mMTC面临挑战与研究现状

本文内容摘自：C.Bockelmann etc., “Towards Massive Connectivity Support for Scalable mMTC Communications in 5G Networks,”IEEE Access,2018.

目录

1、mMTC面临挑战

尽管现有通信系统可以支持很多MTC应用，但mMTC所具有的一些特性，例如接入设备数量巨大，载荷长度非常小等，都需要新的方法和定义，使得蜂窝系统能够无缝地支持mMTC业务与其它业务的融合。

物理层挑战

• 控制信令挑战：现有的LTE标准中，当处于空闲状态的MTD想要发送一个单独的短包时，在MTD、eNodeB和核心网络之间就会有大量的信令交换。因此发送比特的总数中控制信息占了大头，实际传送的数据变得可以忽略不计。因此，5G系统必须通过新颖的MAC和PHY设计，来提供低开销的数据传输模式。此外，迫切需要更高层的增强技术，例如无线资源控制信令，来降低空闲用户重新连接和重新认证时的开销。最后，应该考虑在控制平面上传输小数据包的方法。

• 接入容量限制：在LTE中，当系统处于空闲模式时，访问系统或重新连接的第一步是接入预留协议。由于在物理层（PHY）和介质访问（MAC）层中没有特定的冲突解决过程，LTE接入预留协议的吞吐量严重退化。因此，为了能够支持大量设备的接入，5G系统必须至少通过新颖的MAC和PHY设计来增强接入预留协议。

• 功率消耗：由于MTD通常是电池供电的，因而需要10年以上的自主性。为此，接入和通信方案都应该是功率有效的。这个挑战还与连接的类型有关：通常考虑的是UL触发（移动发起）业务或者DL业务（网络发起的通信）。例如，在SigFox模型中，通信总是由UL的请求来触发，这从功耗角度来讲是有利的（不需要唤醒寻呼信道）。

• 多业务集成：LTE主要关注MBB业务，并为这些业务使用单帧定义和公共控制信道。为了实现不同需求业务的共存，5G需要包括灵活的帧定义、鲁棒的波形和灵活的控制信道设计，以允许动态带宽共享和不同的PHY/MAC方法。在图1中提供了一个关于频率、时间和空间资源的多业务集成的例子。

系统级考虑

当所研究的场景扩展到具有许多小区的拓扑结构，并将更高层功能考虑在内时，就会出现几个系统级的考虑。此外，系统级场景可以包括两个或多个小区之间的协作功能(例如，通过使用X2接口)，例如协作的功率控制和移动性。在这样的环境中，可以总结出mMTC的主要系统级问题：a)小区间干扰；b)功率控制；c)帧结构；d)异步传输引起的小区内干扰。

在存在多个小区的场景中，在小区内和小区间设备中都出现干扰。小区内干扰在竞争情况下出现，因此对于mMTC接入协议而言，干扰出现出现在多级和两级接入协议的接入通知阶段，或者在一级接入协议的接入/数据混合阶段。相反，不论选择什么样的接入协议，小区间干扰可能出现在系统的任何阶段，包括接入、连接建立和数据阶段。

在具有单个小区的mMTC场景中，功率控制机制旨在最小化设备之间的干扰(小区内干扰)，并提高功率效率以确保更长的电池寿命。在多小区场景中，除了上述功能之外，功率控制机制还旨在最小化小区间干扰。

关于松散的上行链路同步，具有零星上行链路数据的mMTC设备的一个主要限制是它们使用下行链路进行同步。这在小到中等大小的小区环境（例如，站点间距离500 m）和具有低延迟扩展值的信道实现的情况下不是主要问题，因为在这些情况下，循环前缀（CP）的使用补偿了时间偏差。但是，在大蜂窝(例如，站点间距离>1500m)的情况下，对于具有高延迟扩展的信道，偏差可以变得更大，特别是对于远离基站的设备，并且可以超过选择的CP值。在这种情况下，传输被认为是与检测窗口异步的，并且对频率相邻的传输产生干扰。这种干扰的功率受各种参数的影响(例如，两个突发的大小、它们之间是否存在保护带等)。在FANTASTIC-5G中，提出了一组新的波形，这些波形可以限制和在某些情况下消除由于异步引起的干扰效应[12]，[13]。

2、mMTC研究现状

尽管旨在支持商业通信系统中的mMTC，但目前的系统仅能支持mMTC需求的一部分。有一些解决方案中已经提供了小的载荷包和扩展覆盖。然而，支持大量设备访问的问题还没有得到解决。下面，我们将简要概述当前可用的或正在开发的mMTC系统，包括3GPP系统和非3GPP系统。

非3GPP低功率广域网

LoRA是低功耗广域网(LPWAN)，通常以星形拓扑布局，其中网关在终端设备和网络后端的中央网络服务器之间中继消息。终端设备和网关之间的通信在不同的频率信道和数据速率上展开。数据速率的选择是在通信范围和通过自适应数据速率方案提供0.3kbps到50kbps范围的消息持续时间之间的权衡。该接入基于专用的基于啁啾的扩频方案，MAC协议基于频率和时间ALOHA。LoRA在亚GHz波段运行，供应商声称覆盖范围在农村地区为10-15公里，在城市地区为3-5公里。

SigFox也是支持不频繁双向通信的LPWAN，采用超窄带（UNB）无线调制作为接入技术，采用的MAC协议是基于频率和时间的ALOHA。更高层协议是专有的且其定义不公开。在农村地区覆盖30-50公里，市区为3-10公里。

IEEE 802.11ah是一种广域网，能够实现低功耗和长距离的传输。IEEE 802.11ah的工作频率低于1GHz，允许单个接入点(AP)向不超过1公里的区域提供服务。PHY和MAC协议类似于802.11系列协议，随着受限的访问窗口的引入而扩展，在此期间仅允许特定数量的设备基于它们的设备ID进行竞争[16]。

在IEEE 802.15.46LoWPAN、ISA100.11a、WirelessHart之上,还有其他网络系统，这些网络系统专注于低数量的设备，同时提供可靠性保证。最后，还有其他网络系统，它们有自己的协议栈，例如Ingenu和Weightless。

上述系统的物理层技术相对简单，因此无法为大量的活跃设备提供服务。

• 3GPP低功率广域网

直到最近，MTD的服务仍然基于2G。随着上述非3GPP系统的成功，移动通信产业决定加速MTC解决方案，并在2016年实现标准化，其目标是在LTE中引入新的特征来支持IOT类的设备，这些新特征包括：

低成本接收设备

长电池寿命

比LTE-A扩展的覆盖范围(+15dB)

为了满足上述三个要求，有如下设计选择：

单天线设计

半双工传输

窄带接收

降低峰值功率

有限MCS和有限发射模式

低发送功率

扩展DRX以及新的节能模式

发射重复

到3GPP的Release 13，共支持三种IoT设备：Cat-M1, NB-IoT(NB1)，以及EC-GSM。