物联网M2M关键基础技术研究

刘彦鹏 严涵琦 陈怡

摘  要：随着人与物、物与物连接增多，未来将是千亿连接量的物联网时代，M2M通信作为物联网的关键技术之一，被广泛应用于当今社会的各个领域，是实现万物互联的主要载体之一。为解决M2M在关键技术上存在的用户海量接入后网络资源有限的矛盾，M2M用户网络和信道选择、用户群管理的资源分配、用户协议设计等问题，实现低功耗M2M在关键基础技术进一步发展，对物联网M2M关键基础技术进行了研究。

关键词：物联网;M2M;边缘计算;网络虚拟化;低功耗技术

中图分类号：TN929.5;TP391.44       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）20-0175-03

Research on the Key Basic Technologies of M2M of Internet of Things

LIU Yanpeng，YAN Hanqi，CHEN Yi

（Chongqing Institute of Information and Communication，Chongqing  401336，China）

Abstract：As people and things，things and things connect more，the future will be the era of 100 billion connected things. As one of the key technologies of the internet of things，M2M communication is widely used in various fields of todays society and is one of the main carriers to realize the internet of everything. In order to solve the contradiction of the limited network resources of users after massive access in the key technology of M2M，M2M user network and channel selection，user group management resource allocation，user protocol design，etc.，to realize the further development of low-power M2M in key basic technologies，the key basic technologies of M2M in the internet of things are studied.

Keywords：internet of things;M2M;edge computing;network virtualization;low power consumption technology

0  引  言

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连接相互通信的能力，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的规划，所以针对M2M用户的通信协议需要展开研究，仍存在很多问题亟待解决。

重庆信息通信研究院是我国中西部地区重要的电子信息产业国家级公共服务平台之一，在5G、物联网、工业互联网等方面开展深入研究与前瞻布局，为大力推进物联网技术创新与应用推进，强力支撑国家物联网示范基地建设，本文研究M2M通信技术及应用将促进物联网连接规模及新一代5G通信领域的技术创新和产业应用发展，通过本文项目的实施，可以提升物联网相关企业在电子信息产业的软硬件创新能力，完善物联网产业的研发、设计、生产、销售、应用和服务的完整产业链体系，同时提升地方经济效益，共同加强技术创新研发，推进新技术的普及应用，为经济社会发展做出贡献。

1  M2M系统结构

M2M系统结构包含移动网络运营商（Mobile Network Operator，MNO）平台、M2M平台、M2M应用业务平台三部分，如图1所示。从结构上看，MNO平台拥有OTA、空中写卡、远程写卡、BOSS的功能，通过M2M平台实现用户管理;无线终端SIM卡与M2M终端通过网络接入BS（Browser/Server结构）服务器，再接入M2M平台，实现数据通信、数据统计、终端通信等功能，并为M2M应用服务的用户提供管理服务，比如电力系统、智能家居等。

2  M2M关键技术浅析

针对M2M通信技术研发及应用的关键技术主要有大规模随机接入、海量边缘计算、端到端网络虚拟化以及低功耗技术。

2.1  大规模随机接入

M2M规模应用中大量M2M终端的接入需求对网络稳定性、网络承载能力提出严峻考验。综合考虑M2M应用流量模型及业务特性、网络负载状况、队列积压等因素，研究设计基于分簇、动态前导序列划分以及基于优先级的用户排队策略的M2M隨机接入机制。

研究基于分簇的M2M终端随机接入方案，根据M2M终端特性、业务需求、网络可用资源等信息对M2M终端组进行分簇，如图2所示，进而可根据可用能量、业务时延敏感等因素对各簇设定优先级别，优先级高的簇可以有效地接入资源，避免随机接入信道拥塞，以及所导致的终端接入请求失败。

为减小系统开销，本文研究基于资源共享的前导序列管理方案，即根据人对人（Human to Human，H2H）与M2M业务需求，将前导序列划分为H2H通信专用序列，M2M通信专用序列，以及两类业务共享序列，进而根据各类业务需求，实现对前导序列的动态、灵活分配。此外，也可将M2M终端分簇机制与前导序列管理方案相结合，在实现终端高效合理分簇的基础上，为M2M独立终端或各簇簇头优化分配前导序列。

针对海量随机接入，小区选择和资源分配的紧密耦合问题，联合随机接入、小区选择及资源分配算法。首先基于M2M终端特性构建虚拟簇，为实现网络资源的有效利用并且满足M2M终端的时延需求，计划设计基于虚拟簇的联合接入类限制因子及资源分配策略，以实现网络资源利用率最大化;进而基于已得到的接入类限制因子与资源分配策略，建模基于效用函数最大化的小区选择及功率分配问题。

凭借空间复用策略在M2M终端随机接入机制中的应用，并结合资源分配策略，实现高效资源利用及用户业务性能提升。该方案基本思路为：将各小区M2M用户按其地理位置进行分组，依据特定分组策略，将小区分为各个组内的局域区域和小区广域区域;相应地，将前导序列划分为局域资源子集和广域资源子集两部分，并设计特定匹配算法进行前导序列与用户/用户组的匹配。进而结合M2M终端功率分配优化策略，实现前导序列高效复用，显著提升终端随机接入成功率。

2.2  海量边缘计算

M2M设备的海量数据可以通过边缘计算（MEC）实现在云端处理，大量设备可实现高效协同工作，可有效降低M2M设备的数据负荷，简化物联网设备，达到低功耗目的。另一方面，通过以终端直通（Device-to-Device，D2D）方式接入其他M2M终端或关联MEC服务器，借助部分M2M终端以及MEC服务器的计算资源以及信息收集能力，可实现时延、M2M终端高效任务执行以及能耗的显著降低。

利用MEC及5G技术实现万物互联，在物联网工作负载和系统变得更加复杂情况下，MEC也将让M2M通信更灵活，更灵敏。通过这种方式，物联网将促进MEC资源、M2M设备本身之间的更大连接。

2.3  端到端网络虚拟化

面向M2M规模应用对灵活、可扩网络体系架构的要求，本文引入分层体系架构思想，分别针对5G接入网（Radio Access Network，RAN）及核心网（Core Network，CN）提出基于分层控制及端到端虚拟化的软件定义网络架构，如图3所示。

所提架构中的各层控制器包括网络控制器、RAN控制器、通用接入点（SD-General Access Point，SD-GAP）控制器、M2M业务服务器及CN控制器。其中，网络控制器处于分层控制结构的顶层，主要负责端到端QoS保障、路由建立、服务连接、移动性管理、流量控制等。RAN控制器负责管理其控制范围内的所有SD-GAP，依据多样化业务需求及QoS策略，协调各SD-GAP的无线资源分配。SD-GAP控制器主要负责与SD-GAP关联的M2M终端的无线承载建立、无线资源管理、移动性管理等。M2M终端控制器负责对M2M终端的管理。CN控制器负责控制管理SD-Switch，其具体功能包括用户和安全管理、接入和承载管理、流路由管理、网关路由选择和重定位控制等。根据M2M应用设备规模及网络基础设施状态，各级控制器内部及相应数据平面可支持分层部署，如通过构建终端集群、SD-GAP集群、控制器群组等，实现网络架构的高度灵活性及可扩展性。

针对M2M规模应用高度差异化业务需求对网络功能差异性、多样化需求，在对SD-RAN各层功能进行深入分析的基础上，对射频单元及基带单元的功能进行细粒度分解、编排、重组及定制，以实现业务需求与网络功能的智能适配。在SD-CN中，将研究智能细粒度网络功能部署机制，根据M2M业务需求，在各SD-Switch处优化部署各类网络功能。

为实现对M2M规模应用高度差异化、个性化业务的有效支持，本文还将研究基于多域多维协作的网络虚拟化机制，分别针对RAN及CN设计网络虚拟化机制，即SD-RAN虚拟化机制及SD-CN虚拟化管理机制。此外，在RAN及CN之上也引入高级虚拟化机制，即端到端网络虚拟化机制，提供高层次资源管理框架，为M2M规模应用接入自适应地分配多维网络资源，设计多跳路由策略，以实现端到端QoS保障。SD-RAN虚拟化机制主要执行SD-GAP的底层资源调度，基于无线资源调度方案实现虚拟网络之间的隔离及高效资源共享;SD-CN虚拟化管理机制实现对SD-Switch的资源，如带宽资源、缓存资源及流表资源等的管理，从而为SD-CN中特定的虚拟网络提供资源保障。通过端到端网络虚拟化机制、SD-RAN虚拟化机制及SD-CN虚拟化机制的多域多维协作，所提出的虚拟化架构将支持包含SD-RAN和SD-CN的端到端网络虚拟化，从而实现真正意义上的多服务融合的网络基础设施。

2.4  低功耗技术

面向5G智能物联场景，研究M2M终端及系统低功耗技术。可借鉴LTE中采用的非连续接收（Discontinuous Reception，DRX）技术，通过允许终端设备周期性地进入休眠模式，关闭收发单元，以减少终端设备的能量消耗。为了进一步降低M2M终端能量消耗，满足M2M终端设备对功耗极低的要求，采用增强型非连续接收（Extended DRX，eDRX）技术。

如图4所示，M2M终端的一个eDRX Cycle由两部分组成，分别为“On Duration”和“Opportunity for eDRX”。当M2M终端处于“On Duration”时，为唤醒激活期，并于此期间监听NPDCCH（Narrowband PDCCH）子帧;当M2M终端处于“Opportunity for eDRX”时，为睡眠状态，即终端为了节省电量，进入不监听NPDCCH子帧的睡眠状态。

针对M2M终端对M2M通信时延与功耗的需求，开展平衡M2M终端时延需求与低功耗需求的eDRX周期配置算法研究。基于M2M终端的状态信息，合理改进eDRX机制中“On Duration”与“Opportunity for eDRX”模式选取过程中相关参数及定时器的设置，确定满足M2M终端通信时延约束下的最优eDRX。

针对由单个基站与多个M2M终端构成的M2M通信网络，研究联合模式选择及资源分配算法以实现网络能耗最小化。将网络能耗最小化转换为网络中M2M终端剩余能量最大化，建模联合模式选择及资源分配问题为M2M终端剩余能量最大化问题。由于所建模的优化问题是非凸问题，无法通过传统的优化理论进行求解。

3  结  论

研究M2M通信技术及应用将增加我国物联网连接规模及新一代5G通信领域的技术创新和产业应用发展。通过该项目研究，可以挖掘运营商在电子信息产业的软硬件创新能力，完善相关领域的物联网产业的研发、设计、生产、销售、应用和服务的完整产业链体系，同时提升地方经济效益。因此，M2M的关键基础技术发展成熟是率先形成完整产业链和内在驱动力的技术保障，也将持续助推产业经济的高質量发展。

参考文献：

[1] 王东.面向5G的M2M通信低功耗覆盖增强及资源调度的研究 [D].北京：北京交通大学，2017.

[2] 陈子玉.物联网中M2M通信随机接入研究 [D].北京：北京邮电大学，2017.

[3] 冯改玲.基于M2M的低功耗无线传感网组网技术的研究 [D].东华大学，2006.

[4] 马张枫.M2M通信系统无线资源分配算法研究 [D].重庆：重庆邮电大学，2018.

作者简介：刘彦鹏（1991—），男，汉族，重庆人，就职于科技合作部公共关系室，副主任，本科，研究方向：信息通信与物联网技术与应用;严涵琦（1986—），女，汉族，重庆人，就职于科技合作部技术支撑室，主任，高级工程师，硕士，研究方向：物联网测试关键技术及标准体系;陈怡（1990—），女，汉族，重庆人，就职于科技合作部科研项目室，副主任，硕士，研究方向：5G通信技术与物联网技术。