M2M通信技术现存问题研究

经验人:谭 成 刘晏东 杨小平

M2M通信技术现存问题研究

经验人:谭 成 刘晏东 杨小平

通信技术近年来发展迅速，改变了人们的工作方式和生活方式。这些技术的运用，使人和人之间的交流沟通变的更加方便快捷。目前的状况是只有计算机和相关IT设备具备这种网络通信能力，人们生活中普遍用到的机器不具备这种能力，比如家用电器、很多工厂里的机器，各种车辆等。M2M技术便是要让现有的机器设备都具备通信功能，可以进行相互联网，NetworkEverything便是M2M技术的最终目标。M2M技术的意义重大，其应用有着广阔的市场，社会生产和人们的生活方式将由M2M技术带来新一轮的变革。

背景

M2M技术是物联网核心技术之一，作用是使机器之间具备相互联接相互通信的能力，为了达到这个目标，M2M技术结合了现有不同种类的通信技术。随着现有各类通信技术的发展及运用，M2M技术也将由研究阶段逐步转向实用阶段。目前，M2M技术研究在多个方向获得了重大突破，但是由于没有一个标准化规范化的规划，使得现有M2M技术还存在很多问题急待解决。

M2M通信技术研究现存问题及解决方法

1.M2M用户海量接入与网络资源有限的问题

问题

在未来的网络中，M2M用户数量庞大，虽然每一个M2M用户在通信时带宽要求不高，但是当很多M2M用户同时发起通信时，可能会造成网络的拥塞，从而无法满足M2M用户的通信需求，而现有的研究都没考虑用户的接入需求超过网络传输能力的情况，因此很有必要设计一种网络架构，来解决M2M用户的海量接入与异构网络资源有限的问题。

解决思路

针对这一问题，我们提出一种异构网络社区（Heterogeneous Network Community，HNC）的网络框架，在这种HNC网络框架中，存在多个通信能力不同的网络，如Wifi、宏蜂窝、家庭网络等（在这里将这种单个网络成为私有网络），由于每一私有网络的通信能力是有限的，而M2M业务具有突发和随机性，在某个时刻有可能会出现一个网络产生的M2M业务量非常大，而其他网络基本上没有业务，基于这种情况，为了能够满足单个网络内M2M用户同时发起通信业务所产生的海量数据业务传输需求，可采用多个私有网络之间相互协同，共享部分资源，形成一个虚拟的公共网络，当单个私有网络无法满足其M2M用户的通信需求时，可以通过其他私有网络共享的资源，来保证M2M用户的海量数据业务传输。因此，异构网络社区就是由这样多个私有网络组成，每个网络彼此之间相互帮助，来共同解决M2M用户海量接入与单个网络资源有限的问题。

2.基于QoS保证的M2M用户网络和信道选择问题

问题

目前M2M设备按照功能分为资产追踪、建筑安全、车辆实施追踪、测量、远程医疗以及其他等6类，而不同类型的M2M设备其产生的业务具有不同的通信需求，如资产追踪和车辆实施追踪类的应用对数据的实时性要求高，要求传输的信道能够保证低时延，远程医疗和测量类的应用对数据的准确性要求高，要求传输的信道能够保证低误码率，而实时远程监控类应用需要对通信传输的时延和带宽要求较高。同时，由于目前大多数M2M设备都采取电池供电，能量消耗也是其选择通信方式的重要参考依据之一。而现有的研究基于QoS的M2M用户资源分配时，并没有将用户的能耗、QoS需求以及异构资源结合起来，因此在这种异构无线网络中，当用户可以选择多种传输方式时，如何选择网络和信道，既能满足用户业务的QoS需求，又能使得整体能量消耗达到最小，这样的问题很有必要研究。

解决思路

在如图1所示的异构无线网络环境中，假设每个M2M用户都具备接入多种类型的无线网络，那么每个M2M用户应该如何根据其产生业务的特性来选择网络和信道，在满足传输QoS需求的前提下，又能达到能耗最小。

首先可根据对不同类型的M2M设备所产生业务特性的测量结果，设计出满足该业务的QoS满足度函数Sai，如图 2所示，该图描述了两种不同类型业务的QoS满足度函数Sai的特性，（a）为阶跃型QoS特性，即当该业务的某一参数超过门限之后，就能满足其QoS需求，而随着该参数的增加，其性能提升空间并不大，（b）为线性型QoS特性，即业务的QoS满足度随着某个参数的增加而增加，呈线性增长趋势。

然后，根据设计的满足度函数，以消耗的能量为参考设计效用函数为Ui（ Sai，C Hi），其中CHi表示所选择的信道特性（如传输速率）；

从而将改优化问题建模为

对于求解该优化问题可以采用博弈论。

3.基于QoS保证的M2M用户群管理的资源分配问题

问题

在存在多个基站和M2M设备的异构无线网络中，由于M2M设备数目多，如果基站针对单个设备进行资源管理，那么基站管理的复杂度会大大增加，可能会导致系统的瘫痪，因此针对M2M用户应该采取基于群的资源管理方式，但是对于M2M用户基于群的资源管理过程中，如何对M2M用户进行有效的群进行划分，既能降低管理的复杂度，又能保障群内用户的QoS需求，从而达到资源的有效利用，因此这成为M2M用户群管理首要解决的问题，而现有研究基于QoS保障的M2M用户群管理的资源分配问题的时候，只是根据用户的单一属性划分的，适用的场景很有限，因此有必要研究一种通用的基于QoS保证的M2M用户群管理策略。

图1 多网多信道异构无线网络环境示意图

图2 两种不同业务的满足度函数

解决思路

针对这种多基站的M2M用户群管理问题，可以通过基站间的协同来完成M2M用户群管理，为了考虑一种更加通用的基于QoS保证的M2M用户群管理的资源分配策略，假设用户和基站都随机分布在一定的区域内，具体步骤如下:

步骤一:首先随机产生M2M用户的分布，然后考虑对用户进行随机化组，然后每一组根据满足组内所有M2M用户QoS需要选定基站的位置；

步骤二；根据步骤一确定的基站位置，然后基站根据自己的传输能力、用户的QoS需求以及考虑基站间的负载均衡来选择M2M用户，又形成一次M2M用户组划分；

重复步骤一和二，直至基站和M2M用户组不再发生变化为止。

4.适用M2M用户的协议设计问题

问题

目前的通信协议都是针对H2H（Human-to-Human）设计的，但是M2M用户具有文章还分析了M2M通信业务的特点:

大量设备的传输:在网络中很有可能同时会有大量设备接入网络；

高可靠性；

增加接入优先级；

低功耗；

小突发传输:带宽要求小；

低/不移动性；

监控和安全性管理；

群控制、管理；

时间控制的业务:在某些固定时间才会传输业务；

时间容忍的业务；

单向数据传输；

低时延:针对某些特定业务，可看M2M通信业务中同时包含实时业务和非实时业务这两种类型的业务；

业务传输频率。

因此很有必要设计适用于M2M用户的通信协议，而现有研究在目前的LTE上行链路中提出了一种针对小数据业务的能量有效的传输策略，并没有从根本上解决在LTE中更有效的传输M2M业务这个问题，只是在目前的体制下降低了传输功率，达到节能的目标，因此需要设计在目前网络架构下的适合M2M用户的通信，来提高系统的资源利用率。

解决思路

1.针对某一特定场景，确定产生业务的特性；

2.分析当前通信协议是否适应传输该业务；

3.若不适应传输该M2M业务，可以对该协议进行适当修改，修改的原则是既能满足当前已有业务的传输特性，又能满足该M2M业务的传输特性，确定改动的不宜太大；

4.分析修改后的协议的传输性能以及牺牲的代价。

研究展望

由于M2M通信是最近几年才开始广泛研究，而目前的通信网络主要是针对H2H用户进行设计的，而M2M通信具有很多H2H通信不具有的特点，因此很有必要设计适用于M2M用户的通信协议。虽然目前有很多研究针对M2M用户的通信方式，但是由于研究时间短，很多研究成果不够成熟，仍有很多问题亟待解决。这里提出了M2M通信技术研究现存问题及给出了解决思路，解决这些关键技术问题，将为M2M通信技术发展提供一定的理论支撑。

谭 成 刘晏东 杨小平

61123部队

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.07.001