劉彥鵬 嚴(yán)涵琦 陳怡

摘? 要：隨著人與物、物與物連接增多，未來將是千億連接量的物聯(lián)網(wǎng)時代，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)今社會的各個領(lǐng)域，是實現(xiàn)萬物互聯(lián)的主要載體之一。為解決M2M在關(guān)鍵技術(shù)上存在的用戶海量接入后網(wǎng)絡(luò)資源有限的矛盾，M2M用戶網(wǎng)絡(luò)和信道選擇、用戶群管理的資源分配、用戶協(xié)議設(shè)計等問題，實現(xiàn)低功耗M2M在關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)進一步發(fā)展，對物聯(lián)網(wǎng)M2M關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)進行了研究。

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

中圖分類號：TN929.5;TP391.44? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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，作用是使機器之間具備相互連接相互通信的能力，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)化的規(guī)劃，所以針對M2M用戶的通信協(xié)議需要展開研究，仍存在很多問題亟待解決。

重慶信息通信研究院是我國中西部地區(qū)重要的電子信息產(chǎn)業(yè)國家級公共服務(wù)平臺之一，在5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等方面開展深入研究與前瞻布局，為大力推進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用推進，強力支撐國家物聯(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，通過本文項目的實施，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、生產(chǎn)、銷售、應(yīng)用和服務(wù)的完整產(chǎn)業(yè)鏈體系，同時提升地方經(jīng)濟效益，共同加強技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)，推進新技術(shù)的普及應(yīng)用，為經(jīng)濟社會發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1? M2M系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

M2M系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含移動網(wǎng)絡(luò)運營商（Mobile Network Operator，MNO）平臺、M2M平臺、M2M應(yīng)用業(yè)務(wù)平臺三部分，如圖1所示。從結(jié)構(gòu)上看，MNO平臺擁有OTA、空中寫卡、遠(yuǎn)程寫卡、BOSS的功能，通過M2M平臺實現(xiàn)用戶管理;無線終端SIM卡與M2M終端通過網(wǎng)絡(luò)接入BS（Browser/Server結(jié)構(gòu)）服務(wù)器，再接入M2M平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、終端通信等功能，并為M2M應(yīng)用服務(wù)的用戶提供管理服務(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)模隨機接入、海量邊緣計算、端到端網(wǎng)絡(luò)虛擬化以及低功耗技術(shù)。

2.1? 大規(guī)模隨機接入

M2M規(guī)模應(yīng)用中大量M2M終端的接入需求對網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)承載能力提出嚴(yán)峻考驗。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、隊列積壓等因素，研究設(shè)計基于分簇、動態(tài)前導(dǎo)序列劃分以及基于優(yōu)先級的用戶排隊策略的M2M隨機接入機制。

研究基于分簇的M2M終端隨機接入方案，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M2M終端組進行分簇，如圖2所示，進而可根據(jù)可用能量、業(yè)務(wù)時延敏感等因素對各簇設(shè)定優(yōu)先級別，優(yōu)先級高的簇可以有效地接入資源，避免隨機接入信道擁塞，以及所導(dǎo)致的終端接入請求失敗。

為減小系統(tǒng)開銷，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通信專用序列，M2M通信專用序列，以及兩類業(yè)務(wù)共享序列，進而根據(jù)各類業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)對前導(dǎo)序列的動態(tài)、靈活分配。此外，也可將M2M終端分簇機制與前導(dǎo)序列管理方案相結(jié)合，在實現(xiàn)終端高效合理分簇的基礎(chǔ)上，為M2M獨立終端或各簇簇頭優(yōu)化分配前導(dǎo)序列。

針對海量隨機接入，小區(qū)選擇和資源分配的緊密耦合問題，聯(lián)合隨機接入、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，為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用并且滿足M2M終端的時延需求，計劃設(shè)計基于虛擬簇的聯(lián)合接入類限制因子及資源分配策略，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源利用率最大化;進而基于已得到的接入類限制因子與資源分配策略，建?；谛в煤瘮?shù)最大化的小區(qū)選擇及功率分配問題。

憑借空間復(fù)用策略在M2M終端隨機接入機制中的應(yīng)用，并結(jié)合資源分配策略，實現(xiàn)高效資源利用及用戶業(yè)務(wù)性能提升。該方案基本思路為：將各小區(qū)M2M用戶按其地理位置進行分組，依據(jù)特定分組策略，將小區(qū)分為各個組內(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)計特定匹配算法進行前導(dǎo)序列與用戶/用戶組的匹配。進而結(jié)合M2M終端功率分配優(yōu)化策略，實現(xiàn)前導(dǎo)序列高效復(fù)用，顯著提升終端隨機接入成功率。

2.2? 海量邊緣計算

M2M設(shè)備的海量數(shù)據(jù)可以通過邊緣計算（MEC）實現(xiàn)在云端處理，大量設(shè)備可實現(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，簡化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，達(dá)到低功耗目的。另一方面，通過以終端直通（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)器的計算資源以及信息收集能力，可實現(xiàn)時延、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)實現(xiàn)萬物互聯(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。通過這種方式，物聯(lián)網(wǎng)將促進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)用對靈活、可擴網(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（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的無線資源分配。SD-GAP控制器主要負(fù)責(zé)與SD-GAP關(guān)聯(lián)的M2M終端的無線承載建立、無線資源管理、移動性管理等。M2M終端控制器負(fù)責(zé)對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，如通過構(gòu)建終端集群、SD-GAP集群、控制器群組等，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的高度靈活性及可擴展性。

針對M2M規(guī)模應(yīng)用高度差異化業(yè)務(wù)需求對網(wǎng)絡(luò)功能差異性、多樣化需求，在對SD-RAN各層功能進行深入分析的基礎(chǔ)上，對射頻單元及基帶單元的功能進行細(xì)粒度分解、編排、重組及定制，以實現(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)功能部署機制，根據(jù)M2M業(yè)務(wù)需求，在各SD-Switch處優(yōu)化部署各類網(wǎng)絡(luò)功能。

為實現(xiàn)對M2M規(guī)模應(yīng)用高度差異化、個性化業(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)虛擬化機制，分別針對RAN及CN設(shè)計網(wǎng)絡(luò)虛擬化機制，即SD-RAN虛擬化機制及SD-CN虛擬化管理機制。此外，在RAN及CN之上也引入高級虛擬化機制，即端到端網(wǎng)絡(luò)虛擬化機制，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)計多跳路由策略，以實現(xiàn)端到端QoS保障。SD-RAN虛擬化機制主要執(zhí)行SD-GAP的底層資源調(diào)度，基于無線資源調(diào)度方案實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)之間的隔離及高效資源共享;SD-CN虛擬化管理機制實現(xiàn)對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。通過端到端網(wǎng)絡(luò)虛擬化機制、SD-RAN虛擬化機制及SD-CN虛擬化機制的多域多維協(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)場景，研究M2M終端及系統(tǒng)低功耗技術(shù)?？山梃bLTE中采用的非連續(xù)接收（Discontinuous Reception，DRX）技術(shù)，通過允許終端設(shè)備周期性地進入休眠模式，關(guān)閉收發(fā)單元，以減少終端設(shè)備的能量消耗。為了進一步降低M2M終端能量消耗，滿足M2M終端設(shè)備對功耗極低的要求，采用增強型非連續(xù)接收（Extended DRX，eDRX）技術(shù)。

如圖4所示，M2M終端的一個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，為喚醒激活期，并于此期間監(jiān)聽NPDCCH（Narrowband PDCCH）子幀;當(dāng)M2M終端處于“Opportunity for eDRX”時，為睡眠狀態(tài)，即終端為了節(jié)省電量，進入不監(jiān)聽NPDCCH子幀的睡眠狀態(tài)。

針對M2M終端對M2M通信時延與功耗的需求，開展平衡M2M終端時延需求與低功耗需求的eDRX周期配置算法研究?；贛2M終端的狀態(tài)信息，合理改進eDRX機制中“On Duration”與“Opportunity for eDRX”模式選取過程中相關(guān)參數(shù)及定時器的設(shè)置，確定滿足M2M終端通信時延約束下的最優(yōu)eDRX。

針對由單個基站與多個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題為M2M終端剩余能量最大化問題。由于所建模的優(yōu)化問題是非凸問題，無法通過傳統(tǒng)的優(yōu)化理論進行求解。

3? 結(jié)? 論

研究M2M通信技術(shù)及應(yīng)用將增加我國物聯(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。通過該項目研究，可以挖掘運營商在電子信息產(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、生產(chǎn)、銷售、應(yīng)用和服務(wù)的完整產(chǎn)業(yè)鏈體系，同時提升地方經(jīng)濟效益。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)動力的技術(shù)保障，也將持續(xù)助推產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的高質(zhì)量發(fā)展。

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作者簡介：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，高級工程師，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)測試關(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)。