基于TD-LTE的M2M技術(shù)研究

胡南　江小威　謝芳　崔春風(fēng)　劉佳

1 概述

物聯(lián)網(wǎng)是一種通過各種感知設(shè)備，如射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等，進(jìn)行信息采集，并通過傳輸網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接以實(shí)現(xiàn)信息交換與通信，達(dá)到監(jiān)控、跟蹤、識(shí)別、決策等目的的綜合性智能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)將引領(lǐng)新一代信息產(chǎn)業(yè)浪潮，而作為物聯(lián)網(wǎng)目前最普遍應(yīng)用形式的機(jī)器間通信（M2M，Machine to Machine），更是在我國及歐、美、韓、日等地獲得了廣泛的商業(yè)應(yīng)用。TD-LTE作為下一代移動(dòng)通信技術(shù)，其與M2M的結(jié)合，一直是物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。

2 TD-LTE承載M2M應(yīng)用的挑戰(zhàn)

2.1小數(shù)據(jù)頻繁傳輸對(duì)信令控制的挑戰(zhàn)

在M2M通信中，有大量的應(yīng)用呈現(xiàn)出了小數(shù)據(jù)頻繁傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，例如智能抄表中需要將各個(gè)家庭的用電情況以分鐘的顆粒度實(shí)時(shí)更新，從而為電力公司調(diào)整發(fā)電量、實(shí)施階梯電價(jià)提供參考；出租車定位系統(tǒng)（又名“車務(wù)通”，是中國移動(dòng)開發(fā)的一套遠(yuǎn)程車輛監(jiān)控管理系統(tǒng)），通過對(duì)車輛加裝具有GPS功能的監(jiān)控終端，采集車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過GPRS/EDGE/TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳送至后臺(tái)管理服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程調(diào)度、告警、里程油耗統(tǒng)計(jì)等功能；交管局等單位也可以利用車輛的即時(shí)位置信息計(jì)算行駛速度，判斷道路的擁堵情況，從而提醒社會(huì)車輛提前繞行開擁堵的路段，緩解交通壓力，車務(wù)通設(shè)備通常以秒級(jí)的周期上報(bào)位置信息。

這種小數(shù)據(jù)包頻繁傳輸?shù)膽?yīng)用對(duì)TD-LTE的控制信令設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。眾所周知，TD-LTE技術(shù)屬于蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，為了給移動(dòng)通信用戶提供高質(zhì)量的通信，它有一套完備復(fù)雜的信令控制流程。而當(dāng)這種流程遇到海量M2M終端頻繁地發(fā)送小數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)由于信令開銷過大而引起網(wǎng)絡(luò)控制平面擁塞的問題。例如前述的車務(wù)通應(yīng)用，就曾經(jīng)因?yàn)樵谑锥紘H機(jī)場出租車較多，頻繁上報(bào)位置信息等小數(shù)據(jù)包導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)控制面擁塞。

因此，優(yōu)化控制信令設(shè)計(jì)，為小數(shù)據(jù)頻繁發(fā)送的M2M應(yīng)用提供更高效的控制平面?zhèn)鬏?，是TD-LTE承載M2M應(yīng)用所面臨的重要挑戰(zhàn)之一。

2.2海量M2M終端對(duì)通信成本的挑戰(zhàn)

成本無疑是決定M2M應(yīng)用能否推廣的關(guān)鍵因素之一。目前，中國移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中約有1300萬M2M終端，而絕大多數(shù)終端都是GSM模式，這主要是因?yàn)镚SM通信模塊成本較低。知名市場研究機(jī)構(gòu)Juniper Research發(fā)布調(diào)研報(bào)告預(yù)測，全球機(jī)器間通信終端數(shù)量將于2014年增至4.12億部。而該機(jī)構(gòu)高級(jí)分析師Anthony Cox更表示，這還僅僅是M2M市場“未來增長潛力的冰山一角”。而如果TD-LTE想要搶占更多的M2M市場，那么降低其通信模塊成本，無疑是增加其吸引力的重要砝碼。

由此可見，能否降低通信模塊成本，是TD-LTE承載M2M應(yīng)用的另外一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

2.3典型M2M應(yīng)用對(duì)TD-LTE功耗的挑戰(zhàn)

低功耗通信是M2M應(yīng)用的另一個(gè)主要需求。智能抄表中水表、燃?xì)獗淼臄?shù)據(jù)通信，環(huán)境監(jiān)測、動(dòng)物溯源中的通信，以及智慧物流中的定位通信等，都由于處于無法充電的工作環(huán)境中而對(duì)功耗有很苛刻的要求。例如，移動(dòng)資產(chǎn)巡查業(yè)務(wù)，是在一些貴重物品上安裝能夠追蹤定位的通信模塊。此類模塊需要在沒有充電的情況下正常工作2～5年，由于體積限制，降低其通信功耗是滿足其工作需求的重要手段之一。

TD-LTE技術(shù)，雖然有比較成熟的不連續(xù)接收DRX（Discontinuous Reception）省電機(jī)制；但是要滿足M2M對(duì)低功耗的需求，還是需要對(duì)其DRX機(jī)制甚至是終端的測量、檢測和其他機(jī)制進(jìn)行低功耗的優(yōu)化。

3 TD-LTE承載M2M應(yīng)用優(yōu)化方案研究

前文已經(jīng)提到，M2M應(yīng)用對(duì)TD-LTE提出了一系列新的挑戰(zhàn)，本節(jié)將從高效信令、低成本和低功耗三個(gè)角度來分析如何優(yōu)化TD-LTE，以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

3.1高效輕量級(jí)信令設(shè)計(jì)

對(duì)于頻發(fā)的小數(shù)據(jù)傳輸，其控制信令的消耗主要體現(xiàn)在了終端頻繁地進(jìn)行RRC連接造成的大量接入資源和信令的開銷，以及對(duì)其進(jìn)行資源分配而帶來的控制信道資源的開銷。如圖1所示，200字節(jié)的M2M數(shù)據(jù)傳輸消耗了近20條信令[1]。

因此，節(jié)省信令開銷、進(jìn)行高效輕量級(jí)的信令設(shè)計(jì)應(yīng)該從終端連接建立和資源分配入手。針對(duì)M2M通信特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)此類頻繁發(fā)送小數(shù)據(jù)類的應(yīng)用主要包括兩大類，一類是以抄表、環(huán)境監(jiān)測為典型應(yīng)用場景的靜止或準(zhǔn)靜止類通信；另一類是以車務(wù)通、移動(dòng)資產(chǎn)巡查等為典型應(yīng)用場景的運(yùn)動(dòng)類通信。

對(duì)于靜止或準(zhǔn)靜止通信而言，由于終端位置固定或者在小范圍內(nèi)移動(dòng)，因此終端與基站一旦完成一次上行同步后，則可以較長時(shí)間內(nèi)處于上行同步狀態(tài)（即上行發(fā)送的時(shí)間提前量不變），而這樣就使得長時(shí)間不需要隨機(jī)接入成為可能（因?yàn)榻K端一旦上行失步，則必須重新進(jìn)行隨機(jī)接入）。因此保持此類業(yè)務(wù)長時(shí)間RRC連接，是節(jié)省其信令開銷的有效方式。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)類通信而言，由于終端與基站的距離不停改變以及需要在基站之間進(jìn)行切換，導(dǎo)致終端的上行同步需要經(jīng)常更新，因此很難通過保持長時(shí)間RRC連接來減少控制信令開銷。但是在這種情況下，靜態(tài)或半靜態(tài)的群調(diào)度以及通過隨機(jī)接入攜帶數(shù)據(jù)信息等方式，還是可以有效減低控制面信令開銷的。

本文提出了一種包括初始接入、數(shù)據(jù)上報(bào)和狀態(tài)更新三部分的輕量級(jí)控制信令方案。初始接入的功能是對(duì)M2M終端進(jìn)行身份標(biāo)識(shí)分配（MTC-ID，Machine Type Communication Identifier）、鑒權(quán)和安全加密等。初始接入的觸發(fā)條件是終端更換小區(qū)。其實(shí)現(xiàn)方式是仿照TD-LTE隨機(jī)接入流程，但是要加入MTC-ID的分配功能。數(shù)據(jù)上報(bào)過程實(shí)現(xiàn)對(duì)同類MTC應(yīng)用的終端進(jìn)行呼叫，告知此類終端需要進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)，并且告訴終端需要上報(bào)數(shù)據(jù)的具體要求，信令內(nèi)容至少包括需要進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)的終端名單和需要上報(bào)數(shù)據(jù)的具體要求（如需上報(bào)從何時(shí)到何時(shí)的何種數(shù)據(jù)）。

在此步驟中，采用了一種群調(diào)度的機(jī)制，即通過一條信令實(shí)現(xiàn)了對(duì)相同或相似應(yīng)用的大量終端的調(diào)度（群內(nèi)用戶擁有公共的C-RNTI（Cell Radio Network Temporary Identifier，小區(qū)內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)標(biāo)識(shí)）[1-2]，用戶資源分配由公共C-RNTI和終端自身的MTC-ID共同決定）。此外，對(duì)于那些運(yùn)動(dòng)類型的通信，通過狀態(tài)更新來代替為了上行同步而進(jìn)行的隨機(jī)接入，可以進(jìn)一步節(jié)省信令開銷。具體地講，狀態(tài)更新可以實(shí)現(xiàn)MTC-ID的維護(hù)和上行同步。狀態(tài)更新由eNB觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)類似于數(shù)據(jù)上報(bào)的功能，只是攜帶的內(nèi)容變?yōu)闋顟B(tài)更新命令。考慮到終端同時(shí)收到了狀態(tài)更新命令，為避免同時(shí)發(fā)起狀態(tài)更新造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，終端應(yīng)該根據(jù)自己持有的MTC-ID算出一個(gè)退避量，從而錯(cuò)開終端狀態(tài)更新時(shí)間；不過基站要知道最大退避量是多少，從而確定M2M終端是否仍然在線。

3.2小帶寬低成本方案設(shè)計(jì)

要降低TD-LTE終端的成本，首先需要了解終端的成本構(gòu)成。目前LTE終端通信模塊物料成本由兩部分構(gòu)成：基帶（60%）和射頻（40%）[3]，每部分具體的成本構(gòu)成可以參考圖2。

通過分析和調(diào)研可知，降低終端傳輸帶寬可以顯著地降低對(duì)基帶處理能力的要求，從而大幅度降低通信成本。恰好，各種典型的M2M通信絕大多數(shù)屬于小數(shù)據(jù)傳輸，并不需要占用較大的帶寬資源。有鑒于此，本文提出了一種在TD-LTE系統(tǒng)中進(jìn)行小帶寬M2M通信的低成本解決方案，方案的核心思想就是保證M2M通信終端只工作（無論是上行還是下行）在TD-LTE載波的一小部分。

由于現(xiàn)有TD-LTE的物理下行控制信道是全帶寬傳輸?shù)模虼藶榱藢?shí)現(xiàn)終端下行工作在小帶寬上，則必然需要重新設(shè)計(jì)新的窄帶物理下行控制信道（其機(jī)制可以參考目前正在標(biāo)準(zhǔn)化的增強(qiáng)型下行物理控制信道ePDCCH（enhanced Physical Downlink Control Channel））。同時(shí)，現(xiàn)有的TD-LTE上行物理控制信道（PUCCH，Physical Uplink Control Channel）需要在其載波頻帶的上下兩端傳輸，為了實(shí)現(xiàn)M2M終端的上行小帶寬發(fā)送，最簡單的方案就是取消現(xiàn)有的PUCCH，而PUCCH所傳遞的內(nèi)容（信道質(zhì)量反饋、HARQ（Hybrid Automatic Repeat-reQuest，混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求）的ACK/NACK）等信息可以采用數(shù)據(jù)信道隨路的方式（即在上行數(shù)據(jù)信道上傳輸控制信道信息）。除了最基本的控制信道設(shè)計(jì)來保證終端小帶寬接收和傳輸外，方案中還進(jìn)行了其他物理功能和過程的簡化以及高層流程的簡化，來進(jìn)一步降低成本，具體可以參考圖3。

3.3低功耗方案設(shè)計(jì)

對(duì)于M2M終端而言，其功耗主要包括了通信功耗和待機(jī)功耗兩大部分。因此，本文也將從通信和待機(jī)這兩部分來進(jìn)行低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對(duì)于終端通信功耗，其占比較大的是發(fā)射功率；因此如果能夠有效地降低終端的發(fā)射功率，必然會(huì)對(duì)終端實(shí)現(xiàn)低功耗帶來較大的幫助。前文提到的降低終端發(fā)射帶寬的方式實(shí)際上就是一種降低通信功耗的好方法。因?yàn)榻K端在小帶寬上進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，可以通過較低發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)較高功率譜密度，從而在滿足通信需求的同時(shí)降低終端的發(fā)射功率。另外，降低帶寬也可以顯著降低基帶處理單元的數(shù)據(jù)處理負(fù)荷（可以減小FFT大小、信道均衡及信道譯碼維度、數(shù)據(jù)緩存等），從而大幅度減小基帶單元的處理功耗。

表1列出了采用窄帶發(fā)送方案后，TD-LTE的終端發(fā)射功率。表中給出的是在100m和20m兩種通信距離情況下，TD-LTE終端在1/3碼率編碼和QPSK調(diào)制時(shí)的發(fā)射功率。由表可知，100m內(nèi)的通信，終端節(jié)點(diǎn)發(fā)射帶寬為180kHz時(shí)，發(fā)射功率基本小于0dBm；此發(fā)射功率完全可以與ZigBee技術(shù)發(fā)射功率相比擬（發(fā)射功率-3～20dBm，常用發(fā)射功率4dBm，通信距離20～30m）。

另一方面，為了降低終端待機(jī)時(shí)的功耗，針對(duì)智能抄表等M2M應(yīng)用通信頻率較低、時(shí)延要求不高等特性，可以降低TD-LTE終端進(jìn)行測量及接收尋呼消息的頻率，即采用更長的DRX 周期（非連續(xù)接收周期）[4]。但是目前的尋呼周期及尋呼子幀是依據(jù)系統(tǒng)幀號(hào)SFN（System Frame Number）及DRX周期進(jìn)行計(jì)算的，SFN為10bits，最大時(shí)長為10.24s；如果要支持DRX周期大于10.24s，則必須擴(kuò)展SFN的長度或者采用新的尋呼計(jì)算方式[5]。

參考文獻(xiàn)：

[1] TS 36.331. Radio Resource Control(RRC)[S].

[2] TS 36.211. Physical Channels and Modulation[S].

[3]TR 36.888. Study on provision of low-cost Machine-Type Communications(MTC) User Equipments(UEs) based on LTE[S].

[4] TS 36.321. Medium Access Control(MAC) protocol specification[S].

[5] TS 36.304. User Equipment(UE) procedures in idle mode.