基于GERAN的MTC寻呼周期扩展方法 研究

张沛，周代卫

（中国信息通信研究院泰尔终端实验室，北京 100191）

1 引言

当前以移动互联网、物联网、云计算和大数据等为代表的新一代ICT（Information Communication Technology，信息通信技术）异常活跃，正在全球范围内掀起新一轮科技革命和产业变革。IoT（Internet of Things，物联网）通过与其它ICT技术的不断融合和演进，在智慧城市、医疗保健、交通物流、远程教育、智能家居和流通零售等行业快速渗透，并取得突出表现和长足发展。据GSMA《2014年亚太地区移动经济报告》统计，目前中国市场上物联网设备通信连接数已超5 000万，占据全球总量的1/4以上，超过了美国和日本总和。

MTC（Machine Type Communication，机器类通信）或M2M（Machine to Machine，机器对机器通信）作为IoT技术的主要无线通信服务平台，基于现有2G/3G/4G网络为物联网终端设备提供广域覆盖、移动漫游、数据传输和状态监控等服务，同时MTC也成为移动运营商拓展业务领域、增长用户规模和业务收入的新方向。目前全球已有400多家移动运营商提供MTC服务，在安全防控、车联网、工业自动化、物流运输和水电气信息采集等领域得到大规模应用，在全球移动连接总数中的占比也是快速提升。

而基于2G GERAN（GSM EDGE Radio Access Network，GSM EDGE无线接入网络）（主要为GSM/GPRS/EDGE制式）的无线接入具有技术成熟、成本低廉、覆盖范围广、频谱集中且多为低频段、支持联网和漫游等显著优势，目前在MTC终端设备中占很高比例，成为物联网设备广泛采用的可靠传输技术。

2 MTC终端功耗优化方向

物联网应用类型丰富多样，业务特征也差异巨大，如：对于智能家居、环境监测和智能抄表等业务，需要网络支持海量设备连接和低吞吐量小数据包传输；车联网和工业互联网则要求毫秒级的时延和近乎100%的可靠性。因此，物联网所依赖的MTC与面向个人的蜂窝通信技术有许多不同，需要针对特定业务类型进行改进以适应业务需求，而终端功耗优化成为关键的改善方向之一，特别是对于密封嵌入式、使用时间长或者散布于山区、水域及隧道等偏远地区的操作和维护不便的MTC终端设备。

现有的GERAN 网络进行MTC 连接的效率不高，特别是对于发送数据量不大且间歇周期长的业务类型，原本主要针对人与人通信的GERAN网络的功耗则显得过高，直接影响到终端设备的使用寿命和维护成本，因此非常有必要针对特定物联网业务特性和终端时间使用需求开展专项优化。

GERAN 网络中，已注册终端大部分时间都处于待机Idle状态，需要周期性地监测寻呼信道上对应的寻呼组Paging Group。寻呼组由IMSI（International Mobile Subscriber Identification Number，国际移动用户识别码）取模得出，监听周期由SI3（System Information 3，系统消息3）中的寻呼信道复帧数BSPA-MFRMS决定，按照3GPP TS 44.018 章节10.5.2.11中的定义，其取值范围为0.47s～2.12s。该周期的设置需均衡考虑终端的呼叫可达性和续航时间，若设置时间较短终端需更频繁地唤醒并监听寻呼消息，过长则终端可能错过对应的寻呼消息。

现行3GPP技术规范的前提是为了保证足够高的网络侧发起呼叫（MT）的成功率，因此终端的寻呼可达性对时间有严格要求，即终端在收到接入网下发给自己的寻呼消息后立即建立无线连接RR Connection并响应会话。而实网中系统下发的寻呼消息很多并非针对该终端，这导致该终端需要消耗很大一部分能量用于监听和解析这些寻呼消息，从而影响终端的电池续航能力和使用寿命。对于物联网MTC中非时间敏感性应用而言，通常需尽可能地降低终端功耗，延长其使用时间。因此，引入更长的寻呼周期无疑将成为MTC终端功耗优化的主要方向之一。

为进一步扩展MTC 终端寻呼周期，网络侧通常需要在终端注册或位置更新时识别出该类终端，如基于终端注册时的NAS（Network Attached Storage，网络附属存储）信令消息或者HLR（Home Location Register，归属位置寄存器）中存储的签约信息，以便核心网在收到对此类终端的寻呼消息时采取相对应的措施。具体而言，考虑到对现行3GPP技术规范的兼容性，本文提出了两种可行的扩展寻呼周期方法：

（1）帧结构的扩展：基于现有BS-PA-MFRMS参数，使用高阶帧结构来控制长寻呼周期，如周期为6.12s的超帧，甚至周期为大于3小时的超高帧；

（2）寻呼周期的倍乘：使用BS-PA-MFRMS的乘法因子将成倍延长寻呼周期，该因子的取值基于终端签约信息。

3 寻呼周期的倍乘方案

按照TS 44.018的定义和说明，参数BS-PA-MFRMS可取2 到9 的整数值，用于标示对同一寻呼组的P R（Paging Request，寻呼请求消息）间的51复帧的数目，对应的寻呼周期为0.47s～2.12s。而扩展寻呼周期方案可通过引入MF（Multiplication Factor，乘法因子）倍乘原BS-PA-MFRMS来实现。此MF参数需在终端注册或位置更新时由终端或网络提供或协商。如MF为100，则终端只需按原周期100倍的间隔来监测其寻呼组。表1给出了不同MF下的寻呼周期的长度。

表1 引入MF后的寻呼监测周期

引入MF 参数后，还需对发送自MSC/SGSN的寻呼消息做拓展处理以告知BSC（Base Station Controller，基站控制器）使用此参数重新计算实际的寻呼组，基于3GPP TS 45.002章节6.5.2的定义，其计算公式可扩展为：

PAGING_GROUP(0,1,...,(N×MF)-1)={[IMSI mod(1 000×MF)] mod(BS_CC_CHANS×N×MF)}mod(N×MF) （1）

其中，N=CCCH（Common Control CHannel，公用控制信道）上可用的寻呼组数目=51复帧中可用的寻呼组的数目×BS-PA-MFRMS；BS-PA-MFRMS是指属于同一寻呼组的寻呼消息传输间隙中51复帧的数量，取值为2～9；BS_CC_CHANS为广播消息中下发的支持CCCH的基本物理信道数，取值为1～4；MF取决于终端SIM卡或者HLR中存储的签约信息。

此方案扩展了可用寻呼组的数量，通过终端IMSI决定需要监测扩展后的某一个寻呼组，使得终端监测周期呈倍数延长。

4 帧结构的扩展方案

寻呼信道PCH按照51帧的复帧结构映射到公共控制信道CCCH上，51帧的复帧时长为235.4ms（3 060ms/13），而包含26个此复帧的超帧时长为6.12s，具体如图1所示。

基于此基础帧结构，终端所属的寻呼组主要取决于IMSI的后3位及小区配置的参数BS-PA-MFRMS和51复帧中寻呼块的数量，其计算公式如下：

PAGING_GROUP(0,1,...,N-1)=[(IMSI mod1 000)mod(BS_CC_CHANS×N)] modN （2）

其中，N=CCCH上可用的寻呼块数量=51复帧中可用的寻呼块个数×BS-PA-MFRMS；BS-PA-MFRMS是指属于同一寻呼组的寻呼消息传输间隙中51复帧的数量，取值为2～9；BS_CC_CHANS为广播消息中下发的支持CCCH的基本物理信道数，取值为1～4。

为实现寻呼周期扩展的目的，可以通过使用超帧或多个超帧来增加寻呼周期的长度，这意味着终端只需要在每个超帧或多个超帧中监测一次其所对应的寻呼组即可，其计算公式将演变为如下形式：

PAGING_GROUP(0,1,...,N-1)={[IMSI mod(1 000×26×m)]mod(BS_CC_CHANS×N)}modN （3）

其中，N=CCCH上可用的寻呼块数量=51复帧中可用的寻呼块个数×BS_PA_MFRMS×26×m；m表示在扩展后的长寻呼周期内超帧的数量，可取固定值或特定取值范围。

上述调整后计算公式中m的取值和超帧或超高帧的使用指示（使用的帧结构类型）通常与用户签约信息有关，或者在MTC终端注册或位置更新时提供给核心网MSC/SGSN，而MSC/SGSN在增强的寻呼消息中将此信息提供给BSC。如何管理从核心网收到的增强型寻呼消息则取决于BSC的具体实现，BSC可根据当前系统负载和终端数量决定对寻呼消息做列队或丢弃处理。

图1 GERAN中帧结构示意图

5 应用前提与范畴

在3GPP技术规范中，接入网GERAN侧的小区间不需要做基于帧号的同步，因此对于映射到同一帧号内的特定寻呼组，其在无线信道上的发送时间差可能达到最大周期2.12s。这在原有的标准规范中是合理的，对终端的MT呼叫可达性无严重影响，但在寻呼周期作延展后致使该时间差更长，可能会严重影响到终端的MT呼叫可达性，降低接通成功率。因为对于移动的终端，其收到多次相同寻呼请求的几率也会逐步增加，或许还可能导致严重的网络侧影响，如系统拥塞等。因此建议上述寻呼周期扩展机制在支持小区间帧号同步，或者终端处于静止状态或低速移动时使用。

另外，上述机制的基本前提是终端服务小区总能提供良好的覆盖以确保终端或者网络侧在任何时刻发起的呼叫都能成功建立，而如果服务小区信号较差或者覆盖有限时，寻呼周期成倍的扩展将导致终端错过或漏掉寻呼消息的几率加大，终端使用体验可能变差。

6 结束语

在快速崛起的物联网业务中，基于2G/3G/4G的机器类通信MTC技术成为其无线通信和数据传输的基础，而GERAN系统凭借技术成熟、成本低廉、性能稳定、覆盖良好和无缝漫游等优势占据主导地位。与此同时，为延长终端使用寿命，降低维护成本，终端功耗优化始终是系统优化的重要方向之一。

实际使用中，终端大部分时间处于待机状态，却需要间歇性监听PCH上的寻呼组，这极大地增加了终端的能耗。对于对通信业务等级和呼叫可达性无苛刻要求的业务应用，通过引入长寻呼周期机制可以极大地减低终端唤醒频率，提高能耗效率和使用寿命。

本文主要在GERAN系统中通过寻呼周期的倍乘和帧结构的扩展两种方式扩展寻呼周期，其实现方法基于对3GPP TS 45.002中现有的网络和终端寻呼组计算公式进行灵活扩展，同时通过必要的新参数获取和协商方式实现终端和移动网络的协同。该机制具有使用灵活、参数可调、独立可控、影响极低、后向兼容和效果明显等特点，在特定应用范畴可广泛应用于基于GERAN系统的MTC技术中。

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[11] GSMA. 2014年亚太地区移动经济报告[R]. 2014. ★