LTE和物聯網融合

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

物聯網自 1999年被提出以來，得到了廣泛關注和迅猛發(fā)展，被譽為是推動產業(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)紛紛提出與物聯網相關的信息化戰(zhàn)略，具有物聯網特征的相關應用層出不窮。

LTE通信網絡被稱之為準4G網絡，近年發(fā)展迅速、應用廣泛，FDD LTE已逐漸成為國外運營商的首選，由中國主導、具有自主知識產權的TD-LTE日臻成熟，有望在年內試商用。

LTE為物聯網提供了良好網絡保障，物聯網也將促進 LTE網絡的廣泛應用，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)產業(yè)轉型升級，提供新的經濟增長點。

1 LTE網絡中對物聯網支持

1.1 LTE簡介

LTE是 3G技術長期演進（Long Term Evolution）的英文縮寫，稱之為 3.9G或準4G無線通信技術，采用正交頻分復用（OFDM）和多輸入多輸出（MIMO）等技術，使網絡具有高帶寬（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 已經成為下一代移動通信技術的實際標準。

1.2 物聯網簡介

物聯網是通過信息傳感設備（射頻識別、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器、氣體感應器等），按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡[1]。

機器對機器通信（M2M）是物聯網的重要部分，M2M指通過“通信網絡”傳遞信息從而實現機器對機器或人對機器的數據交換，也就是通過通信網絡實現機器之間的互聯互通。

1.33 GPP中關于MTC的標準進展

M2M通信業(yè)務的快速發(fā)展，傳統(tǒng)傳感器網絡承載M2M業(yè)務面臨越來越多的局限性和挑戰(zhàn)，急需將傳感器網絡和移動通信網絡相結合，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網絡。但是，傳統(tǒng)移動通信技術畢竟是面向人與人（H2H）通信業(yè)務設計的，適應H2H的業(yè)務需求。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技術是M2M通信組網的最佳選擇。

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)支持物聯網應用的可行性研究，正式研究于R10階段啟動。

M2M在3GPP內對應的名稱為機器類型通信（MTC）。3GPP并行設立了多個工作項目或研究項目，由不同工作組按照其領域，并行展開針對MTC的研究。SA1 工作組( TSGSA中第1工作組)負責定義MTC業(yè)務需求及特性?；赟A1提出的需求，SA2工作組負責設計M2M網絡優(yōu)化的總體技術方案，包括網絡基本架構、主要功能和基本處理流程等。SA3工作組關注整個3GPP系統(tǒng)的安全，負責分析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?；?SA2的輸出，TSG CT(TSG核心網絡終端)中各工作組負責終端及核心網方面MTC各種優(yōu)化技術的實現。TSG GERAN(TSG GSM/EDGE 無線接入網)和TSG RAN (TSG接入網)中各工作組負責 MTC通信在無線接入網絡中的優(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。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終端設備間的通信以及引入 MTC網關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的概念及應用

2.1 MTC終端的特點

u由于并不是所有的MTC應用都具有一樣的特征，用不同的 MTC 應用特征來定義不同的 MTC應用，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，不經常移動或者是在指定的區(qū)域內移動。

2）時間控制接入：MTC終端在規(guī)定時間內發(fā)送接收數據。

3）時間容忍度:MTC終端僅需要延遲數據傳輸。

4）只使用分組交換：MTC終端只需要分組數據傳輸。

5）在線少量數據傳輸：永遠在線少量數據傳輸。

6）離線少量數據傳輸: MTC終端只需要離線少量數據傳輸。

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：網絡偶爾發(fā)起業(yè)務(Push)。

9）離線指示：MTC服務器（MTC server）感知終端離線。

10）擁塞指示：MTC服務器感知終端被屏蔽。

11）優(yōu)先告警：網絡需要保證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應用。

2.2 基于MTC網絡框架結構

MTC網絡結構如圖1所示，主要包括3部分：MTC終端設備，承載通道以及MTC服務器，MTC終端設備與一個或者多個MTC服務器進行通信，LTE網絡作為MTC終端設備與MTC服務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，具有終結協(xié)議、服務鑒權、安全通信保障等功能。

圖1 MTC系統(tǒng)結構示意

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終端設備，能唯一標識一個MTC終端設備組，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：能夠對一個 MTC組進行計費，能夠對特定的時間段執(zhí)行特殊費率、能夠對特定的事件進行計費。

MTC通信安全：能夠提供與H2H相同的安全級別。

遠端MTC終端設備管理：由現有的機制完成，例如OMA DM。

2.3 MTC接入場景和方法

3GPP給出了MTC在LTE網絡中3種接入場景（直接、間接、混合）。間接場景中 MTC 終端設備和一個或者多個 MTC服務器通信又分為MTC服務器位于操作域內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網絡特定問題及解決方法

MTC終端和業(yè)務的特殊性，決定了MTC網絡相對于傳統(tǒng)的 LTE網絡有特殊的地方，針對這些特性相應的解決方案如下：

1）基于組的優(yōu)化：MTC的應用決定了 MTC終端設備具有特定的作用，如果將一些具有相似特性、相似地理位置或屬于同一用戶的MTC 設備組成一個組，然后對該group進行統(tǒng)一的管理，數據統(tǒng)一發(fā)送，這樣會在很大程度上節(jié)約信令和開銷。

2）MTC終端設備之間的通信問題：一個用戶可能需要將多個MTC終端設備通過PLMN連接到多個MTC服務器上，這要求MTC具備一系列的能力。

3）MTC終端設備地址：由于有眾多的MTC 設備和MTC 服務器，且MTC服務器由于考慮具備集中控制的功能，因此MTC服務器需要可以發(fā)起與多個MTC 設備的連接。由于IPv4地址空間的限制，MTC終端設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終端設備分配地址，在R10階段優(yōu)先解決終端地址分配的技術問題。

4）在線/離線小數據包傳輸：數據包大小是由MTC終端設備（如抄表設備）的功能決定，某些MTC終端設備需要偶爾發(fā)送一些少量的離線數據。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（如在沒有數據發(fā)送的時候就detach）。

5）擁塞控制：由于MTC 終端設備的眾多特征，使得終端與服務器之間的數據或信令傳遞很容易引起接入網和核心網的擁塞。這是 MTC現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絡。

6）低移動性：對于這些場景的 MTC 終端設備，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 設備只能在預先確定的時間間隙內發(fā)送和接收數據。核心網可以修改和預定義時間間隙，確定如何限制MTC 設備的連接，避免間隙之外的沒有必要的網絡負載。

3 LTE和物聯網的融合

3.1 基于LTE的物聯網的結構

一個典型的基于LTE架構的MTC網絡結構如圖4所示，系統(tǒng)包括MTC傳輸網、LTE接入網以及LTE核心網。MTC終端設備通過LTE核心網和MTC服務器通信，數據通過MTC傳感器轉換成數據，接入LTE網絡，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網絡結構

3.2 基于LTE的MTC網絡存在的問題及挑戰(zhàn)

高性能通信設備已經開始使用 LTE 技術。但是對于低速/低性能 MTC應用而言，仍存在一些問題，例如：

1）覆蓋范圍不同：LTE網絡部署正在迅速展開，毫無疑問，LTE 將在全球范圍內的大型國家和地區(qū)網絡中部署（而非只在人口稠密區(qū)）。由于LTE 是一項新技術，因此其覆蓋區(qū)域仍處于擴張階段，并不像 2G 和 3G 網絡一樣普及，因此LTE在各地區(qū)的覆蓋區(qū)域有很大差異。

2）設備成本：對于開發(fā)低速率 MTC 應用廠商來說，另一個顧慮便是成本問題，LTE技術是一項比 2G 更復雜的新技術，需要對更多頻段和頻段組合進行支持以及更復雜的接收配置和天線，因此現在 LTE 模塊的初期成本高于 2G 技術。的確，一些構建低速率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應用的最佳選擇。

3）帶寬問題：據預測，到2020年M2M與現有H2H通信互聯比例將達到30:1，即可能從60億人口擴展到500億乃至上萬億的MTC，當物聯網得以大規(guī)模應用，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）網絡的擁塞及解決方法：當大量的 MTC終端集中在某個區(qū)域以及某個時刻接入時候，其帶來的網絡方面的沖擊是目前LTE網絡無法預知的，存在網絡安全問題[4-5]。

3.3 LTE為MTC做的優(yōu)化

目前，網絡運營商、LTE 技術提供商以及標準制定機構正投入大量資源，以期增強 LTE 技術與各種 MTC應用的兼容性。其中包括：

1）開發(fā)新型的低成本、低速率 LTE 設備，與其他任何新技術一樣，LTE 模塊及設備的成本將逐步降低。

2）減少大規(guī)模 MTC應用而導致的擁堵。

3）將 LTE 設備接入網絡時最大程度減少設備數量。

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

此外，3GPP還制定各種標準，預防網絡擁堵或漫游時無法接入網絡的情況。例如，制定保護機制，從而允許本地用戶接入網絡而屏蔽漫游用戶，確保在整合網絡中，當一個網絡癱瘓時，其它網絡不會立即陷入擁堵。

此外，3GPP擴大 LTE 的覆蓋區(qū)域并將接入蜂窩網絡的 MTC終端設備數量降至最少。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據傳輸速率。但是，對于很多低速率的 MTC應用來說，一些頻段理論上可以用來改善室內穿透性，從而擴大室內 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網絡室內應用的覆蓋程度上，最終可能超出頻率更高的 3G 服務[6]。

3.4 LTE和物聯網的融合前景展望

作為下一代無線通信技術，LTE系統(tǒng)和終端，特別是 LTE終端將承擔未來 LTE與移動物聯網的核心技術融合和技術創(chuàng)新的重擔，各種物聯網的應用也將通過 LTE終端的普及和推廣得到快速的發(fā)展。另一方面，由于物聯網信息的種類和數量成倍增加，需要傳輸的數據量也成級數增加，同時還涉及到各種異構網絡或多個系統(tǒng)之間融合問題，而基于LTE技術的網絡，可以有效解決這些問題。

在物聯網感知層面，針對LTE終端需要研究和解決LTE天線與RFID、GPS天線的多模重構技術，LTE射頻和 RFID、GPS射頻的多模智能技術，LTE基帶和RFID基帶的多模集成技術。目前基于多模技術的 LTE終端也許是一個有效的解決途徑。

在物聯網網絡層面，目前的傳輸技術包括2G/3G、LTE、WiFi和有線網絡等。對于這個異構網絡環(huán)境的現狀，在LTE終端中，需要研究和解決無線傳感器網絡與 LTE網絡相互融合的技術，以實現異構網絡穩(wěn)定、快捷、低功耗、低成本融合。

LTE與物聯網的結合，將全面加速災害預警、健康醫(yī)療、智慧城市、智能交通、精細農業(yè)、智慧家庭等物聯網應用的發(fā)展步伐，成為移動通信行業(yè)應用的重要切入點[7]。

4 結語

LTE和物聯網是兩個方興未艾的技術，在技術和市場的推動下，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、產業(yè)發(fā)展和產業(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.物聯網的發(fā)展和應用探討[J].電信網技術,2010(11):34-37.

[2]戴力.基于公眾移動通信網的物聯網應用研究[J].移動通信,2010(17):74-77.

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

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

[5]劉平,劉曉東.物聯網安全研究[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)化技術研究[J].電信網技術,2011(09):39-45.

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