經(jīng)驗人:譚 成 劉晏東 楊小平

M2M通信技術(shù)現(xiàn)存問題研究

經(jīng)驗人:譚 成 劉晏東 楊小平

通信技術(shù)近年來發(fā)展迅速，改變了人們的工作方式和生活方式。這些技術(shù)的運用，使人和人之間的交流溝通變的更加方便快捷。目前的狀況是只有計算機和相關(guān)IT設(shè)備具備這種網(wǎng)絡(luò)通信能力，人們生活中普遍用到的機器不具備這種能力，比如家用電器、很多工廠里的機器，各種車輛等。M2M技術(shù)便是要讓現(xiàn)有的機器設(shè)備都具備通信功能，可以進(jìn)行相互聯(lián)網(wǎng)，NetworkEverything便是M2M技術(shù)的最終目標(biāo)。M2M技術(shù)的意義重大，其應(yīng)用有著廣闊的市場，社會生產(chǎn)和人們的生活方式將由M2M技術(shù)帶來新一輪的變革。

背景

M2M技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)之一，作用是使機器之間具備相互聯(lián)接相互通信的能力，為了達(dá)到這個目標(biāo)，M2M技術(shù)結(jié)合了現(xiàn)有不同種類的通信技術(shù)。隨著現(xiàn)有各類通信技術(shù)的發(fā)展及運用，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)研究在多個方向獲得了重大突破，但是由于沒有一個標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范化的規(guī)劃，使得現(xiàn)有M2M技術(shù)還存在很多問題急待解決。

M2M通信技術(shù)研究現(xiàn)存問題及解決方法

1.M2M用戶海量接入與網(wǎng)絡(luò)資源有限的問題

問題

在未來的網(wǎng)絡(luò)中，M2M用戶數(shù)量龐大，雖然每一個M2M用戶在通信時帶寬要求不高，但是當(dāng)很多M2M用戶同時發(fā)起通信時，可能會造成網(wǎng)絡(luò)的擁塞，從而無法滿足M2M用戶的通信需求，而現(xiàn)有的研究都沒考慮用戶的接入需求超過網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的情況，因此很有必要設(shè)計一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，來解決M2M用戶的海量接入與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源有限的問題。

解決思路

針對這一問題，我們提出一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)社區(qū)（Heterogeneous Network Community，HNC）的網(wǎng)絡(luò)框架，在這種HNC網(wǎng)絡(luò)框架中，存在多個通信能力不同的網(wǎng)絡(luò)，如Wifi、宏蜂窩、家庭網(wǎng)絡(luò)等（在這里將這種單個網(wǎng)絡(luò)成為私有網(wǎng)絡(luò)），由于每一私有網(wǎng)絡(luò)的通信能力是有限的，而M2M業(yè)務(wù)具有突發(fā)和隨機性，在某個時刻有可能會出現(xiàn)一個網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的M2M業(yè)務(wù)量非常大，而其他網(wǎng)絡(luò)基本上沒有業(yè)務(wù)，基于這種情況，為了能夠滿足單個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)M2M用戶同時發(fā)起通信業(yè)務(wù)所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸需求，可采用多個私有網(wǎng)絡(luò)之間相互協(xié)同，共享部分資源，形成一個虛擬的公共網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)單個私有網(wǎng)絡(luò)無法滿足其M2M用戶的通信需求時，可以通過其他私有網(wǎng)絡(luò)共享的資源，來保證M2M用戶的海量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸。因此，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)社區(qū)就是由這樣多個私有網(wǎng)絡(luò)組成，每個網(wǎng)絡(luò)彼此之間相互幫助，來共同解決M2M用戶海量接入與單個網(wǎng)絡(luò)資源有限的問題。

2.基于QoS保證的M2M用戶網(wǎng)絡(luò)和信道選擇問題

問題

目前M2M設(shè)備按照功能分為資產(chǎn)追蹤、建筑安全、車輛實施追蹤、測量、遠(yuǎn)程醫(yī)療以及其他等6類，而不同類型的M2M設(shè)備其產(chǎn)生的業(yè)務(wù)具有不同的通信需求，如資產(chǎn)追蹤和車輛實施追蹤類的應(yīng)用對數(shù)據(jù)的實時性要求高，要求傳輸?shù)男诺滥軌虮ＷC低時延，遠(yuǎn)程醫(yī)療和測量類的應(yīng)用對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求高，要求傳輸?shù)男诺滥軌虮ＷC低誤碼率，而實時遠(yuǎn)程監(jiān)控類應(yīng)用需要對通信傳輸?shù)臅r延和帶寬要求較高。同時，由于目前大多數(shù)M2M設(shè)備都采取電池供電，能量消耗也是其選擇通信方式的重要參考依據(jù)之一。而現(xiàn)有的研究基于QoS的M2M用戶資源分配時，并沒有將用戶的能耗、QoS需求以及異構(gòu)資源結(jié)合起來，因此在這種異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)用戶可以選擇多種傳輸方式時，如何選擇網(wǎng)絡(luò)和信道，既能滿足用戶業(yè)務(wù)的QoS需求，又能使得整體能量消耗達(dá)到最小，這樣的問題很有必要研究。

解決思路

在如圖1所示的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，假設(shè)每個M2M用戶都具備接入多種類型的無線網(wǎng)絡(luò)，那么每個M2M用戶應(yīng)該如何根據(jù)其產(chǎn)生業(yè)務(wù)的特性來選擇網(wǎng)絡(luò)和信道，在滿足傳輸QoS需求的前提下，又能達(dá)到能耗最小。

首先可根據(jù)對不同類型的M2M設(shè)備所產(chǎn)生業(yè)務(wù)特性的測量結(jié)果，設(shè)計出滿足該業(yè)務(wù)的QoS滿足度函數(shù)Sai，如圖 2所示，該圖描述了兩種不同類型業(yè)務(wù)的QoS滿足度函數(shù)Sai的特性，（a）為階躍型QoS特性，即當(dāng)該業(yè)務(wù)的某一參數(shù)超過門限之后，就能滿足其QoS需求，而隨著該參數(shù)的增加，其性能提升空間并不大，（b）為線性型QoS特性，即業(yè)務(wù)的QoS滿足度隨著某個參數(shù)的增加而增加，呈線性增長趨勢。

然后，根據(jù)設(shè)計的滿足度函數(shù)，以消耗的能量為參考設(shè)計效用函數(shù)為Ui（ Sai，C Hi），其中CHi表示所選擇的信道特性（如傳輸速率）；

從而將改優(yōu)化問題建模為

對于求解該優(yōu)化問題可以采用博弈論。

3.基于QoS保證的M2M用戶群管理的資源分配問題

問題

在存在多個基站和M2M設(shè)備的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，由于M2M設(shè)備數(shù)目多，如果基站針對單個設(shè)備進(jìn)行資源管理，那么基站管理的復(fù)雜度會大大增加，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的癱瘓，因此針對M2M用戶應(yīng)該采取基于群的資源管理方式，但是對于M2M用戶基于群的資源管理過程中，如何對M2M用戶進(jìn)行有效的群進(jìn)行劃分，既能降低管理的復(fù)雜度，又能保障群內(nèi)用戶的QoS需求，從而達(dá)到資源的有效利用，因此這成為M2M用戶群管理首要解決的問題，而現(xiàn)有研究基于QoS保障的M2M用戶群管理的資源分配問題的時候，只是根據(jù)用戶的單一屬性劃分的，適用的場景很有限，因此有必要研究一種通用的基于QoS保證的M2M用戶群管理策略。

圖1 多網(wǎng)多信道異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境示意圖

圖2 兩種不同業(yè)務(wù)的滿足度函數(shù)

解決思路

針對這種多基站的M2M用戶群管理問題，可以通過基站間的協(xié)同來完成M2M用戶群管理，為了考慮一種更加通用的基于QoS保證的M2M用戶群管理的資源分配策略，假設(shè)用戶和基站都隨機分布在一定的區(qū)域內(nèi)，具體步驟如下:

步驟一:首先隨機產(chǎn)生M2M用戶的分布，然后考慮對用戶進(jìn)行隨機化組，然后每一組根據(jù)滿足組內(nèi)所有M2M用戶QoS需要選定基站的位置；

步驟二；根據(jù)步驟一確定的基站位置，然后基站根據(jù)自己的傳輸能力、用戶的QoS需求以及考慮基站間的負(fù)載均衡來選擇M2M用戶，又形成一次M2M用戶組劃分；

重復(fù)步驟一和二，直至基站和M2M用戶組不再發(fā)生變化為止。

4.適用M2M用戶的協(xié)議設(shè)計問題

問題

目前的通信協(xié)議都是針對H2H（Human-to-Human）設(shè)計的，但是M2M用戶具有文章還分析了M2M通信業(yè)務(wù)的特點:

大量設(shè)備的傳輸:在網(wǎng)絡(luò)中很有可能同時會有大量設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)；

高可靠性；

增加接入優(yōu)先級；

低功耗；

小突發(fā)傳輸:帶寬要求小；

低/不移動性；

監(jiān)控和安全性管理；

群控制、管理；

時間控制的業(yè)務(wù):在某些固定時間才會傳輸業(yè)務(wù)；

時間容忍的業(yè)務(wù)；

單向數(shù)據(jù)傳輸；

低時延:針對某些特定業(yè)務(wù)，可看M2M通信業(yè)務(wù)中同時包含實時業(yè)務(wù)和非實時業(yè)務(wù)這兩種類型的業(yè)務(wù)；

業(yè)務(wù)傳輸頻率。

因此很有必要設(shè)計適用于M2M用戶的通信協(xié)議，而現(xiàn)有研究在目前的LTE上行鏈路中提出了一種針對小數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的能量有效的傳輸策略，并沒有從根本上解決在LTE中更有效的傳輸M2M業(yè)務(wù)這個問題，只是在目前的體制下降低了傳輸功率，達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)，因此需要設(shè)計在目前網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的適合M2M用戶的通信，來提高系統(tǒng)的資源利用率。

解決思路

1.針對某一特定場景，確定產(chǎn)生業(yè)務(wù)的特性；

2.分析當(dāng)前通信協(xié)議是否適應(yīng)傳輸該業(yè)務(wù)；

3.若不適應(yīng)傳輸該M2M業(yè)務(wù)，可以對該協(xié)議進(jìn)行適當(dāng)修改，修改的原則是既能滿足當(dāng)前已有業(yè)務(wù)的傳輸特性，又能滿足該M2M業(yè)務(wù)的傳輸特性，確定改動的不宜太大；

4.分析修改后的協(xié)議的傳輸性能以及犧牲的代價。

研究展望

由于M2M通信是最近幾年才開始廣泛研究，而目前的通信網(wǎng)絡(luò)主要是針對H2H用戶進(jìn)行設(shè)計的，而M2M通信具有很多H2H通信不具有的特點，因此很有必要設(shè)計適用于M2M用戶的通信協(xié)議。雖然目前有很多研究針對M2M用戶的通信方式，但是由于研究時間短，很多研究成果不夠成熟，仍有很多問題亟待解決。這里提出了M2M通信技術(shù)研究現(xiàn)存問題及給出了解決思路，解決這些關(guān)鍵技術(shù)問題，將為M2M通信技術(shù)發(fā)展提供一定的理論支撐。

譚 成 劉晏東 楊小平

61123部隊

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.07.001