3GPP對(duì)物聯(lián)網(wǎng)IoT中的MTC的標(biāo)準(zhǔn)化介紹

M2M是將數(shù)據(jù)從一臺(tái)終端傳送到另一臺(tái)終端，也就是機(jī)器與機(jī)器的對(duì)話。但從廣義上M2M可代表機(jī)器對(duì)機(jī)器（Machine to Machine）人對(duì)機(jī)器（Man to Machine）、機(jī)器對(duì)人（Machine to Man）、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器（Mobile to Machine）之間的連接與通信，它涵蓋了所有實(shí)現(xiàn)在人、機(jī)器、系統(tǒng)之間建立通信連接的技術(shù)和手段。

在3GPP中，M2M被稱為機(jī)器型通信（MTC：machine-type communication ）;所以本文中我們可能會(huì)交換使用M2M和MTC。

技術(shù)要求

用于分組數(shù)據(jù)的3GPP無線電技術(shù)被廣泛部署，并且可以基于物理層特性，例如使用TDMA的GPRS，使用W-CDMA的HSPA以及使用OFDMA的LTE系統(tǒng)等進(jìn)行分類。在3GPP的不同協(xié)議版本中，對(duì)這些技術(shù)中的每一項(xiàng)進(jìn)行了增強(qiáng)。有助于3GPP技術(shù)的蜂窩應(yīng)用取得成功的一個(gè)重要方面是保持與舊版本技術(shù)的向后兼容性，以及技術(shù)之間的緊密互連以及有效的漫游支持，這也是需要支持移動(dòng)性的M2M應(yīng)用成功的關(guān)鍵。

圖1、未來的網(wǎng)絡(luò)是HTC（人通信類型）和MTC（機(jī)器類型通信）的混合體

作為廣泛部署的已成功建立的技術(shù)，3GPP技術(shù)可以通過重用現(xiàn)有蜂窩站點(diǎn)，無線電設(shè)備和頻譜資源來推出具有成本優(yōu)勢(shì)的新服務(wù)。然而，3GPP蜂窩系統(tǒng)并沒有專門為機(jī)器設(shè)計(jì);它們主要設(shè)計(jì)用于人類交互，并且不針對(duì)專門用于特定場(chǎng)所部署的所有M2M應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)短消息的無處不在的覆蓋，終端成本，尋址空間限制，知識(shí)產(chǎn)權(quán)成本，逐步淘汰技術(shù)的可能性以及終端功耗等是面向M2M應(yīng)用的運(yùn)營(yíng)商所面臨的一些挑戰(zhàn)。對(duì)維護(hù)向后兼容性的需求也面臨著對(duì)低端M2M應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)化方面的挑戰(zhàn)。與移動(dòng)手機(jī)不同，M2M設(shè)備具有更長(zhǎng)的更換時(shí)間，并可能對(duì)技術(shù)遷移構(gòu)成挑戰(zhàn)。

識(shí)別特定的MTC設(shè)備，增加覆蓋和降低成本來實(shí)現(xiàn)M2M通信的大量采用，以及支持相應(yīng)的服務(wù)是3GPP針對(duì)MTC通信標(biāo)準(zhǔn)化的一些關(guān)鍵方面。

3GPP規(guī)范工作大致分為RAN（無線接入網(wǎng)絡(luò)），SA，GERAN（GSM/EDGE無線接入網(wǎng)）和CT，這些組負(fù)責(zé)定義3GPP系統(tǒng)的功能，要求和接口。 RAN專門負(fù)責(zé)3G的無線接入部分及其對(duì)4G及以上的演進(jìn)，而GERAN負(fù)責(zé)2G的無線接入部分及其演進(jìn)。 SA負(fù)責(zé)整體架構(gòu)和服務(wù)能力，CT負(fù)責(zé)終端接口和能力的規(guī)范以及3GPP系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò)部分。 3GPP功能分階段發(fā)布，但是研究工作可能在此之前進(jìn)行研究。通常，所有新功能在發(fā)布之前都有一個(gè)研究階段。

需要識(shí)別MTC用戶

對(duì)于一個(gè)MTC模塊來說有SIM（Subscriber Identity Module：用戶識(shí)別模塊）和MTC設(shè)備有兩個(gè)重要的方面。對(duì)于3GPP工作的大多數(shù)解決方案來說確定MTC用戶非常重要。大多數(shù)低成本MTC用戶被設(shè)想有SIM卡集成在表面安裝的PCB上或者已經(jīng)焊接了SIM芯片;但是還有一些MTC設(shè)備，其中SIM卡并不與設(shè)備集成。對(duì)于后一種情況，重要的是運(yùn)營(yíng)商能夠使用SIM卡配置文件或者設(shè)備功能來單獨(dú)按規(guī)定訪問。在SIM卡盜用的情況下能夠檢測(cè)設(shè)備IMEI的更改情況也是有意義的。

使用率監(jiān)管，采用使用率限制當(dāng)應(yīng)用達(dá)到使用率上限時(shí)也需要識(shí)別MTC用戶。數(shù)據(jù)速率的調(diào)節(jié)已被運(yùn)營(yíng)商用作正常蜂窩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個(gè)變種?？赡艽嬖诘囊粋€(gè)挑戰(zhàn)是由于MTC應(yīng)用的范圍廣泛，例如對(duì)于低數(shù)據(jù)速率的使用率限制，但是大量的MTC不能利用基于量的服務(wù)限制。此外，可能會(huì)要求SIM（當(dāng)未與設(shè)備集成時(shí)）可以與非MTC特定用戶的SIM交換使用。

SIM卡中包含HLR中具有的與訂戶關(guān)聯(lián)的用戶IMSI，其包括關(guān)于預(yù)付費(fèi)服務(wù)和特征簡(jiǎn)檔的細(xì)節(jié)。運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)能夠基于訂戶配置文件來支持定制的MTC服務(wù)，例如最佳數(shù)據(jù)包大小和用于MTC服務(wù)的專用接入點(diǎn)的最佳路由。 IMSI（國(guó)際移動(dòng)用戶識(shí)別碼（IMSI:International Mobile SubscriberIdentification Number）），是由運(yùn)營(yíng)商提供的用于MTC訂閱的特定計(jì)費(fèi)策略，并且由運(yùn)營(yíng)商用來完全控制在網(wǎng)絡(luò)中的許可用戶。

基于3GPP的蜂窩設(shè)備是由IMEI來識(shí)別的。對(duì)于LTE，基站提供LTE用戶設(shè)備（UE）的類別信息。 eNodeB然后能夠確定UE的性能并相應(yīng)地與其進(jìn)行通信。用戶體驗(yàn)（也就是用戶的峰值數(shù)據(jù)速率）和系統(tǒng)性能（也就是頻譜效率）等都與設(shè)備類別相關(guān)。不需要支持高數(shù)據(jù)速率和/或低延遲的MTC設(shè)備將需要使用新的特定于MTC應(yīng)用的LTE設(shè)備類/類別來指定。3GPP已經(jīng)為MTC定義了一個(gè)或多個(gè)新的LTE UE類別。如果MTC設(shè)備影響到網(wǎng)絡(luò)的性能時(shí)能夠限制MTC設(shè)備的訪問，這將是識(shí)別和隔離MTC設(shè)備的方法之一。運(yùn)營(yíng)商面臨的一個(gè)公共問題是限制對(duì)漫游設(shè)備的訪問。值得注意的是，運(yùn)營(yíng)商應(yīng)該能夠從MTC特定UE類別中識(shí)別出這樣的漫游MTC設(shè)備，并且如果運(yùn)營(yíng)商不希望為這些設(shè)備提供服務(wù)時(shí)，則能夠限制對(duì)設(shè)備的訪問。

需要進(jìn)行覆蓋改進(jìn)

有許多MTC應(yīng)用，其中的一些MTC應(yīng)用需要擴(kuò)展覆蓋。移動(dòng)的MTC用戶很可能不會(huì)超出覆蓋范圍。另一方面，有許多M2M應(yīng)用，其中終端位置將被固定，但是不能接入到固網(wǎng)中。智能電表和泊車儀表傳感器等MTC應(yīng)用不僅帶來具有挑戰(zhàn)性的部署，而且還不能移動(dòng)。有一個(gè)可以提供更多幾乎無處不在的連接服務(wù)的大量市場(chǎng)。這樣一個(gè)最明顯的應(yīng)用是電力公司的電表計(jì)量，其中許多房屋沒有安裝電表位置，而只能安裝在地下室中?；緮?shù)量的增加對(duì)于覆蓋和容量的提升是非常有好好的，但是每個(gè)額外增加的基站都需要有回程，站點(diǎn)獲取，租賃，供電等方面的挑戰(zhàn)。100%覆蓋的目標(biāo)將永遠(yuǎn)不會(huì)實(shí)現(xiàn)，但是也有需要實(shí)現(xiàn)較好覆蓋的少數(shù)特殊情況，要求不會(huì)大大增加整個(gè)解決方案的總成本。因此，重要的是要確保在提高M(jìn)TC設(shè)備覆蓋率方面系統(tǒng)成本不會(huì)增加。 3GPP正在試圖降低M2M模塊的復(fù)雜性以及改善對(duì)其的覆蓋，以促進(jìn)大量部署M2M模塊。

3GPP研究確定了MTC設(shè)備不需要的幾個(gè)功能，并且可以顯著降低設(shè)備復(fù)雜性。 3GPP確定了限制設(shè)備能力為單個(gè)接收RF通道，限制了其支持的峰值數(shù)據(jù)速率要求，并減少了所要支持的數(shù)據(jù)帶寬，并支持半雙工操作，這些都是減少設(shè)備復(fù)雜性的關(guān)鍵。這種簡(jiǎn)化在減少設(shè)備復(fù)雜性的同時(shí)也帶來了額外的規(guī)范影響。使用額外的調(diào)度器限制來保持正常LTE設(shè)備的系統(tǒng)性能，同時(shí)為這些低復(fù)雜度設(shè)備提供服務(wù)。

3GPP主要通過重復(fù)發(fā)送信息來實(shí)現(xiàn)對(duì)覆蓋改進(jìn)。

對(duì)服務(wù)的增強(qiáng)支持

3GPP正在標(biāo)準(zhǔn)化來支持第三方與3GPP系統(tǒng)交互，以向其客戶提供第三方服務(wù)。 支持M2M服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作正在在3GPP之外的標(biāo)準(zhǔn)化組織（例如，ETSI TC M2M和oneM2M全球計(jì)劃;見本頭條號(hào)前面的文章）中進(jìn)行，假設(shè)M2M服務(wù)支持可以由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商以及與運(yùn)營(yíng)商簽訂業(yè)務(wù)協(xié)議的第三方來提供。通過提供附加信息（例如，傳輸調(diào)度信息或少量數(shù)據(jù)以及對(duì)設(shè)備觸發(fā)的指示）并定義3GPP核心網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用平臺(tái)之間的新接口，來促進(jìn)對(duì)支持對(duì)服務(wù)的配置。為了確保隱私，公開的網(wǎng)絡(luò)信息確保與私有用戶的信息脫鉤，也就是沒有與UE身份相關(guān)的鏈接。

3GPP MTC相關(guān)協(xié)議版本

3GPP已經(jīng)采用發(fā)布協(xié)議版本的概念來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的平臺(tái)，同時(shí)便于引入新的功能。表1和表2提供了與MTC相關(guān)的高級(jí)功能的發(fā)布列表。

表1、 3GPP MTC特有的功能增強(qiáng)（核心網(wǎng)和服務(wù)架構(gòu)方面）

表2、 3GPP MTC特有的功能增強(qiáng)（無線接入網(wǎng)絡(luò)方面）

標(biāo)準(zhǔn)化工作早在2005年開始，當(dāng)時(shí)3GPP TSG SA1開始進(jìn)行可行性研究，并于2007年輸出3GPP技術(shù)報(bào)告（TR）22.868。 3GPP Release 10技術(shù)規(guī)范（TS）22.368規(guī)定了機(jī)器對(duì)機(jī)器的通信要求。

要求和邏輯分析的細(xì)化是在3GPP技術(shù)報(bào)告23.888中得到解決的（參見：http://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/23_series/23.888/），并且具體的協(xié)議實(shí)施是在版本11中進(jìn)行的。 SA5分析針對(duì)重用現(xiàn)有3GPP功能（例如會(huì)話啟動(dòng)和控制）的可能程度，并且解決了充電需求。3GPP的MTC架構(gòu)工作是在Rel-10中開始的，而在Rel-12中，SA2致力于小數(shù)據(jù)傳輸和低功耗UE的高效傳輸。

3GPP的努力最初集中于機(jī)器類型設(shè)備的識(shí)別，以允許運(yùn)營(yíng)商在網(wǎng)絡(luò)過載情況下選擇性地處理這些設(shè)備。隨后的努力已經(jīng)在MTC模塊的復(fù)雜性降低，覆蓋改進(jìn)，減少UE功耗以及處理小數(shù)據(jù)的優(yōu)化方面進(jìn)行無線電級(jí)別的性能增強(qiáng)。