3GPP对物联网IoT中的MTC的标准化介绍详解

　　M2M是将数据从一台终端传送到另一台终端，也就是机器与机器的对话。但从广义上M2M可代表机器对机器(Machine to Machine)人对机器(Man to Machine)、机器对人(Machine to Man)、移动网络对机器(Mobile to Machine)之间的连接与通信，它涵盖了所有实现在人、机器、系统之间建立通信连接的技术和手段。
　　在3GPP中，M2M被称为机器型通信(MTC：machine-type communica TI on );所以本文中我们可能会交换使用M2M和MTC。
　　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，对这些技术中的每一项进行了增强。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的漫游支持，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
　　作为广泛部署的已成功建立的技术，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为机器设计;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，终端成本，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设备，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(无线接入网络)，SA，GERAN(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的无线接入部分及其演进。 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，但是研究工作可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 Iden TI ty Module：用户识别模块)和MTC设备有两个重要的方面。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芯片;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。在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应用的范围广泛，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)可以与非MTC特定用户的SIM交换使用。
　　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来支持定制的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:Interna TI onal Mobile SubscriberIden TI fication 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)等都与设备类别相关。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。如果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访问。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，则能够限制对设备的访问。
　　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应用，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，以促进大量部署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，限制了其支持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主要通过重复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服务的标准化工作正在在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务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新接口，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相关协议版本
　　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特有的功能增强(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)
　　标准化工作早在2005年开始，当时3GPP TSG SA1开始进行可行性研究，并于2007年输出3GPP技术报告(TR)22.868。 3GPP Release 10技术规范(TS)22.368规定了机器对机器的通信要求。
　　要求和逻辑分析的细化是在3GPP技术报告23.888中得到解决的(参见：http://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/23_series/23.888/)，并且具体的协议实施是在版本11中进行的。 SA5分析针对重用现有3GPP功能(例如会话启动和控制)的可能程度，并且解决了充电需求。3GPP的MTC架构工作是在Rel-10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。