5G大規(guī)模機(jī)器類通信中的傳輸技術(shù)

宮詩尋+陶小峰

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-6868 （2017） 03-0020-004

摘要：機(jī)器類通信（MTC）是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的潛在挑戰(zhàn)，作為MTC分支的大規(guī)模機(jī)器類通信（mMTC）涉及IoT的大規(guī)模部署問題，是5G的重要應(yīng)用場景之一。針對(duì)mMTC場景中的傳輸技術(shù)，重點(diǎn)介紹了mMTC場景中的數(shù)據(jù)采集技術(shù)及其在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）中的應(yīng)用。此外，還指出了mMTC技術(shù)所面臨的一些挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞： mMTC；數(shù)據(jù)采集；WSNs；IoT

Abstract： Machine type communication （MTC） is a potential challenge in internet of things （IoT）. As the branch of MTC， massive machine type communication （mMTC） involves large-scale deployment of IoT which has been an important application of 5G. In this paper， we focus on the transmission technologies of 5G massive machine type communication， and mainly introduce the technologies of data acquisition in mMTC and its applications in wireless sensor networks （WSNs）. Moreover， some challenges of mMTC technology are pointed out.

Key words： mMTC； data acquisition； WSNs； IoT

在4G商用之后，5G技術(shù)隨即成為了最熱門的研究內(nèi)容。3G和4G技術(shù)主要集中在移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)，旨在解決人與人之間的連接，而5G則著眼于實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)”[1]?？梢?G的業(yè)務(wù)形態(tài)已經(jīng)發(fā)生很大變化，將是多業(yè)務(wù)多技術(shù)融合的網(wǎng)絡(luò)。歐盟早在2013年初就在第7框架計(jì)劃啟動(dòng)了“構(gòu)建2020年信息社會(huì)的無線通信關(guān)鍵技術(shù)”（METIS）項(xiàng)目，之后又啟動(dòng)了5G-PPP項(xiàng)目，中國和韓國分別成立了IMT-2020推進(jìn)組和5G論壇[2-4]。目前5G的愿景與需求已經(jīng)完成，基本特征已經(jīng)明確，在不遠(yuǎn)的將來，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、車聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、高清視頻等都將涵蓋大量不同類型的行業(yè)用戶，這將會(huì)是5G所必須要面對(duì)的挑戰(zhàn)[5-6]。由國際電信聯(lián)盟（ITU）定義的5G三大場景[7]分別為增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、大規(guī)模機(jī)器類通信（mMTC），以及低時(shí)延高可靠通信（URLLC），其中的eMBB場景可以看作是4G移動(dòng)寬帶技術(shù)的演進(jìn)[8]。

機(jī)器類通信（MTC）一直是IoT業(yè)務(wù)的潛在挑戰(zhàn)，為IoT的場景之一[9]，對(duì)帶寬和通信的實(shí)時(shí)性、可靠性要求較高[10]。在第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）對(duì)MTC的定義中，MTC是一種數(shù)據(jù)通信形式，它涉及到一個(gè)或多個(gè)不需要人機(jī)交互的實(shí)體，與傳統(tǒng)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信相比，MTC擁有更低的開銷，并且還能夠滿足海量鏈接。MTC涉及到了兩種主要通信場景：一種是MTC設(shè)備與一個(gè)或多個(gè)MTC服務(wù)器進(jìn)行通信；另一種是MTC設(shè)備與設(shè)備之間進(jìn)行通信[11]。如圖1所示為3GPP所定義的MTC場景架構(gòu)[11]，其中，網(wǎng)絡(luò)算子提供到MTC服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接，這適用于受網(wǎng)絡(luò)算子控制的MTC服務(wù)器，也適用于不受網(wǎng)絡(luò)算子控制的MTC服務(wù)器，這就是說，在MTC設(shè)備與服務(wù)器之間的通信分為服務(wù)器在算子空間內(nèi)與在算子空間外兩種。

另外，愛立信將MTC按5G需求分為mMTC和關(guān)鍵MTC（cMTC），其中mMTC用于滿足海量數(shù)據(jù)連接，cMTC主要用于實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高可靠的MTC業(yè)務(wù)。mMTC作為5G三大場景之一，擁有可擴(kuò)展和靈活的帶寬，屬于低速率傳輸，主要面向以傳感器和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場景。表1所示為mMTC主要的應(yīng)用場景及特點(diǎn)。在mMTC場景中往往需要采集和處理海量數(shù)據(jù)，壓縮感知（CS）理論[12]是一種能夠成功恢復(fù)稀疏信號(hào)的采樣方法，又因?yàn)閙MTC用戶具有稀疏特性，因此將CS應(yīng)用于mMTC場景中能夠有效地提升傳輸性能[13]。同樣CS技術(shù)也應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)（V2V）的數(shù)據(jù)采集，而V2V即是5G中URLLC場景的典型應(yīng)用。

1 mMTC主要傳輸技術(shù)

大規(guī)模部署的IoT以少量數(shù)據(jù)和低速率為主，無線傳輸技術(shù)能夠?qū)⒈椴糏oT的傳感器全部連接起來，而IoT對(duì)無線傳輸技術(shù)的需求主要體現(xiàn)在距離范圍、數(shù)據(jù)速率、帶寬、安全和成本等方面，其對(duì)能耗方面的要求也非常嚴(yán)格。目前IoT中的無線傳輸技術(shù)正在向低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）方向發(fā)展，而LPWAN在MTC通信中的發(fā)展十分迅速，其主要特征體現(xiàn)在了覆蓋范圍廣、低功耗和大容量等[15]方面，這些特征也迎合了mMTC對(duì)無線傳輸?shù)男枨蟆?G mMTC場景為了滿足海量連接及數(shù)據(jù)采集的服務(wù)需求，誕生了許多種無線傳輸技術(shù)，如表2所示。

在mMTC中的備選多址接入技術(shù)有15種之多，非正交多址接入技術(shù)（NOMA）和稀疏碼多址接入技術(shù)（SCMA）主要應(yīng)用在mMTC場景中的上行傳輸，由于mMTC用戶具有稀疏特性，所以SCMA主要應(yīng)用于mMTC場景。同時(shí)，基于蜂窩技術(shù)的MTC將成為5G的主流，基于蜂窩的典型IoT技術(shù)為窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT），窄帶頻率僅為180 kHz，北京星河亮點(diǎn)公司已經(jīng)研發(fā)出了NB-IoT專用測試儀器。LoRa是一種基于線性擴(kuò)頻（CSS）機(jī)制的專有擴(kuò)頻方法，適合遠(yuǎn)距離傳輸。NB-IoT和LoRa技術(shù)主要適用于智能電表、智能家居等場景，這兩種技術(shù)都屬于LPWAN。另外，mMTC對(duì)于海量數(shù)據(jù)采集和處理的需求是很大的，CS技術(shù)是一種能夠成功恢復(fù)稀疏信號(hào)的采樣方法，將CS應(yīng)用于mMTC場景中能夠有效提升傳輸性能。