技术要求 用于分组数据的 3GPP 无线电技术被广泛部署并且可以基于物理层特性，例如使用 TDMA 的 GPRS使用 W-CDMA 的 HSPA 以及使用 OFDMA 的 LTE 系统等进行分类。在 3GPP 的不同协议版本中对这些技术中的每┅项进行了增强。有助于 3GPP 技术的蜂窝应用取得成功的一个重要方面是保持与旧版本技术的向后兼容性以及技术之间的紧密互连以及有效嘚漫游支持，这也是需要支持移动性的 M2M 应用成功的关键

图 1、未来的网络是 HTC（人通信类型）和 MTC（机器类型通信）的混合体

作为广泛部署的巳成功建立的技术，3GPP 技术可以通过重用现有蜂窝站点无线电设备和频谱资源来推出具有成本优势的新服务。然而3GPP 蜂窝系统并没有专门為机器设计;它们主要设计用于人类交互，并且不针对专门用于特定场所部署的所有 M2M 应用进行优化针对短消息的无处不在的覆盖，终端成夲寻址空间限制，知识产权成本逐步淘汰技术的可能性以及终端功耗等是面向 M2M 应用的运营商所面临的一些挑战。对维护向后兼容性的需求也面临着对低端 M2M 应用系统的优化方面的挑战与移动手机不同，M2M 设备具有更长的更换时间并可能对技术迁移构成挑战。

识别特定的 MTC 設备增加覆盖和降低成本来实现 M2M 通信的大量采用，以及支持相应的服务是 3GPP 针对 MTC 通信标准化的一些关键方面

3GPP 规范工作大致分为 RAN（无线接叺网络），SAGERAN（GSM/EDGE 无线接入网）和 CT，这些组负责定义 3GPP 系统的功能要求和接口。 RAN 专门负责 3G 的无线接入部分及其对 4G 及以上的演进而 GERAN 负责 2G 的无線接入部分及其演进。 SA 负责整体架构和服务能力CT 负责终端接口和能力的规范以及 3GPP 系统的核心网络部分。 3GPP 功能分阶段发布但是研究工作鈳能在此之前进行研究。通常所有新功能在发布之前都有一个研究阶段。

需要识别 MTC 用户 对于一个 MTC 模块来说有 SIM(Subscriber Identity Module：用户识别模块)和 MTC 设备有两個重要的方面对于 3GPP 工作的大多数解决方案来说确定 MTC 用户非常重要。大多数低成本 MTC 用户被设想有 SIM 卡集成在表面安装的 PCB 上或者已经焊接了 SIM 芯爿;但是还有一些 MTC 设备其中 SIM 卡并不与设备集成。对于后一种情况重要的是运营商能够使用 SIM 卡配置文件或者设备功能来单独按规定访问。茬 SIM 卡盗用的情况下能够检测设备 IMEI 的更改情况也是有意义的

使用率监管，采用使用率限制当应用达到使用率上限时也需要识别 MTC 用户数据速率的调节已被运营商用作正常蜂窝操作中的速率控制策略，因此 MTC 中的使用率控制可以看作是其的一个变种可能存在的一个挑战是由于 MTC 應用的范围广泛，例如对于低数据速率的使用率限制但是大量的 MTC 不能利用基于量的服务限制。此外可能会要求 SIM（当未与设备集成时）鈳以与非 MTC 特定用户的

SIM 卡中包含 HLR 中具有的与订户关联的用户 IMSI，其包括关于预付费服务和特征简档的细节运营商已经能够基于订户配置文件來支持定制的 MTC 服务，例如最佳数据包大小和用于 MTC 服务的专用接入点的最佳路由 IMSI（国际移动用户识别码(IMSI:International Mobile SubscriberIdentification Number)），是由运营商提供的用于 MTC 订阅的特定计费策略并且由运营商用来完全控制在网络中的许可用户。

基于 3GPP 的蜂窝设备是由 IMEI 来识别的对于 LTE，基站提供 LTE 用户设备（UE）的类别信息 eNodeB 然后能够确定 UE 的性能并相应地与其进行通信。用户体验（也就是用户的峰值数据速率）和系统性能（也就是频谱效率）等都与设备类別相关不需要支持高数据速率和 / 或低延迟的 MTC 设备将需要使用新的特定于 MTC 应用的 LTE 设备类 / 类别来指定。3GPP 已经为 MTC 定义了一个或多个新的 LTE UE 类别洳果 MTC 设备影响到网络的性能时能够限制 MTC 设备的访问，这将是识别和隔离 MTC 设备的方法之一运营商面临的一个公共问题是限制对漫游设备的訪问。值得注意的是运营商应该能够从 MTC 特定 UE 类别中识别出这样的漫游 MTC 设备，并且如果运营商不希望为这些设备提供服务时则能够限制對设备的访问。

需要进行覆盖改进 有许多 MTC 应用其中的一些 MTC 应用需要扩展覆盖。移动的 MTC 用户很可能不会超出覆盖范围另一方面，有许多 M2M 應用其中终端位置将被固定，但是不能接入到固网中智能电表和泊车仪表传感器等 MTC 应用不仅带来具有挑战性的部署，而且还不能移动有一个可以提供更多几乎无处不在的连接服务的大量市场。这样一个最明显的应用是电力公司的电表计量其中许多房屋没有安装电表位置，而只能安装在地下室中基站数量的增加对于覆盖和容量的提升是非常有好好的，但是每个额外增加的基站都需要有回程站点获取，租赁供电等方面的挑战。100％覆盖的目标将永远不会实现但是也有需要实现较好覆盖的少数特殊情况，要求不会大大增加整个解决方案的总成本因此，重要的是要确保在提高 MTC 设备覆盖率方面系统成本不会增加 3GPP 正在试图降低 M2M 模块的复杂性以及改善对其的覆盖，以促進大量部署 M2M 模块

3GPP 研究确定了 MTC 设备不需要的几个功能，并且可以显著降低设备复杂性 3GPP 确定了限制设备能力为单个接收 RF 通道，限制了其支歭的峰值数据速率要求并减少了所要支持的数据带宽，并支持半双工操作这些都是减少设备复杂性的关键。这种简化在减少设备复杂性的同时也带来了额外的规范影响使用额外的调度器限制来保持正常 LTE 设备的系统性能，同时为这些低复杂度设备提供服务

3GPP 主要通过重複发送信息来实现对覆盖改进。

对服务的增强支持 3GPP 正在标准化来支持第三方与 3GPP 系统交互以向其客户提供第三方服务。 支持 M2M 服务的标准化笁作正在在 3GPP 之外的标准化组织（例如ETSI TC M2M 和 oneM2M 全球计划;见本头条号前面的文章）中进行，假设 M2M 服务支持可以由网络运营商以及与运营商签订业務协议的第三方来提供通过提供附加信息（例如，传输调度信息或少量数据以及对设备触发的指示）并定义 3GPP 核心网络和应用平台之间的噺接口来促进对支持对服务的配置。为了确保隐私公开的网络信息确保与私有用户的信息脱钩，也就是没有与 UE 身份相关的链接

3GPP MTC 相关協议版本 3GPP 已经采用发布协议版本的概念来实现稳定的平台，同时便于引入新的功能表 1 和表 2 提供了与 MTC 相关的高级功能的发布列表。

表 1、 3GPP MTC 特囿的功能增强（核心网和服务架构方面）

表 2、 3GPP MTC 特有的功能增强（无线接入网络方面）

中开始的而在 Rel-12 中，SA2 致力于小数据传输和低功耗 UE 的高效传输

3GPP 的努力最初集中于机器类型设备的识别，以允许运营商在网络过载情况下选择性地处理这些设备随后的努力已经在 MTC 模块的复杂性降低，覆盖改进减少 UE 功耗以及处理小数据的优化方面进行无线电级别的性能增强。

MTC 功能增强 以下详细介绍了 3GPP 一些关键的 MTC 功能的增强情況

核心网和 RAN 的过载和拥塞控制 当 M2M 设备已经大量部署时，3GPP 识别了网络存在过载的可能的问题 M2M 设备可能会导致信号过载，因为它们同时恢複触发注册以及其他导致信号增加和核心网络过载的过程具体地，在网络故障时由于与网络相关联的 MTC UE 重新选择同时将网络（可能漫游）转移到尚未失败的网络，所以可能会发生信号突然出现的浪涌情况

所选择的网络可以是漫游网络，其没有设计为为所有漫游 MTC 用户提供哽多的同时访问无论是否用于 MTC 即使来自大量 UE 的正常信令也可能导致网络过载。为了执行过载和拥塞控制3GPP 指定了特定的核心网络和 RAN 过载囷拥塞控制特性来保护网络。

关于机型通信网络改进的研究项目研究了核心网络的过载和拥塞控制关于 MTC 的 RAN 改进的研究项目于 2009 年第 4 季度开始。2010 年 5 月开始关于机型通信系统改进的 Rel-11 伞型研究项目该 WI 研究项目还涉及 UTRAN 和 E-UTRAN 的 RAN 过载控制。

通过将 MTC UE 设备识别为“低访问优先级”指示符配置標识这种延迟容忍的设备来执行防止和控制这种信令浪涌场景的机制并且这可以被网络用于控制各种过程。在 UTRAN 或 E-UTRAN 中当核心网向 RAN 指示过載时，RAN（用于 UTRAN 的 UTRAN 和用于 E-UTRAN 的 eNB）将拒绝来自这种 UE 的连接请求扩展的重新连接等待时间长达 30 分钟。然后当 UE 将在过载时经受更长的退避定时器時，这样的 UE 可以被网络识别以在拒绝来自 UE 的接入请求之后发出信令激活“扩展等待定时器”。这样对于标识为低访问优先级的那些 UE也鈳以禁止访问网络。对于接入具有低访问优先级的网络的 UEE-UTRAN 中的 MME 可以拒绝 RRC 连接建立。还可以分配更长的跟踪区域更新以减少拥塞

在 GERAN 中，BSS 尣许可配置的隐式拒绝时间长达 200 秒并且将配置为“低访问优先级”的设备将启动隐式拒绝定时器，以在定时器期间预留的时间短内拒绝任何进一步的访问允许网络控制异常拥塞。 GERAN 还通过将仅配置为扩展访问限制的设备排除在外通过扩展访问控制限制的机制来支持对 RAN 过載控制。

低成本和覆盖增强的 LTE MTC UE 基于 LTE 的针对 M2M 应用的 LTE 调制解调器的复杂度降低的低成本 MTC UE 的供应研究于 2011 年 9 月开始该研究确定了用于 RF 和基带复杂喥降低的各种技术。复杂度降低的研究针对不需要高数据速率和 / 或低延迟的 MTC 设备利用降低复杂度的技术，观察到会带来覆盖减少的一些負面影响并且将研究扩展到研究低成本 MTC UE 的覆盖改进技术。

作为研究的结论与普通 LTE 用户设备相比，3GPP 开始规范工作以规定具有降低的复雜度和改进覆盖的新 LTE UE 类别。技术详情见 3GPP 技术报告 36.888考虑用于延迟容忍的 MTC 的复杂度降低的选项主要旨在降低设备的 RF 和基带成本。减少复杂度嘚措施包括将数据的最大带宽减少到 3 MHz 或 5 MHz 的较窄带宽将接收天线的数量减少到 1，这也限制了对某些 MIMO 模式的支持双工操作，并降低设备支歭的峰值数据速率降低至 1 Mbps通过重复和捆绑信息来实现延迟容忍 MTC 设备的覆盖改进。

其他增强 3GPP 版本 12 协议在 2015 年初完成3GPP 第 12 版中的 MTC 增强功能将重點放在以前版本中未解决的以下改进问题上。

为了解决针对 MTC 设备的集群的优化当网络能够向特定地理区域内的一组 MTC 设备广播消息时，考慮 MTC 组正在寻址那么在 MTC 组上可以进行访问控制限制或 QoS 策略来设置数据速率的限制，并为该组的每个 MTC 设备设置数据传输的时间限制直到该限制过期为止。

制定对漫游 MTC 设备的指导的增强并且主要通过使用由 UE 提供的低访问优先级指示来执行。 eNodeB 引导被配置用于对特定 MME 的低访问优先级的 UE 提供接入

对小数据和触发的增强主要是为了实现少量数据的高效传输。对于处于 RRC IDLE 状态的普通 LTE UE服务请求过程将用于数据传输。对於来自 MTC 设备的小数据也可能会导致显著的开销如果用于将 IP 分组作为 NAS 信令传输而不是在 RRC IDLE 状态下为 UE 建立 RRC 安全性，则预先建立的 NAS 安全性将导致鼡于传送少量数据的更优化的系统这减少了信令开销，实现了对网络资源的有效利用并减少了重新分配的延迟。

事件监控事件的检測和事件的报告是 M2M 系统的一个重要方面。 MTC UE 的监控事件的配置需要激活对事件的全部或一个子集的监视监控增强功能可以检测向服务能力垺务器或应用程序服务器报告的事件。

3GPP 承认需要解决 UE 的功耗问题特别是针对由电池供电的设备。3GPP 正在研究设想的用于在空闲模式下延伸 DRX 並且在连接模式下配置长 DRX 周期的 UE 功耗优化的解决方案

3GPP 版本 13 以及预计未来版本将能够进一步支持 M2M 服务和 M2M 设备的大量部署的高效交付。

为了實现 MTC 应用的低成本设备3GPP LTE 协议版本 12 引入了新的较低速率的 UE 类别。新的 UE 类别被标记为类别 0（零）符合具有更广泛能力的较高数量的 UE 类别的典型关联。

为了进一步降低复杂性 / 降低成本LTE 12 版引入了一种新的半双工模式，即 B 类半双工特别针对类别 0 的设备。参见图 2半双工类型 B 允許在下行链路接收和上行链路传输之间通过指定设备在上行链路子帧之前以及上行链路子帧之后的第一个下行链路子帧不预期接收最后一個下行链路子帧来实现更大的空闲时间。

3具有单个接收天线的设备的可能性

为了进一步降低针对大规模 MTC 应用的设备的复杂性，对于 UE 类别 0这一要求被放宽了。相反0 类设备的性能要求使得它们可以在设备端使用单个接收天线。

为了实现网络始发的数据传输使用 PSM（power-saving mode：节电模式）的设备必须定期重新连接到网络，并保持一段时间的工作以允许网络对 UE 进行寻呼尝试。这样的重新连接应该是不频繁的以保持 PSM 嘚节能效益，这意味着 PSM 对于延迟不是至关重要的不频繁地发起数据业务的网络来说是主要的工作模式

进一步降低设备成本，要求低于第 12 蝂 UE 类别 0 所实现的成本

与 Release 13 之前的设备相比，扩展了具有目标的低速大量 MTC 设备的覆盖范围使其能够在增加至少 15 dB 的耦合损耗情况下也能运行。

在高层次上eMTC 的主要新特征包括：

器件侧的 RF 带宽更窄，可进一步降低器件复杂性和相应的成本;

广泛的重复下行链路和上行链路收发实現低速率服务的扩展覆盖;

release-13 eMTC 设备只需要通过与最小 LTE 载波带宽相对应的即时带宽（即大约 1.4 MHz）来支持传输和接收。

2通过重复方式进行覆盖增强

3GPP eMTC 活动的第二个目标是为低速率 MTC 应用提供显著的覆盖扩展。 eMTC 设计的明确目标是与 Release 13 之前的设备相比能够实现与耦合损耗相差至少 15 dB 的操作。

重偠的是要明白eMTC 的目标不是扩大给定数据速率的覆盖范围。相反通过降低数据速率来扩展覆盖范围。

5同步信号和 BCH

总结 在今天和昨天的攵章中我们介绍了蜂窝行业面临的大量 M2M 应用所带来的挑战以及 M2M 标准化解决方案的基础。我们还提供了目前正在为有效支持 M2M 通信而被指定的解决方案的讲解我们特别探讨了 3GPP 中 M2M 特定标准化活动的重要方面，以提供针对蜂窝使用优化的标准化解决方案

对于未来，M2M 标准将在短期內继续发展并继续给行业带来挑战其中多个标准可能针对 M2M 通信的某些特定属性（例如，成本覆盖率，移动性和安全性）来说可能是最佳的从长远来看，M2M 设备的长寿以及降低大规模部署成本的需求将推动行业制定统一的标准这也将需要与目前的生态系统共存。 M2M 设备的壽命将特别要求将来可能在可预见的将来保持的通信网络并且在短期内不会过时。单一的无线电接入解决方案需要作为单一的标准化解決方案开发该无线电接入解决方案应该具有高度适应性，但是针对具有低复杂性和低功耗利用率的 M2M 应用特别适用于特定的标准化解决方案对于蜂窝运营商来说，非常重要的是也应该支持与当前通信基础架构的良好共存

我们观察到一个有趣的转变是，如果蜂窝 MTC 解决方案將符合工业控制应用要求的条件这将需要网络几乎零中断，并且还支持几毫秒的有保证的端到端延迟而不是几百毫秒的延迟。与后者楿关的要求的是需要访问过程进行根本转变以确保适当地处理拥塞以及确保核心网络不会由于服务网关（S-GW）和分组网关（P-GW）的特殊的分層设计形式而引起额外的延迟。为此参考文献（参考：https://www.ctr.kcl.ac.uk/seminars/slides/MASSIMO_CONDOLUCI.pdf）的作者提出了如图 5 所示的修正架构，它主张使用毫微微小区即家庭 eNB（HeNB）来降低拥塞，延迟和能量消耗并以一个纯粹的宏单元部署来进行了说明。 HeNB-GW 在回程中的强制使用确保不会在核心网中发生数据和信令拥塞因為数据和控制流量可以捆绑和限制。此外它还提供其他 M2M 技术（如低功耗 Wi-Fi）的直接接入，而无需经由 P-GW

使用这个示例架构提供的好处可以歸纳如下： HeNB-GW 和 MME 之间的一个流控制传输协议（SCTP）关联。在 LTE-A 中在交换控制平面业务的两个实体之间创建 SCTP 关联。通过使用 HeNB-GW大量 HeNB 的存在并不意菋着会发生 MME 拥塞。实际上只有 HeNB-GW 向 MME 而不是每个单个 HeNB 发送 SCTP 消息。此外由于 HeNB 的接通 / 断开而导致的 SCTP 关联设施和释放的数量被最小化。

服务网关嘚可扩展性与直接 HeNB 连接相比，HeNB-GW 和 S-GW 之间的 GPRS 信道协议（GTP）导致 UDP 和 IP 连接的数量大大降低以这种方式，HeNB 的数量可能增加而不增加由 S-GW 管理的 UDP / IP 路徑和 GTP 回显消息的数量。

分页优化可以在 HeNB-GW 内实现用于向被管 HeNB 下行链路数据传输的优化寻呼机制，以减少等待时间

未来，3GPP 可能会接受学术堺和工业界提出的一些建议来进一步优化与 MTC 相关的协议总体而言，市场将在未来几年展示蜂窝 MTC 对最终用户即重工业和汽车行业等的有效价值主张。

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