基于TD-LTE的M2M技术研究

胡南　江小威　谢芳　崔春风　刘佳

1 概述

物联网是一种通过各种感知设备，如射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等，进行信息采集，并通过传输网络与互联网进行连接以实现信息交换与通信，达到监控、跟踪、识别、决策等目的的综合性智能网络架构。物联网将引领新一代信息产业浪潮，而作为物联网目前最普遍应用形式的机器间通信（M2M，Machine to Machine），更是在我国及欧、美、韩、日等地获得了广泛的商业应用。TD-LTE作为下一代移动通信技术，其与M2M的结合，一直是物联网通信技术研究的热点之一。

2 TD-LTE承载M2M应用的挑战

2.1小数据频繁传输对信令控制的挑战

在M2M通信中，有大量的应用呈现出了小数据频繁传输的特点，例如智能抄表中需要将各个家庭的用电情况以分钟的颗粒度实时更新，从而为电力公司调整发电量、实施阶梯电价提供参考；出租车定位系统（又名“车务通”，是中国移动开发的一套远程车辆监控管理系统），通过对车辆加装具有GPS功能的监控终端，采集车辆运行数据，并通过GPRS/EDGE/TD-SCDMA网络，将数据传送至后台管理服务器，从而实现对车辆的实时监控、远程调度、告警、里程油耗统计等功能；交管局等单位也可以利用车辆的即时位置信息计算行驶速度，判断道路的拥堵情况，从而提醒社会车辆提前绕行开拥堵的路段，缓解交通压力，车务通设备通常以秒级的周期上报位置信息。

这种小数据包频繁传输的应用对TD-LTE的控制信令设计提出了新的挑战。众所周知，TD-LTE技术属于蜂窝移动通信技术，为了给移动通信用户提供高质量的通信，它有一套完备复杂的信令控制流程。而当这种流程遇到海量M2M终端频繁地发送小数据时，就会出现由于信令开销过大而引起网络控制平面拥塞的问题。例如前述的车务通应用，就曾经因为在首都国际机场出租车较多，频繁上报位置信息等小数据包导致网络控制面拥塞。

因此，优化控制信令设计，为小数据频繁发送的M2M应用提供更高效的控制平面传输，是TD-LTE承载M2M应用所面临的重要挑战之一。

2.2海量M2M终端对通信成本的挑战

成本无疑是决定M2M应用能否推广的关键因素之一。目前，中国移动网络中约有1300万M2M终端，而绝大多数终端都是GSM模式，这主要是因为GSM通信模块成本较低。知名市场研究机构Juniper Research发布调研报告预测，全球机器间通信终端数量将于2014年增至4.12亿部。而该机构高级分析师Anthony Cox更表示，这还仅仅是M2M市场“未来增长潜力的冰山一角”。而如果TD-LTE想要抢占更多的M2M市场，那么降低其通信模块成本，无疑是增加其吸引力的重要砝码。

由此可见，能否降低通信模块成本，是TD-LTE承载M2M应用的另外一个重要挑战。

2.3典型M2M应用对TD-LTE功耗的挑战

低功耗通信是M2M应用的另一个主要需求。智能抄表中水表、燃气表的数据通信，环境监测、动物溯源中的通信，以及智慧物流中的定位通信等，都由于处于无法充电的工作环境中而对功耗有很苛刻的要求。例如，移动资产巡查业务，是在一些贵重物品上安装能够追踪定位的通信模块。此类模块需要在没有充电的情况下正常工作2～5年，由于体积限制，降低其通信功耗是满足其工作需求的重要手段之一。

TD-LTE技术，虽然有比较成熟的不连续接收DRX（Discontinuous Reception）省电机制；但是要满足M2M对低功耗的需求，还是需要对其DRX机制甚至是终端的测量、检测和其他机制进行低功耗的优化。

3 TD-LTE承载M2M应用优化方案研究

前文已经提到，M2M应用对TD-LTE提出了一系列新的挑战，本节将从高效信令、低成本和低功耗三个角度来分析如何优化TD-LTE，以应对这些挑战。

3.1高效轻量级信令设计

对于频发的小数据传输，其控制信令的消耗主要体现在了终端频繁地进行RRC连接造成的大量接入资源和信令的开销，以及对其进行资源分配而带来的控制信道资源的开销。如图1所示，200字节的M2M数据传输消耗了近20条信令[1]。

因此，节省信令开销、进行高效轻量级的信令设计应该从终端连接建立和资源分配入手。针对M2M通信特点，可以发现此类频繁发送小数据类的应用主要包括两大类，一类是以抄表、环境监测为典型应用场景的静止或准静止类通信；另一类是以车务通、移动资产巡查等为典型应用场景的运动类通信。

对于静止或准静止通信而言，由于终端位置固定或者在小范围内移动，因此终端与基站一旦完成一次上行同步后，则可以较长时间内处于上行同步状态（即上行发送的时间提前量不变），而这样就使得长时间不需要随机接入成为可能（因为终端一旦上行失步，则必须重新进行随机接入）。因此保持此类业务长时间RRC连接，是节省其信令开销的有效方式。

对于运动类通信而言，由于终端与基站的距离不停改变以及需要在基站之间进行切换，导致终端的上行同步需要经常更新，因此很难通过保持长时间RRC连接来减少控制信令开销。但是在这种情况下，静态或半静态的群调度以及通过随机接入携带数据信息等方式，还是可以有效减低控制面信令开销的。

本文提出了一种包括初始接入、数据上报和状态更新三部分的轻量级控制信令方案。初始接入的功能是对M2M终端进行身份标识分配（MTC-ID，Machine Type Communication Identifier）、鉴权和安全加密等。初始接入的触发条件是终端更换小区。其实现方式是仿照TD-LTE随机接入流程，但是要加入MTC-ID的分配功能。数据上报过程实现对同类MTC应用的终端进行呼叫，告知此类终端需要进行数据上报，并且告诉终端需要上报数据的具体要求，信令内容至少包括需要进行数据上报的终端名单和需要上报数据的具体要求（如需上报从何时到何时的何种数据）。

在此步骤中，采用了一种群调度的机制，即通过一条信令实现了对相同或相似应用的大量终端的调度（群内用户拥有公共的C-RNTI（Cell Radio Network Temporary Identifier，小区内无线网络临时标识）[1-2]，用户资源分配由公共C-RNTI和终端自身的MTC-ID共同决定）。此外，对于那些运动类型的通信，通过状态更新来代替为了上行同步而进行的随机接入，可以进一步节省信令开销。具体地讲，状态更新可以实现MTC-ID的维护和上行同步。状态更新由eNB触发，实现类似于数据上报的功能，只是携带的内容变为状态更新命令。考虑到终端同时收到了状态更新命令，为避免同时发起状态更新造成网络拥塞，终端应该根据自己持有的MTC-ID算出一个退避量，从而错开终端状态更新时间；不过基站要知道最大退避量是多少，从而确定M2M终端是否仍然在线。

3.2小带宽低成本方案设计

要降低TD-LTE终端的成本，首先需要了解终端的成本构成。目前LTE终端通信模块物料成本由两部分构成：基带（60%）和射频（40%）[3]，每部分具体的成本构成可以参考图2。

通过分析和调研可知，降低终端传输带宽可以显著地降低对基带处理能力的要求，从而大幅度降低通信成本。恰好，各种典型的M2M通信绝大多数属于小数据传输，并不需要占用较大的带宽资源。有鉴于此，本文提出了一种在TD-LTE系统中进行小带宽M2M通信的低成本解决方案，方案的核心思想就是保证M2M通信终端只工作（无论是上行还是下行）在TD-LTE载波的一小部分。

由于现有TD-LTE的物理下行控制信道是全带宽传输的，因此为了实现终端下行工作在小带宽上，则必然需要重新设计新的窄带物理下行控制信道（其机制可以参考目前正在标准化的增强型下行物理控制信道ePDCCH（enhanced Physical Downlink Control Channel））。同时，现有的TD-LTE上行物理控制信道（PUCCH，Physical Uplink Control Channel）需要在其载波频带的上下两端传输，为了实现M2M终端的上行小带宽发送，最简单的方案就是取消现有的PUCCH，而PUCCH所传递的内容（信道质量反馈、HARQ（Hybrid Automatic Repeat-reQuest，混合自动重传请求）的ACK/NACK）等信息可以采用数据信道随路的方式（即在上行数据信道上传输控制信道信息）。除了最基本的控制信道设计来保证终端小带宽接收和传输外，方案中还进行了其他物理功能和过程的简化以及高层流程的简化，来进一步降低成本，具体可以参考图3。

3.3低功耗方案设计

对于M2M终端而言，其功耗主要包括了通信功耗和待机功耗两大部分。因此，本文也将从通信和待机这两部分来进行低功耗优化设计。

对于终端通信功耗，其占比较大的是发射功率；因此如果能够有效地降低终端的发射功率，必然会对终端实现低功耗带来较大的帮助。前文提到的降低终端发射带宽的方式实际上就是一种降低通信功耗的好方法。因为终端在小带宽上进行数据发送，可以通过较低发射功率实现较高功率谱密度，从而在满足通信需求的同时降低终端的发射功率。另外，降低带宽也可以显著降低基带处理单元的数据处理负荷（可以减小FFT大小、信道均衡及信道译码维度、数据缓存等），从而大幅度减小基带单元的处理功耗。

表1列出了采用窄带发送方案后，TD-LTE的终端发射功率。表中给出的是在100m和20m两种通信距离情况下，TD-LTE终端在1/3码率编码和QPSK调制时的发射功率。由表可知，100m内的通信，终端节点发射带宽为180kHz时，发射功率基本小于0dBm；此发射功率完全可以与ZigBee技术发射功率相比拟（发射功率-3～20dBm，常用发射功率4dBm，通信距离20～30m）。

另一方面，为了降低终端待机时的功耗，针对智能抄表等M2M应用通信频率较低、时延要求不高等特性，可以降低TD-LTE终端进行测量及接收寻呼消息的频率，即采用更长的DRX 周期（非连续接收周期）[4]。但是目前的寻呼周期及寻呼子帧是依据系统帧号SFN（System Frame Number）及DRX周期进行计算的，SFN为10bits，最大时长为10.24s；如果要支持DRX周期大于10.24s，则必须扩展SFN的长度或者采用新的寻呼计算方式[5]。

参考文献：

[1] TS 36.331. Radio Resource Control(RRC)[S].

[2] TS 36.211. Physical Channels and Modulation[S].

[3]TR 36.888. Study on provision of low-cost Machine-Type Communications(MTC) User Equipments(UEs) based on LTE[S].

[4] TS 36.321. Medium Access Control(MAC) protocol specification[S].

[5] TS 36.304. User Equipment(UE) procedures in idle mode.