减少频繁的移动性管理过程，如何优化paging。

7）时间控制：具备时间 MTC 设备只能在预先确定的时间间隙内发送和接收数据。核心网可以修改和预定义时间间隙，确定如何限制MTC 设备的连接，避免间隙之外的没有必要的网络负载。

3 LTE和物联网的融合

3.1 基于LTE的物联网的结构

一个典型的基于LTE架构的MTC网络结构如图4所示，系统包括MTC传输网、LTE接入网以及LTE核心网。MTC终端设备通过LTE核心网和MTC服务器通信，数据通过MTC传感器转换成数据，接入LTE网络，然后和其它的MTC终端或者是非MTC终端通信。

图4 基于LTE的MTC网络结构

3.2 基于LTE的MTC网络存在的问题及挑战

高性能通信设备已经开始使用 LTE 技术。但是对于低速/低性能 MTC应用而言，仍存在一些问题，例如：

1）覆盖范围不同：LTE网络部署正在迅速展开，毫无疑问，LTE 将在全球范围内的大型国家和地区网络中部署（而非只在人口稠密区）。由于LTE 是一项新技术，因此其覆盖区域仍处于扩张阶段，并不像 2G 和 3G 网络一样普及，因此LTE在各地区的覆盖区域有很大差异。

2）设备成本：对于开发低速率 MTC 应用厂商来说，另一个顾虑便是成本问题，LTE技术是一项比 2G 更复杂的新技术，需要对更多频段和频段组合进行支持以及更复杂的接收配置和天线，因此现在 LTE 模块的初期成本高于 2G 技术。的确，一些构建低速率MTC解决方案的 OEM 会认为 LTE 所采用的组件性能和成本偏高，暂不是低速率MTC应用的最佳选择。

3）带宽问题：据预测，到2020年M2M与现有H2H通信互联比例将达到30:1，即可能从60亿人口扩展到500亿乃至上万亿的MTC，当物联网得以大规模应用，将有超过500亿以上的终端需要通过无线方式连接在一起，其对频谱的需求绝不是如今己分配的移动通信和无线接入频率所能承载的。

4）网络的拥塞及解决方法：当大量的 MTC终端集中在某个区域以及某个时刻接入时候，其带来的网络方面的冲击是目前LTE网络无法预知的，存在网络安全问题[4-5]。

3.3 LTE为MTC做的优化

目前，网络运营商、LTE 技术提供商以及标准制定机构正投入大量资源，以期增强 LTE 技术与各种 MTC应用的兼容性。其中包括：

1）开发新型的低成本、低速率 LTE 设备，与其他任何新技术一样，LTE 模块及设备的成本将逐步降低。

2）减少大规模 MTC应用而导致的拥堵。

3）将 LTE 设备接入网络时最大程度减少设备数量。

4）对延迟要求不高的应用设置更长的睡眠周期并提供移动管理设置功能，从而提高能效。

此外，3GPP还制定各种标准，预防网络拥堵或漫游时无法接入网络的情况。例如，制定保护机制，从而允许本地用户接入网络而屏蔽漫游用户，确保在整合网络中，当一个网络瘫痪时，其它网络不会立即陷入拥堵。

此外，3GPP扩大 LTE 的覆盖区域并将接入蜂窝网络的 MTC终端设备数量降至最少。一种成熟可靠的方式是降低速率以换取更大的覆盖区域。由于LTE 利用更宽的带宽提供更高的数据传输速率。但是，对于很多低速率的 MTC应用来说，一些频段理论上可以用来改善室内穿透性，从而扩大室内 MTC 系统的覆盖区域，许多运营商正在700 MHz 等较低频段中使用采用 LTE，因此 LTE网络室内应用的覆盖程度上，最终可能超出频率更高的 3G 服务[6]。

3.4 LTE和物联网的融合前景展望

作为下一代无线通信技术，LTE系统和终端，特别是 LTE终端将承担未来 LTE与移动物联网的核心技术融合和技术创新的重担，各种物联网的应用也将通过 LTE终端的普及和推广得到快速的发展。另一方面，由于物联网信息的种类和数量成倍增加，需要传输的数据量也成级数增加，同时还涉及到各种异构网络或多个系统之间融合问题，而基于LTE技术的网络，可以有效解决这些问题。

在物联网感知层面，针对LTE终端需要研究和解决LTE天线与RFID、GPS天线的多模重构技术，LTE射频和 RFID、GPS射频的多模智能技术，LTE基带和RFID基带的多模集成技术。目前基于多模技术的 LTE终端也许是一个有效的解决途径。

在物联网网络层面，目前的传输技术包括2G/3G、LTE、WiFi和有线网络等。对于这个异构网络环境的现状，在LTE终端中，需要研究和解决无线传感器网络与 LTE网络相互融合的技术，以实现异构网络稳定、快捷、低功耗、低成本融合。

LTE与物联网的结合，将全面加速灾害预警、健康医疗、智慧城市、智能交通、精细农业、智慧家庭等物联网应用的发展步伐，成为移动通信行业应用的重要切入点[7]。