物聯(lián)網(wǎng)M2M關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)研究

劉彥鵬 嚴(yán)涵琦 陳怡

摘? 要：隨著人與物、物與物連接增多，未來(lái)將是千億連接量的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，M2M通信作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于當(dāng)今社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)的主要載體之一。為解決M2M在關(guān)鍵技術(shù)上存在的用戶(hù)海量接入后網(wǎng)絡(luò)資源有限的矛盾，M2M用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)和信道選擇、用戶(hù)群管理的資源分配、用戶(hù)協(xié)議設(shè)計(jì)等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)低功耗M2M在關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)M2M關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);M2M;邊緣計(jì)算;網(wǎng)絡(luò)虛擬化;低功耗技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5;TP391.44? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)之一，作用是使機(jī)器之間具備相互連接相互通信的能力，為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，M2M技術(shù)結(jié)合了現(xiàn)有不同種類(lèi)的通信技術(shù)。隨著現(xiàn)有各類(lèi)通信技術(shù)的發(fā)展及運(yùn)用，M2M技術(shù)也將由研究階段逐步轉(zhuǎn)向?qū)嵱秒A段。目前，M2M技術(shù)研究在多個(gè)方向獲得了重大突破，但是由于沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)劃，所以針對(duì)M2M用戶(hù)的通信協(xié)議需要展開(kāi)研究，仍存在很多問(wèn)題亟待解決。

重慶信息通信研究院是我國(guó)中西部地區(qū)重要的電子信息產(chǎn)業(yè)國(guó)家級(jí)公共服務(wù)平臺(tái)之一，在5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等方面開(kāi)展深入研究與前瞻布局，為大力推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用推進(jìn)，強(qiáng)力支撐國(guó)家物聯(lián)網(wǎng)示范基地建設(shè)，本文研究M2M通信技術(shù)及應(yīng)用將促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)連接規(guī)模及新一代5G通信領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā)展，通過(guò)本文項(xiàng)目的實(shí)施，可以提升物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)企業(yè)在電子信息產(chǎn)業(yè)的軟硬件創(chuàng)新能力，完善物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售、應(yīng)用和服務(wù)的完整產(chǎn)業(yè)鏈體系，同時(shí)提升地方經(jīng)濟(jì)效益，共同加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)，推進(jìn)新技術(shù)的普及應(yīng)用，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1? M2M系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

M2M系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商（Mobile Network Operator，MNO）平臺(tái)、M2M平臺(tái)、M2M應(yīng)用業(yè)務(wù)平臺(tái)三部分，如圖1所示。從結(jié)構(gòu)上看，MNO平臺(tái)擁有OTA、空中寫(xiě)卡、遠(yuǎn)程寫(xiě)卡、BOSS的功能，通過(guò)M2M平臺(tái)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)管理;無(wú)線(xiàn)終端SIM卡與M2M終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接入BS（Browser/Server結(jié)構(gòu)）服務(wù)器，再接入M2M平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、終端通信等功能，并為M2M應(yīng)用服務(wù)的用戶(hù)提供管理服務(wù)，比如電力系統(tǒng)、智能家居等。

2? M2M關(guān)鍵技術(shù)淺析

針對(duì)M2M通信技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)主要有大規(guī)模隨機(jī)接入、海量邊緣計(jì)算、端到端網(wǎng)絡(luò)虛擬化以及低功耗技術(shù)。

2.1? 大規(guī)模隨機(jī)接入

M2M規(guī)模應(yīng)用中大量M2M終端的接入需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)承載能力提出嚴(yán)峻考驗(yàn)。綜合考慮M2M應(yīng)用流量模型及業(yè)務(wù)特性、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況、隊(duì)列積壓等因素，研究設(shè)計(jì)基于分簇、動(dòng)態(tài)前導(dǎo)序列劃分以及基于優(yōu)先級(jí)的用戶(hù)排隊(duì)策略的M2M隨機(jī)接入機(jī)制。

研究基于分簇的M2M終端隨機(jī)接入方案，根據(jù)M2M終端特性、業(yè)務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)可用資源等信息對(duì)M2M終端組進(jìn)行分簇，如圖2所示，進(jìn)而可根據(jù)可用能量、業(yè)務(wù)時(shí)延敏感等因素對(duì)各簇設(shè)定優(yōu)先級(jí)別，優(yōu)先級(jí)高的簇可以有效地接入資源，避免隨機(jī)接入信道擁塞，以及所導(dǎo)致的終端接入請(qǐng)求失敗。

為減小系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，本文研究基于資源共享的前導(dǎo)序列管理方案，即根據(jù)人對(duì)人（Human to Human，H2H）與M2M業(yè)務(wù)需求，將前導(dǎo)序列劃分為H2H通信專(zhuān)用序列，M2M通信專(zhuān)用序列，以及兩類(lèi)業(yè)務(wù)共享序列，進(jìn)而根據(jù)各類(lèi)業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)前導(dǎo)序列的動(dòng)態(tài)、靈活分配。此外，也可將M2M終端分簇機(jī)制與前導(dǎo)序列管理方案相結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)終端高效合理分簇的基礎(chǔ)上，為M2M獨(dú)立終端或各簇簇頭優(yōu)化分配前導(dǎo)序列。

針對(duì)海量隨機(jī)接入，小區(qū)選擇和資源分配的緊密耦合問(wèn)題，聯(lián)合隨機(jī)接入、小區(qū)選擇及資源分配算法。首先基于M2M終端特性構(gòu)建虛擬簇，為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用并且滿(mǎn)足M2M終端的時(shí)延需求，計(jì)劃設(shè)計(jì)基于虛擬簇的聯(lián)合接入類(lèi)限制因子及資源分配策略，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源利用率最大化;進(jìn)而基于已得到的接入類(lèi)限制因子與資源分配策略，建?；谛в煤瘮?shù)最大化的小區(qū)選擇及功率分配問(wèn)題。

憑借空間復(fù)用策略在M2M終端隨機(jī)接入機(jī)制中的應(yīng)用，并結(jié)合資源分配策略，實(shí)現(xiàn)高效資源利用及用戶(hù)業(yè)務(wù)性能提升。該方案基本思路為：將各小區(qū)M2M用戶(hù)按其地理位置進(jìn)行分組，依據(jù)特定分組策略，將小區(qū)分為各個(gè)組內(nèi)的局域區(qū)域和小區(qū)廣域區(qū)域;相應(yīng)地，將前導(dǎo)序列劃分為局域資源子集和廣域資源子集兩部分，并設(shè)計(jì)特定匹配算法進(jìn)行前導(dǎo)序列與用戶(hù)/用戶(hù)組的匹配。進(jìn)而結(jié)合M2M終端功率分配優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)前導(dǎo)序列高效復(fù)用，顯著提升終端隨機(jī)接入成功率。

2.2? 海量邊緣計(jì)算

M2M設(shè)備的海量數(shù)據(jù)可以通過(guò)邊緣計(jì)算（MEC）實(shí)現(xiàn)在云端處理，大量設(shè)備可實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同工作，可有效降低M2M設(shè)備的數(shù)據(jù)負(fù)荷，簡(jiǎn)化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，達(dá)到低功耗目的。另一方面，通過(guò)以終端直通（Device-to-Device，D2D）方式接入其他M2M終端或關(guān)聯(lián)MEC服務(wù)器，借助部分M2M終端以及MEC服務(wù)器的計(jì)算資源以及信息收集能力，可實(shí)現(xiàn)時(shí)延、M2M終端高效任務(wù)執(zhí)行以及能耗的顯著降低。

利用MEC及5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)，在物聯(lián)網(wǎng)工作負(fù)載和系統(tǒng)變得更加復(fù)雜情況下，MEC也將讓M2M通信更靈活，更靈敏。通過(guò)這種方式，物聯(lián)網(wǎng)將促進(jìn)MEC資源、M2M設(shè)備本身之間的更大連接。

2.3? 端到端網(wǎng)絡(luò)虛擬化

面向M2M規(guī)模應(yīng)用對(duì)靈活、可擴(kuò)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的要求，本文引入分層體系架構(gòu)思想，分別針對(duì)5G接入網(wǎng)（Radio Access Network，RAN）及核心網(wǎng)（Core Network，CN）提出基于分層控制及端到端虛擬化的軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖3所示。

所提架構(gòu)中的各層控制器包括網(wǎng)絡(luò)控制器、RAN控制器、通用接入點(diǎn)（SD-General Access Point，SD-GAP）控制器、M2M業(yè)務(wù)服務(wù)器及CN控制器。其中，網(wǎng)絡(luò)控制器處于分層控制結(jié)構(gòu)的頂層，主要負(fù)責(zé)端到端QoS保障、路由建立、服務(wù)連接、移動(dòng)性管理、流量控制等。RAN控制器負(fù)責(zé)管理其控制范圍內(nèi)的所有SD-GAP，依據(jù)多樣化業(yè)務(wù)需求及QoS策略，協(xié)調(diào)各SD-GAP的無(wú)線(xiàn)資源分配。SD-GAP控制器主要負(fù)責(zé)與SD-GAP關(guān)聯(lián)的M2M終端的無(wú)線(xiàn)承載建立、無(wú)線(xiàn)資源管理、移動(dòng)性管理等。M2M終端控制器負(fù)責(zé)對(duì)M2M終端的管理。CN控制器負(fù)責(zé)控制管理SD-Switch，其具體功能包括用戶(hù)和安全管理、接入和承載管理、流路由管理、網(wǎng)關(guān)路由選擇和重定位控制等。根據(jù)M2M應(yīng)用設(shè)備規(guī)模及網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)，各級(jí)控制器內(nèi)部及相應(yīng)數(shù)據(jù)平面可支持分層部署，如通過(guò)構(gòu)建終端集群、SD-GAP集群、控制器群組等，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的高度靈活性及可擴(kuò)展性。

針對(duì)M2M規(guī)模應(yīng)用高度差異化業(yè)務(wù)需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能差異性、多樣化需求，在對(duì)SD-RAN各層功能進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，對(duì)射頻單元及基帶單元的功能進(jìn)行細(xì)粒度分解、編排、重組及定制，以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)功能的智能適配。在SD-CN中，將研究智能細(xì)粒度網(wǎng)絡(luò)功能部署機(jī)制，根據(jù)M2M業(yè)務(wù)需求，在各SD-Switch處優(yōu)化部署各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)功能。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)M2M規(guī)模應(yīng)用高度差異化、個(gè)性化業(yè)務(wù)的有效支持，本文還將研究基于多域多維協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)虛擬化機(jī)制，分別針對(duì)RAN及CN設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)虛擬化機(jī)制，即SD-RAN虛擬化機(jī)制及SD-CN虛擬化管理機(jī)制。此外，在RAN及CN之上也引入高級(jí)虛擬化機(jī)制，即端到端網(wǎng)絡(luò)虛擬化機(jī)制，提供高層次資源管理框架，為M2M規(guī)模應(yīng)用接入自適應(yīng)地分配多維網(wǎng)絡(luò)資源，設(shè)計(jì)多跳路由策略，以實(shí)現(xiàn)端到端QoS保障。SD-RAN虛擬化機(jī)制主要執(zhí)行SD-GAP的底層資源調(diào)度，基于無(wú)線(xiàn)資源調(diào)度方案實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)之間的隔離及高效資源共享;SD-CN虛擬化管理機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)SD-Switch的資源，如帶寬資源、緩存資源及流表資源等的管理，從而為SD-CN中特定的虛擬網(wǎng)絡(luò)提供資源保障。通過(guò)端到端網(wǎng)絡(luò)虛擬化機(jī)制、SD-RAN虛擬化機(jī)制及SD-CN虛擬化機(jī)制的多域多維協(xié)作，所提出的虛擬化架構(gòu)將支持包含SD-RAN和SD-CN的端到端網(wǎng)絡(luò)虛擬化，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的多服務(wù)融合的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

2.4? 低功耗技術(shù)

面向5G智能物聯(lián)場(chǎng)景，研究M2M終端及系統(tǒng)低功耗技術(shù)。可借鑒LTE中采用的非連續(xù)接收（Discontinuous Reception，DRX）技術(shù)，通過(guò)允許終端設(shè)備周期性地進(jìn)入休眠模式，關(guān)閉收發(fā)單元，以減少終端設(shè)備的能量消耗。為了進(jìn)一步降低M2M終端能量消耗，滿(mǎn)足M2M終端設(shè)備對(duì)功耗極低的要求，采用增強(qiáng)型非連續(xù)接收（Extended DRX，eDRX）技術(shù)。

如圖4所示，M2M終端的一個(gè)eDRX Cycle由兩部分組成，分別為“On Duration”和“Opportunity for eDRX”。當(dāng)M2M終端處于“On Duration”時(shí)，為喚醒激活期，并于此期間監(jiān)聽(tīng)NPDCCH（Narrowband PDCCH）子幀;當(dāng)M2M終端處于“Opportunity for eDRX”時(shí)，為睡眠狀態(tài)，即終端為了節(jié)省電量，進(jìn)入不監(jiān)聽(tīng)NPDCCH子幀的睡眠狀態(tài)。

針對(duì)M2M終端對(duì)M2M通信時(shí)延與功耗的需求，開(kāi)展平衡M2M終端時(shí)延需求與低功耗需求的eDRX周期配置算法研究。基于M2M終端的狀態(tài)信息，合理改進(jìn)eDRX機(jī)制中“On Duration”與“Opportunity for eDRX”模式選取過(guò)程中相關(guān)參數(shù)及定時(shí)器的設(shè)置，確定滿(mǎn)足M2M終端通信時(shí)延約束下的最優(yōu)eDRX。

針對(duì)由單個(gè)基站與多個(gè)M2M終端構(gòu)成的M2M通信網(wǎng)絡(luò)，研究聯(lián)合模式選擇及資源分配算法以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能耗最小化。將網(wǎng)絡(luò)能耗最小化轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)中M2M終端剩余能量最大化，建模聯(lián)合模式選擇及資源分配問(wèn)題為M2M終端剩余能量最大化問(wèn)題。由于所建模的優(yōu)化問(wèn)題是非凸問(wèn)題，無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的優(yōu)化理論進(jìn)行求解。

3? 結(jié)? 論

研究M2M通信技術(shù)及應(yīng)用將增加我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)連接規(guī)模及新一代5G通信領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā)展。通過(guò)該項(xiàng)目研究，可以挖掘運(yùn)營(yíng)商在電子信息產(chǎn)業(yè)的軟硬件創(chuàng)新能力，完善相關(guān)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售、應(yīng)用和服務(wù)的完整產(chǎn)業(yè)鏈體系，同時(shí)提升地方經(jīng)濟(jì)效益。因此，M2M的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)展成熟是率先形成完整產(chǎn)業(yè)鏈和內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力的技術(shù)保障，也將持續(xù)助推產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：劉彥鵬（1991—），男，漢族，重慶人，就職于科技合作部公共關(guān)系室，副主任，本科，研究方向：信息通信與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用;嚴(yán)涵琦（1986—），女，漢族，重慶人，就職于科技合作部技術(shù)支撐室，主任，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)體系;陳怡（1990—），女，漢族，重慶人，就職于科技合作部科研項(xiàng)目室，副主任，碩士，研究方向：5G通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。