李鐵峰， 黃耀軍， 張 震

（中國(guó)移動(dòng)廣東深圳分公司，廣東 深圳 518048）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)自 1999年被提出以來(lái)，得到了廣泛關(guān)注和迅猛發(fā)展，被譽(yù)為是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)邁向信息社會(huì)的發(fā)動(dòng)機(jī)。近年來(lái)全球主要發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)紛紛提出與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的信息化戰(zhàn)略，具有物聯(lián)網(wǎng)特征的相關(guān)應(yīng)用層出不窮。

LTE通信網(wǎng)絡(luò)被稱(chēng)之為準(zhǔn)4G網(wǎng)絡(luò)，近年發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛，F(xiàn)DD LTE已逐漸成為國(guó)外運(yùn)營(yíng)商的首選，由中國(guó)主導(dǎo)、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-LTE日臻成熟，有望在年內(nèi)試商用。

LTE為物聯(lián)網(wǎng)提供了良好網(wǎng)絡(luò)保障，物聯(lián)網(wǎng)也將促進(jìn) LTE網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，二者融合發(fā)展、互為促進(jìn)，必將有效推動(dòng)信息化融合，加速傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，提供新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

1 LTE網(wǎng)絡(luò)中對(duì)物聯(lián)網(wǎng)支持

1.1 LTE簡(jiǎn)介

LTE是 3G技術(shù)長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution）的英文縮寫(xiě)，稱(chēng)之為 3.9G或準(zhǔn)4G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，采用正交頻分復(fù)用（OFDM）和多輸入多輸出（MIMO）等技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)具有高帶寬（在20 MHz頻譜帶寬下提供下行 326 Mbit/s與上行86 Mbit/s的峰值速率）、低時(shí)延（用戶(hù)平面內(nèi)部單向傳輸時(shí)延低于 5 ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時(shí)間低于50 ms）、扁平化、IP化、智能化等特點(diǎn)。LTE 已經(jīng)成為下一代移動(dòng)通信技術(shù)的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)介

物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)信息傳感設(shè)備（射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器、氣體感應(yīng)器等），按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1]。

機(jī)器對(duì)機(jī)器通信（M2M）是物聯(lián)網(wǎng)的重要部分，M2M指通過(guò)“通信網(wǎng)絡(luò)”傳遞信息從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器對(duì)機(jī)器或人對(duì)機(jī)器的數(shù)據(jù)交換，也就是通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)器之間的互聯(lián)互通。

1.33 GPP中關(guān)于MTC的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

M2M通信業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)承載M2M業(yè)務(wù)面臨越來(lái)越多的局限性和挑戰(zhàn)，急需將傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，發(fā)揮移動(dòng)通信覆蓋廣、可靠性高、傳輸延遲小等特點(diǎn)，形成分層移動(dòng)M2M網(wǎng)絡(luò)。但是，傳統(tǒng)移動(dòng)通信技術(shù)畢竟是面向人與人（H2H）通信業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的，適應(yīng)H2H的業(yè)務(wù)需求。而M2M終端無(wú)論是從傳輸特性、QoS要求、移動(dòng)性，還是從終端的分布密度方面都與H2H終端有很大不同。完全沿用傳統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的效率、成本和適用性都無(wú)法達(dá)到最優(yōu)，而目前迅速發(fā)展的LTE技術(shù)是M2M通信組網(wǎng)的最佳選擇。

為了對(duì)M2M的支持，3GPP早在2005年9月就開(kāi)展了移動(dòng)通信系統(tǒng)支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的可行性研究，正式研究于R10階段啟動(dòng)。

M2M在3GPP內(nèi)對(duì)應(yīng)的名稱(chēng)為機(jī)器類(lèi)型通信（MTC）。3GPP并行設(shè)立了多個(gè)工作項(xiàng)目或研究項(xiàng)目，由不同工作組按照其領(lǐng)域，并行展開(kāi)針對(duì)MTC的研究。SA1 工作組( TSGSA中第1工作組)負(fù)責(zé)定義MTC業(yè)務(wù)需求及特性?；赟A1提出的需求，SA2工作組負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)M2M網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的總體技術(shù)方案，包括網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)、主要功能和基本處理流程等。SA3工作組關(guān)注整個(gè)3GPP系統(tǒng)的安全，負(fù)責(zé)分析MTC通信潛在的安全威脅及安全需求并提出可行的解決方案?；?SA2的輸出，TSG CT(TSG核心網(wǎng)絡(luò)終端)中各工作組負(fù)責(zé)終端及核心網(wǎng)方面MTC各種優(yōu)化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。TSG GERAN(TSG GSM/EDGE 無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng))和TSG RAN (TSG接入網(wǎng))中各工作組負(fù)責(zé) MTC通信在無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)化。

在R10階段，3GPP完成了Stage 1階段M2M通信需求定義的工作，2010年6月，SA #48全會(huì)在SA1工作組啟動(dòng)了Stage 1 WI項(xiàng)目，其主要目標(biāo)是根據(jù)Stage 2的研究進(jìn)展對(duì)TS 22.368中已定義的需求、用例以及功能做進(jìn)一步完善。該項(xiàng)目計(jì)劃于2011年9月凍結(jié)。除此之外，SA #48全會(huì)還批準(zhǔn)SA1成立R11階段新的Stage 1 SI項(xiàng)目，在允許MTC終端設(shè)備間的通信以及引入 MTC網(wǎng)關(guān)等新場(chǎng)景下研究新增的功能需求。項(xiàng)目已于2011年完成研究報(bào)告，目前正在開(kāi)展R12階段研究工作[2]。

2 LTE中MTC的概念及應(yīng)用

2.1 MTC終端的特點(diǎn)

u由于并不是所有的MTC應(yīng)用都具有一樣的特征，用不同的 MTC 應(yīng)用特征來(lái)定義不同的 MTC應(yīng)用，從而達(dá)到有目標(biāo)的優(yōu)化MTC的目的，MTC終端具有如下的一些特性：

1）低移動(dòng)性：MTC終端不移動(dòng)，不經(jīng)常移動(dòng)或者是在指定的區(qū)域內(nèi)移動(dòng)。

2）時(shí)間控制接入：MTC終端在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)送接收數(shù)據(jù)。

3）時(shí)間容忍度:MTC終端僅需要延遲數(shù)據(jù)傳輸。

4）只使用分組交換：MTC終端只需要分組數(shù)據(jù)傳輸。

5）在線(xiàn)少量數(shù)據(jù)傳輸：永遠(yuǎn)在線(xiàn)少量數(shù)據(jù)傳輸。

6）離線(xiàn)少量數(shù)據(jù)傳輸: MTC終端只需要離線(xiàn)少量數(shù)據(jù)傳輸。

7）只有MTC發(fā)起：使用終端發(fā)起的通信。

8）很少有移動(dòng)接收：網(wǎng)絡(luò)偶爾發(fā)起業(yè)務(wù)(Push)。

9）離線(xiàn)指示：MTC服務(wù)器（MTC server）感知終端離線(xiàn)。

10）擁塞指示：MTC服務(wù)器感知終端被屏蔽。

11）優(yōu)先告警：網(wǎng)絡(luò)需要保證PAM消息優(yōu)先被傳遞。

12）特別低的功耗：終端低功耗保證。

13）安全連接: MTC終端要求在它與MTC服務(wù)器建立安全連接。

14）特定位置觸發(fā)器：對(duì)已知位置MTC終端進(jìn)行觸發(fā)的MTC應(yīng)用。

2.2 基于MTC網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)

MTC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括3部分：MTC終端設(shè)備，承載通道以及MTC服務(wù)器，MTC終端設(shè)備與一個(gè)或者多個(gè)MTC服務(wù)器進(jìn)行通信，LTE網(wǎng)絡(luò)作為MTC終端設(shè)備與MTC服務(wù)器之間傳遞信息的承載通道。

系統(tǒng)中有 MTCu、MTCi、MTCsms等接口。MTC的交互功能（IWK Function）模塊主要用于滿(mǎn)足多種通信模式的需要，具有終結(jié)協(xié)議、服務(wù)鑒權(quán)、安全通信保障等功能。

圖1 MTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

MTC終端具有一些不同于傳統(tǒng)LTE終端的特殊功能，例如：

MTC終端地址和編號(hào)：編號(hào)要能夠唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)MTC終端設(shè)備，能唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)MTC終端設(shè)備組，由于地址空間受限，受限的編號(hào)涉及到IMSI, MSISDN和IPv4地址。

MTC計(jì)費(fèi)功能：能夠?qū)σ粋€(gè) MTC組進(jìn)行計(jì)費(fèi)，能夠?qū)μ囟ǖ臅r(shí)間段執(zhí)行特殊費(fèi)率、能夠?qū)μ囟ǖ氖录M(jìn)行計(jì)費(fèi)。

MTC通信安全：能夠提供與H2H相同的安全級(jí)別。

遠(yuǎn)端MTC終端設(shè)備管理：由現(xiàn)有的機(jī)制完成，例如OMA DM。

2.3 MTC接入場(chǎng)景和方法

3GPP給出了MTC在LTE網(wǎng)絡(luò)中3種接入場(chǎng)景（直接、間接、混合）。間接場(chǎng)景中 MTC 終端設(shè)備和一個(gè)或者多個(gè) MTC服務(wù)器通信又分為MTC服務(wù)器位于操作域內(nèi)和位于操作域外兩種[3]，具體如圖2所示。

圖2 MTC系統(tǒng)接入場(chǎng)景

兩個(gè)MTC終端設(shè)備通過(guò)不同的操作域互相通信的接入場(chǎng)景如圖3所示。

圖3 MTC系統(tǒng)跨域接入場(chǎng)景

2.4 MTC網(wǎng)絡(luò)特定問(wèn)題及解決方法

MTC終端和業(yè)務(wù)的特殊性，決定了MTC網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于傳統(tǒng)的 LTE網(wǎng)絡(luò)有特殊的地方，針對(duì)這些特性相應(yīng)的解決方案如下：

1）基于組的優(yōu)化：MTC的應(yīng)用決定了 MTC終端設(shè)備具有特定的作用，如果將一些具有相似特性、相似地理位置或?qū)儆谕挥脩?hù)的MTC 設(shè)備組成一個(gè)組，然后對(duì)該group進(jìn)行統(tǒng)一的管理，數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送，這樣會(huì)在很大程度上節(jié)約信令和開(kāi)銷(xiāo)。

2）MTC終端設(shè)備之間的通信問(wèn)題：一個(gè)用戶(hù)可能需要將多個(gè)MTC終端設(shè)備通過(guò)PLMN連接到多個(gè)MTC服務(wù)器上，這要求MTC具備一系列的能力。

3）MTC終端設(shè)備地址：由于有眾多的MTC 設(shè)備和MTC 服務(wù)器，且MTC服務(wù)器由于考慮具備集中控制的功能，因此MTC服務(wù)器需要可以發(fā)起與多個(gè)MTC 設(shè)備的連接。由于IPv4地址空間的限制，MTC終端設(shè)備只能分配私有的不可路由的IPv4地址，可以考慮 IPv6以及其它的方法來(lái)給MTC終端設(shè)備分配地址，在R10階段優(yōu)先解決終端地址分配的技術(shù)問(wèn)題。

4）在線(xiàn)/離線(xiàn)小數(shù)據(jù)包傳輸：數(shù)據(jù)包大小是由MTC終端設(shè)備（如抄表設(shè)備）的功能決定，某些MTC終端設(shè)備需要偶爾發(fā)送一些少量的離線(xiàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于這種場(chǎng)景，可以采取某種優(yōu)化方式，使系統(tǒng)資源利用率更高（如在沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)候就detach）。

5）擁塞控制：由于MTC 終端設(shè)備的眾多特征，使得終端與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)或信令傳遞很容易引起接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的擁塞。這是 MTC現(xiàn)在迫切需要解決的問(wèn)題。主要是針對(duì) attach request，service request等信令的發(fā)起時(shí)間進(jìn)行隨機(jī)化，避開(kāi)大量MTC同一時(shí)刻發(fā)起大量的信令而堵塞網(wǎng)絡(luò)。

6）低移動(dòng)性：對(duì)于這些場(chǎng)景的 MTC 終端設(shè)備，需要研究如何減少頻繁的移動(dòng)性管理過(guò)程，如何優(yōu)化paging。

7）時(shí)間控制：具備時(shí)間 MTC 設(shè)備只能在預(yù)先確定的時(shí)間間隙內(nèi)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。核心網(wǎng)可以修改和預(yù)定義時(shí)間間隙，確定如何限制MTC 設(shè)備的連接，避免間隙之外的沒(méi)有必要的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

3 LTE和物聯(lián)網(wǎng)的融合

3.1 基于LTE的物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

一個(gè)典型的基于LTE架構(gòu)的MTC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示，系統(tǒng)包括MTC傳輸網(wǎng)、LTE接入網(wǎng)以及LTE核心網(wǎng)。MTC終端設(shè)備通過(guò)LTE核心網(wǎng)和MTC服務(wù)器通信，數(shù)據(jù)通過(guò)MTC傳感器轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，接入LTE網(wǎng)絡(luò)，然后和其它的MTC終端或者是非MTC終端通信。

圖4 基于LTE的MTC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2 基于LTE的MTC網(wǎng)絡(luò)存在的問(wèn)題及挑戰(zhàn)

高性能通信設(shè)備已經(jīng)開(kāi)始使用 LTE 技術(shù)。但是對(duì)于低速/低性能 MTC應(yīng)用而言，仍存在一些問(wèn)題，例如：

1）覆蓋范圍不同：LTE網(wǎng)絡(luò)部署正在迅速展開(kāi)，毫無(wú)疑問(wèn)，LTE 將在全球范圍內(nèi)的大型國(guó)家和地區(qū)網(wǎng)絡(luò)中部署（而非只在人口稠密區(qū)）。由于LTE 是一項(xiàng)新技術(shù)，因此其覆蓋區(qū)域仍處于擴(kuò)張階段，并不像 2G 和 3G 網(wǎng)絡(luò)一樣普及，因此LTE在各地區(qū)的覆蓋區(qū)域有很大差異。

2）設(shè)備成本：對(duì)于開(kāi)發(fā)低速率 MTC 應(yīng)用廠商來(lái)說(shuō)，另一個(gè)顧慮便是成本問(wèn)題，LTE技術(shù)是一項(xiàng)比 2G 更復(fù)雜的新技術(shù)，需要對(duì)更多頻段和頻段組合進(jìn)行支持以及更復(fù)雜的接收配置和天線(xiàn)，因此現(xiàn)在 LTE 模塊的初期成本高于 2G 技術(shù)。的確，一些構(gòu)建低速率MTC解決方案的 OEM 會(huì)認(rèn)為 LTE 所采用的組件性能和成本偏高，暫不是低速率MTC應(yīng)用的最佳選擇。

3）帶寬問(wèn)題：據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年M2M與現(xiàn)有H2H通信互聯(lián)比例將達(dá)到30:1，即可能從60億人口擴(kuò)展到500億乃至上萬(wàn)億的MTC，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)得以大規(guī)模應(yīng)用，將有超過(guò)500億以上的終端需要通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式連接在一起，其對(duì)頻譜的需求絕不是如今己分配的移動(dòng)通信和無(wú)線(xiàn)接入頻率所能承載的。

4）網(wǎng)絡(luò)的擁塞及解決方法：當(dāng)大量的 MTC終端集中在某個(gè)區(qū)域以及某個(gè)時(shí)刻接入時(shí)候，其帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)方面的沖擊是目前LTE網(wǎng)絡(luò)無(wú)法預(yù)知的，存在網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題[4-5]。

3.3 LTE為MTC做的優(yōu)化

目前，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、LTE 技術(shù)提供商以及標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)正投入大量資源，以期增強(qiáng) LTE 技術(shù)與各種 MTC應(yīng)用的兼容性。其中包括：

1）開(kāi)發(fā)新型的低成本、低速率 LTE 設(shè)備，與其他任何新技術(shù)一樣，LTE 模塊及設(shè)備的成本將逐步降低。

2）減少大規(guī)模 MTC應(yīng)用而導(dǎo)致的擁堵。

3）將 LTE 設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)最大程度減少設(shè)備數(shù)量。

4） 對(duì)延遲要求不高的應(yīng)用設(shè)置更長(zhǎng)的睡眠周期并提供移動(dòng)管理設(shè)置功能，從而提高能效。

此外，3GPP還制定各種標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)防網(wǎng)絡(luò)擁堵或漫游時(shí)無(wú)法接入網(wǎng)絡(luò)的情況。例如，制定保護(hù)機(jī)制，從而允許本地用戶(hù)接入網(wǎng)絡(luò)而屏蔽漫游用戶(hù)，確保在整合網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓時(shí)，其它網(wǎng)絡(luò)不會(huì)立即陷入擁堵。

此外，3GPP擴(kuò)大 LTE 的覆蓋區(qū)域并將接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)的 MTC終端設(shè)備數(shù)量降至最少。一種成熟可靠的方式是降低速率以換取更大的覆蓋區(qū)域。由于LTE 利用更寬的帶寬提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。但是，對(duì)于很多低速率的 MTC應(yīng)用來(lái)說(shuō)，一些頻段理論上可以用來(lái)改善室內(nèi)穿透性，從而擴(kuò)大室內(nèi) MTC 系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域，許多運(yùn)營(yíng)商正在700 MHz 等較低頻段中使用采用 LTE，因此 LTE網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)應(yīng)用的覆蓋程度上，最終可能超出頻率更高的 3G 服務(wù)[6]。

3.4 LTE和物聯(lián)網(wǎng)的融合前景展望

作為下一代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，LTE系統(tǒng)和終端，特別是 LTE終端將承擔(dān)未來(lái) LTE與移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)融合和技術(shù)創(chuàng)新的重?fù)?dān)，各種物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用也將通過(guò) LTE終端的普及和推廣得到快速的發(fā)展。另一方面，由于物聯(lián)網(wǎng)信息的種類(lèi)和數(shù)量成倍增加，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也成級(jí)數(shù)增加，同時(shí)還涉及到各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)或多個(gè)系統(tǒng)之間融合問(wèn)題，而基于LTE技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)，可以有效解決這些問(wèn)題。

在物聯(lián)網(wǎng)感知層面，針對(duì)LTE終端需要研究和解決LTE天線(xiàn)與RFID、GPS天線(xiàn)的多模重構(gòu)技術(shù)，LTE射頻和 RFID、GPS射頻的多模智能技術(shù)，LTE基帶和RFID基帶的多模集成技術(shù)。目前基于多模技術(shù)的 LTE終端也許是一個(gè)有效的解決途徑。

在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層面，目前的傳輸技術(shù)包括2G/3G、LTE、WiFi和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等。對(duì)于這個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的現(xiàn)狀，在LTE終端中，需要研究和解決無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與 LTE網(wǎng)絡(luò)相互融合的技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、快捷、低功耗、低成本融合。

LTE與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，將全面加速災(zāi)害預(yù)警、健康醫(yī)療、智慧城市、智能交通、精細(xì)農(nóng)業(yè)、智慧家庭等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展步伐，成為移動(dòng)通信行業(yè)應(yīng)用的重要切入點(diǎn)[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

LTE和物聯(lián)網(wǎng)是兩個(gè)方興未艾的技術(shù)，在技術(shù)和市場(chǎng)的推動(dòng)下，二者融合得將更加緊密，將會(huì)共同促進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步和萬(wàn)億級(jí)別市場(chǎng)的發(fā)展。但在融合的道路上，還將面臨標(biāo)準(zhǔn)完善、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈成熟、成本降低、安全提升、市場(chǎng)培育等諸多問(wèn)題需要解決。

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