李鐵峰， 黃耀軍， 張 震

（中國移動廣東深圳分公司，廣東 深圳 518048）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)自 1999年被提出以來，得到了廣泛關(guān)注和迅猛發(fā)展，被譽為是推動產(chǎn)業(yè)升級邁向信息社會的發(fā)動機。近年來全球主要發(fā)達國家和地區(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)被稱之為準4G網(wǎng)絡(luò)，近年發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛，F(xiàn)DD LTE已逐漸成為國外運營商的首選，由中國主導(dǎo)、具有自主知識產(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 LTE網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，二者融合發(fā)展、互為促進，必將有效推動信息化融合，加速傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提供新的經(jīng)濟增長點。

1 LTE網(wǎng)絡(luò)中對物聯(lián)網(wǎng)支持

1.1 LTE簡介

LTE是 3G技術(shù)長期演進（Long Term Evolution）的英文縮寫，稱之為 3.9G或準4G無線通信技術(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）、低時延（用戶平面內(nèi)部單向傳輸時延低于 5 ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時間低于50 ms）、扁平化、IP化、智能化等特點。LTE 已經(jīng)成為下一代移動通信技術(shù)的實際標準。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)簡介

物聯(lián)網(wǎng)是通過信息傳感設(shè)備（射頻識別、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，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1]。

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

1.33 GPP中關(guān)于MTC的標準進展

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)面臨越來越多的局限性和挑戰(zhàn)，急需將傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，發(fā)揮移動通信覆蓋廣、可靠性高、傳輸延遲小等特點，形成分層移動M2M網(wǎng)絡(luò)。但是，傳統(tǒng)移動通信技術(shù)畢竟是面向人與人（H2H）通信業(yè)務(wù)設(shè)計的，適應(yīng)H2H的業(yè)務(wù)需求。而M2M終端無論是從傳輸特性、QoS要求、移動性，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)移動通信系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)的效率、成本和適用性都無法達到最優(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M2M的支持，3GPP早在2005年9月就開展了移動通信系統(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。

M2M在3GPP內(nèi)對應(yīng)的名稱為機器類型通信（MTC）。3GPP并行設(shè)立了多個工作項目或研究項目，由不同工作組按照其領(lǐng)域，并行展開針對MTC的研究。SA1 工作組( TSGSA中第1工作組)負責(zé)定義MTC業(yè)務(wù)需求及特性?；赟A1提出的需求，SA2工作組負責(zé)設(shè)計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3GPP系統(tǒng)的安全，負責(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。基于 SA2的輸出，TSG CT(TSG核心網(wǎng)絡(luò)終端)中各工作組負責(zé)終端及核心網(wǎng)方面MTC各種優(yōu)化技術(shù)的實現(xiàn)。TSG GERAN(TSG GSM/EDGE 無線接入網(wǎng))和TSG RAN (TSG接入網(wǎng))中各工作組負責(zé) MTC通信在無線接入網(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全會在SA1工作組啟動了Stage 1 WI項目，其主要目標是根據(jù)Stage 2的研究進展對TS 22.368中已定義的需求、用例以及功能做進一步完善。該項目計劃于2011年9月凍結(jié)。除此之外，SA #48全會還批準SA1成立R11階段新的Stage 1 SI項目，在允許MTC終端設(shè)備間的通信以及引入 MTC網(wǎng)關(guān)等新場景下研究新增的功能需求。項目已于2011年完成研究報告，目前正在開展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

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)用特征來定義不同的 MTC應(yīng)用，從而達到有目標的優(yōu)化MTC的目的，MTC終端具有如下的一些特性：

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

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

3）時間容忍度: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）在線少量數(shù)據(jù)傳輸：永遠在線少量數(shù)據(jù)傳輸。

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

7）只有MTC發(fā)起：使用終端發(fā)起的通信。

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

9）離線指示：MTC服務(wù)器（MTC server）感知終端離線。

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：對已知位置MTC終端進行觸發(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)備與一個或者多個MTC服務(wù)器進行通信，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：編號要能夠唯一標識一個MTC終端設(shè)備，能唯一標識一個MTC終端設(shè)備組，由于地址空間受限，受限的編號涉及到IMSI, MSISDN和IPv4地址。

MTC計費功能：能夠?qū)σ粋€ MTC組進行計費，能夠?qū)μ囟ǖ臅r間段執(zhí)行特殊費率、能夠?qū)μ囟ǖ氖录M行計費。

MTC通信安全：能夠提供與H2H相同的安全級別。

遠端MTC終端設(shè)備管理：由現(xiàn)有的機制完成，例如OMA DM。

2.3 MTC接入場景和方法

3GPP給出了MTC在LTE網(wǎng)絡(luò)中3種接入場景（直接、間接、混合）。間接場景中 MTC 終端設(shè)備和一個或者多個 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)接入場景

兩個MTC終端設(shè)備通過不同的操作域互相通信的接入場景如圖3所示。

圖3 MTC系統(tǒng)跨域接入場景

2.4 MTC網(wǎng)絡(luò)特定問題及解決方法

MTC終端和業(yè)務(wù)的特殊性，決定了MTC網(wǎng)絡(luò)相對于傳統(tǒng)的 LTE網(wǎng)絡(luò)有特殊的地方，針對這些特性相應(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挥脩舻腗TC 設(shè)備組成一個組，然后對該group進行統(tǒng)一的管理，數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送，這樣會在很大程度上節(jié)約信令和開銷。

2）MTC終端設(shè)備之間的通信問題：一個用戶可能需要將多個MTC終端設(shè)備通過PLMN連接到多個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)問題。

4）在線/離線小數(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)送一些少量的離線數(shù)據(jù)。對于這種場景，可以采取某種優(yōu)化方式，使系統(tǒng)資源利用率更高（如在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送的時候就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題。主要是針對 attach request，service request等信令的發(fā)起時間進行隨機化，避開大量MTC同一時刻發(fā)起大量的信令而堵塞網(wǎng)絡(luò)。

6）低移動性：對于這些場景的 MTC 終端設(shè)備，需要研究如何減少頻繁的移動性管理過程，如何優(yōu)化paging。

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

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LTE核心網(wǎng)和MTC服務(wù)器通信，數(shù)據(jù)通過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)存在的問題及挑戰(zhàn)

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

1）覆蓋范圍不同：LTE網(wǎng)絡(luò)部署正在迅速展開，毫無疑問，LTE 將在全球范圍內(nèi)的大型國家和地區(qū)網(wǎng)絡(luò)中部署（而非只在人口稠密區(qū)）。由于LTE 是一項新技術(shù)，因此其覆蓋區(qū)域仍處于擴張階段，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：對于開發(fā)低速率 MTC 應(yīng)用廠商來說，另一個顧慮便是成本問題，LTE技術(shù)是一項比 2G 更復(fù)雜的新技術(shù)，需要對更多頻段和頻段組合進行支持以及更復(fù)雜的接收配置和天線，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 會認為 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）帶寬問題：據(jù)預(yù)測，到2020年M2M與現(xiàn)有H2H通信互聯(lián)比例將達到30:1，即可能從60億人口擴展到500億乃至上萬億的MTC，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)得以大規(guī)模應(yīng)用，將有超過500億以上的終端需要通過無線方式連接在一起，其對頻譜的需求絕不是如今己分配的移動通信和無線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終端集中在某個區(qū)域以及某個時刻接入時候，其帶來的網(wǎng)絡(luò)方面的沖擊是目前LTE網(wǎng)絡(luò)無法預(yù)知的，存在網(wǎng)絡(luò)安全問題[4-5]。

3.3 LTE為MTC做的優(yōu)化

目前，網(wǎng)絡(luò)運營商、LTE 技術(shù)提供商以及標準制定機構(gòu)正投入大量資源，以期增強 LTE 技術(shù)與各種 MTC應(yīng)用的兼容性。其中包括：

1）開發(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)時最大程度減少設(shè)備數(shù)量。

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

此外，3GPP還制定各種標準，預(yù)防網(wǎng)絡(luò)擁堵或漫游時無法接入網(wǎng)絡(luò)的情況。例如，制定保護機制，從而允許本地用戶接入網(wǎng)絡(luò)而屏蔽漫游用戶，確保在整合網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)癱瘓時，其它網(wǎng)絡(luò)不會立即陷入擁堵。

此外，3GPP擴大 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，對于很多低速率的 MTC應(yīng)用來說，一些頻段理論上可以用來改善室內(nèi)穿透性，從而擴大室內(nèi) MTC 系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域，許多運營商正在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

作為下一代無線通信技術(shù)，LTE系統(tǒng)和終端，特別是 LTE終端將承擔(dān)未來 LTE與移動物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)融合和技術(shù)創(chuàng)新的重擔(dān)，各種物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用也將通過 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)信息的種類和數(shù)量成倍增加，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也成級數(shù)增加，同時還涉及到各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)或多個系統(tǒng)之間融合問題，而基于LTE技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)，可以有效解決這些問題。

在物聯(lián)網(wǎng)感知層面，針對LTE終端需要研究和解決LTE天線與RFID、GPS天線的多模重構(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和有線網(wǎng)絡(luò)等。對于這個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的現(xiàn)狀，在LTE終端中，需要研究和解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與 LTE網(wǎng)絡(luò)相互融合的技術(shù)，以實現(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，成為移動通信行業(yè)應(yīng)用的重要切入點[7]。

4 結(jié)語

LTE和物聯(lián)網(wǎng)是兩個方興未艾的技術(shù)，在技術(shù)和市場的推動下，二者融合得將更加緊密，將會共同促進技術(shù)的進步和萬億級別市場的發(fā)展。但在融合的道路上，還將面臨標準完善、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈成熟、成本降低、安全提升、市場培育等諸多問題需要解決。

[1]朱燕,黃明科.物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和應(yīng)用探討[J].電信網(wǎng)技術(shù),2010(11):34-37.

[2]戴力.基于公眾移動通信網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究[J].移動通信,2010(17):74-77.

[3]吳險峰,王寅峰.基于移動網(wǎng)絡(luò)的機器通訊研究[J].通信技術(shù),2012,45(03):66-68.

[4]孫建華,陳昌祥.物聯(lián)網(wǎng)安全初探[J].通信技術(shù),2012,45(07):100-102.

[5]劉平,劉曉東.物聯(lián)網(wǎng)安全研究[J].信息安全與通信保密,2012(02):69-72.

[6]沈嘉,劉思揚.面向 M2M的移動通信系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)研究[J].電信網(wǎng)技術(shù),2011(09):39-45.

[7]周赪.物聯(lián)網(wǎng)概述[J].信息安全與通信保密,2011(10):63-64.