3GPP对物联网IoT中的MTC的标准化介绍

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 communication ）;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 Identity 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:International Mobile SubscriberIdentification 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。

MTC功能增强

以下详细介绍了3GPP一些关键的MTC功能的增强情况。

核心网和RAN的过载和拥塞控制

当M2M设备已经大量部署时，3GPP识别了网络存在过载的可能的问题。 M2M设备可能会导致信号过载，因为它们同时恢复触发注册以及其他导致信号增加和核心网络过载的过程。具体地，在网络故障时，由于与网络相关联的MTC UE重新选择同时将网络（可能漫游）转移到尚未失败的网络，所以可能会发生信号突然出现的浪涌情况。

所选择的网络可以是漫游网络，其没有设计为为所有漫游MTC用户提供更多的同时访问。无论是否用于MTC即使来自大量UE的正常信令也可能导致网络过载。为了执行过载和拥塞控制，3GPP指定了特定的核心网络和RAN过载和拥塞控制特性来保护网络。

关于机型通信网络改进的研究项目研究了核心网络的过载和拥塞控制。关于MTC的RAN改进的研究项目于2009年第4季度开始。2010年5月开始关于机型通信系统改进的Rel-11伞型研究项目。该WI研究项目还涉及UTRAN和E-UTRAN的RAN过载控制。

通过将MTC UE设备识别为“低访问优先级”指示符配置标识这种延迟容忍的设备来执行防止和控制这种信令浪涌场景的机制，并且这可以被网络用于控制各种过程。在UTRAN或E-UTRAN中，当核心网向RAN指示过载时，RAN（用于UTRAN的UTRAN和用于E-UTRAN的eNB）将拒绝来自这种UE的连接请求，扩展的重新连接等待时间长达30分钟。然后，当UE将在过载时经受更长的退避定时器时，这样的UE可以被网络识别，以在拒绝来自UE的接入请求之后发出信令激活“扩展等待定时器”。这样对于标识为低访问优先级的那些UE，也可以禁止访问网络。对于接入具有低访问优先级的网络的UE，E-UTRAN中的MME可以拒绝RRC连接建立。还可以分配更长的跟踪区域更新以减少拥塞。

在GERAN中，BSS允许可配置的隐式拒绝时间长达200秒，并且将配置为“低访问优先级”的设备将启动隐式拒绝定时器，以在定时器期间预留的时间短内拒绝任何进一步的访问，允许网络控制异常拥塞。 GERAN还通过将仅配置为扩展访问限制的设备排除在外，通过扩展访问控制限制的机制来支持对RAN过载控制。

低成本和覆盖增强的LTE MTC UE

基于LTE的针对M2M应用的LTE调制解调器的复杂度降低的低成本MTC UE的供应研究于2011年9月开始。该研究确定了用于RF和基带复杂度降低的各种技术。复杂度降低的研究针对不需要高数据速率和/或低延迟的MTC设备。利用降低复杂度的技术，观察到会带来覆盖减少的一些负面影响，并且将研究扩展到研究低成本MTC UE的覆盖改进技术。

作为研究的结论，与普通LTE用户设备相比，3GPP开始规范工作，以规定具有降低的复杂度和改进覆盖的新LTE UE类别。技术详情见3GPP技术报告36.888。考虑用于延迟容忍的MTC的复杂度降低的选项主要旨在降低设备的RF和基带成本。减少复杂度的措施包括将数据的最大带宽减少到3 MHz或5 MHz的较窄带宽，将接收天线的数量减少到1，这也限制了对某些MIMO模式的支持，双工操作，并降低设备支持的峰值数据速率降低至1 Mbps。通过重复和捆绑信息来实现延迟容忍MTC设备的覆盖改进。

其他增强

3GPP版本12协议在2015年初完成。3GPP第12版中的MTC增强功能将重点放在以前版本中未解决的以下改进问题上。

为了解决针对MTC设备的集群的优化，当网络能够向特定地理区域内的一组MTC设备广播消息时，考虑MTC组正在寻址，那么在MTC组上可以进行访问控制限制或QoS策略来设置数据速率的限制，并为该组的每个MTC设备设置数据传输的时间限制，直到该限制过期为止。

制定对漫游MTC设备的指导的增强，并且主要通过使用由UE提供的低访问优先级指示来执行。 eNodeB引导被配置用于对特定MME的低访问优先级的UE提供接入。

对小数据和触发的增强主要是为了实现少量数据的高效传输。对于处于RRC IDLE状态的普通LTE UE，服务请求过程将用于数据传输。对于来自MTC设备的小数据也可能会导致显著的开销。如果用于将IP分组作为NAS信令传输而不是在RRC IDLE状态下为UE建立RRC安全性，则预先建立的NAS安全性将导致用于传送少量数据的更优化的系统，这减少了信令开销，实现了对网络资源的有效利用，并减少了重新分配的延迟。

事件监控，事件的检测和事件的报告是M2M系统的一个重要方面。 MTC UE的监控事件的配置需要激活对事件的全部或一个子集的监视。监控增强功能可以检测向服务能力服务器或应用程序服务器报告的事件。

3GPP承认需要解决UE的功耗问题，特别是针对由电池供电的设备。3GPP正在研究设想的用于在空闲模式下延伸DRX并且在连接模式下配置长DRX周期的UE功耗优化的解决方案。

3GPP版本13以及预计未来版本将能够进一步支持M2M服务和M2M设备的大量部署的高效交付。

LTE Release 12的MTC增强功能

1，数据速率能力和UE类别0（UE CATEGORY 0）

为了实现MTC应用的低成本设备，3GPP LTE协议版本12引入了新的较低速率的UE类别。新的UE类别被标记为类别0（零），符合具有更广泛能力的较高数量的UE类别的典型关联。

2，TYPE-B半双工操作

为了进一步降低复杂性/降低成本，LTE 12版引入了一种新的半双工模式，即B类半双工，特别针对类别0的设备。参见图2，半双工类型B允许在下行链路接收和上行链路传输之间通过指定设备在上行链路子帧之前以及上行链路子帧之后的第一个下行链路子帧不预期接收最后一个下行链路子帧来实现更大的空闲时间。

图3、半双工操作

3，具有单个接收天线的设备的可能性

为了进一步降低针对大规模MTC应用的设备的复杂性，对于UE类别0，这一要求被放宽了。相反，0类设备的性能要求使得它们可以在设备端使用单个接收天线。

4，省电模式

为了实现网络始发的数据传输，使用PSM（power-saving mode：节电模式）的设备必须定期重新连接到网络，并保持一段时间的工作，以允许网络对UE进行寻呼尝试。这样的重新连接应该是不频繁的，以保持PSM的节能效益，这意味着PSM对于延迟不是至关重要的不频繁地发起数据业务的网络来说是主要的工作模式。

LTE Release 13的MTC增强功能：eMTC

作为LTE版本13的一部分，LTE采取了对进一步增强大规模MTC应用支持的附加步骤，这是一种被称为增强型MTC（eMTC： enhanced MTC）的活动。这项活动的主要目标是：

进一步降低设备成本，要求低于第12版UE类别0所实现的成本。

与Release 13之前的设备相比，扩展了具有目标的低速大量MTC设备的覆盖范围，使其能够在增加至少15 dB的耦合损耗情况下也能运行。

在高层次上，eMTC的主要新特征包括：

器件侧的RF带宽更窄，可进一步降低器件复杂性和相应的成本;

广泛的重复下行链路和上行链路收发，实现低速率服务的扩展覆盖;

扩展DRX。

1，NARROWeBAND操作

release-13 eMTC设备只需要通过与最小LTE载波带宽相对应的即时带宽（即大约1.4 MHz）来支持传输和接收。

2，通过重复方式进行覆盖增强

3GPP eMTC活动的第二个目标是为低速率MTC应用提供显著的覆盖扩展。 eMTC设计的明确目标是与Release 13之前的设备相比，能够实现与耦合损耗相差至少15 dB的操作。

图4、跳频操作

重要的是要明白，eMTC的目标不是扩大给定数据速率的覆盖范围。相反，通过降低数据速率来扩展覆盖范围。

3，下行链路传输：PDSCH和MPDCCH

4，UPLINK传输：PUSCH和PUCCH

5，同步信号和BCH

6，系统信息块

7，随机访问

8，扩展DRX

总结

在今天和昨天的文章中我们介绍了蜂窝行业面临的大量M2M应用所带来的挑战以及M2M标准化解决方案的基础。我们还提供了目前正在为有效支持M2M通信而被指定的解决方案的讲解。我们特别探讨了3GPP中M2M特定标准化活动的重要方面，以提供针对蜂窝使用优化的标准化解决方案。

对于未来，M2M标准将在短期内继续发展并继续给行业带来挑战，其中多个标准可能针对M2M通信的某些特定属性（例如，成本，覆盖率，移动性和安全性）来说可能是最佳的。从长远来看，M2M设备的长寿以及降低大规模部署成本的需求将推动行业制定统一的标准，这也将需要与目前的生态系统共存。 M2M设备的寿命将特别要求将来可能在可预见的将来保持的通信网络，并且在短期内不会过时。单一的无线电接入解决方案需要作为单一的标准化解决方案开发，该无线电接入解决方案应该具有高度适应性，但是针对具有低复杂性和低功耗利用率的M2M应用特别适用于特定的标准化解决方案。对于蜂窝运营商来说，非常重要的是也应该支持与当前通信基础架构的良好共存。

我们观察到一个有趣的转变是，如果蜂窝MTC解决方案将符合工业控制应用要求的条件，这将需要网络几乎零中断，并且还支持几毫秒的有保证的端到端延迟，而不是几百毫秒的延迟。与后者相关的要求的是需要访问过程进行根本转变，以确保适当地处理拥塞以及确保核心网络不会由于服务网关（S-GW）和分组网关（P-GW）的特殊的分层设计形式而引起额外的延迟。为此，参考文献（参考：http://www.ctr.kcl.ac.uk/seminars/slides/MASSIMO_CONDOLUCI.pdf）的作者提出了如图5所示的修正架构，它主张使用毫微微小区，即家庭eNB（HeNB）来降低拥塞，延迟和能量消耗，并以一个纯粹的宏单元部署来进行了说明。 HeNB-GW在回程中的强制使用确保不会在核心网中发生数据和信令拥塞，因为数据和控制流量可以捆绑和限制。此外，它还提供其他M2M技术（如低功耗Wi-Fi）的直接接入，而无需经由P-GW。

图5、通过HeNB / HeNB-GW对超LTE MTC接入3GPP LTE-A核心的增强网络架构

使用这个示例架构提供的好处可以归纳如下：

HeNB-GW和MME之间的一个流控制传输协议（SCTP）关联。在LTE-A中，在交换控制平面业务的两个实体之间创建SCTP关联。通过使用HeNB-GW，大量HeNB的存在并不意味着会发生MME拥塞。实际上，只有HeNB-GW向MME而不是每个单个HeNB发送SCTP消息。此外，由于HeNB的接通/断开而导致的SCTP关联设施和释放的数量被最小化。

服务网关的可扩展性。与直接HeNB连接相比，HeNB-GW和S-GW之间的GPRS信道协议（GTP）导致UDP和IP连接的数量大大降低。以这种方式，HeNB的数量可能增加，而不增加由S-GW管理的UDP / IP路径和GTP回显消息的数量。

分页优化。可以在HeNB-GW内实现用于向被管HeNB下行链路数据传输的优化寻呼机制，以减少等待时间。

未来，3GPP可能会接受学术界和工业界提出的一些建议来进一步优化与MTC相关的协议。总体而言，市场将在未来几年展示蜂窝MTC对最终用户，即重工业和汽车行业等的有效价值主张。