与物联网（IoT）应用相关的5G移动接入网络技术介绍

M2M（机器到机器）通信

很多研究预计蜂窝M2M的应用会快速增长：

图1、ABI研究针对蜂窝M2M嵌入式模块数量的增长预测

已经开发了传统的蜂窝网络来支持高数据速率的应用和可靠通信的应用。然而，M2M环境与蜂窝网络非常不同，因为在M2M低数据速率和长延迟是可以容忍的。 M2M通信的基本目的是以宽松的时间限制来传输小规模的感测数据。为了满足M2M通信的特点，根据频谱资源的分布情况有两类无线电接入技术（RAT：Radio Access Technologies）：蜂窝IoT（物联网）和低功率广域网（LPWN： lower-powered wide-area network ）。蜂窝物联网（IoT）技术的分类如图2所示。

图2、解决不同的M2M细分领域的技术

蜂窝物联网IoT涉及修改现有的蜂窝网络设施来适应使用许可频带的IoT通信。第三代项目合作伙伴关系（3GPP）对长期演进的机器到机器（LTE-M：long-term evolution machine-to-machine）通信进行了标准化了，该解决方案来自Release 12 协议版本，该协议版本优化了基于LTE系统的物联网IoT协议（参见：3GPP, “TR 36.888, Study on provision of low-cost Machine-

Type Communications (MTC) User Equipments (UEs) based on LTE,”，）。 LTE-M重用LTE的 PHY（物理信道）信道。 LTE-M包括覆盖增强，降低设备成本和改善电池寿命。此外，它能够在传统LTE网络内进行协作。然而，由于LTE系统的性质不适合于低数据速率和远距离通信，因此该技术在实现物联网通信的所有要求方面存在局限性。

因此，3GPP正在研究和标准化窄带无线电接口，称为窄带（NB）IoT。该技术从已开就作为一个全新的国际标准来进行研究开发的，以满足物联网应用环境的要求。 NB-IoT重用LTE核心网;因此，只需要进行软件修改就能在市场上快速部署该技术。此外，NB-IoT支持各种操作模式，包括带内，保护带和独立的操作模式。 NB-IoT仅需要200 kHz的窄带载波，在上行链路中使用频分多址（FDMA：frequency division multiple access）接入技术，而下行链路使用正交频分多址（OFDMA：orthogonal frequency division multiple access ）接入技术，支持20万条连接（参见Nokia的白皮书“LTE M2M: Optimizing LTE for the Internet of Things”，下载地址：）。

使用无牌频谱的好处之一是其所具有的部署新服务的能力，无论服务提供商是否是Internet服务提供商（ISP：Internet service provider）都可以快速部署物联网（IoT）业务。提供这样的解决方案的公司包括SIGFOX （参见：SIGFOX的网址：）和Long Range （远程）（LoRa）（参见LoRa Alliance的白皮书，“LoRaWAN- what is it,”，下载fizhi：）。表1显示了在传输范围，带宽，数据速率，电池寿命和可用性方面IoT的各种RAT技术（Radio Access Technologies）之间的比较。 SIGFOX在欧洲迅速增长。 SIGFOX的主要目标是具有有限吞吐量需求的超低端传感器系统（每1.6秒12个字节，每天传输140个字节）。 SIGFOX使用100 Hz超窄带信号带宽和二进制相移键控（BPSK： binary phase shift keying）的基本调制方式。它具有独特的功能，能够通过SIGFOX网关将设备的所有数据传输到SIGFOX云上，任何服务提供商都可以使用SIGFOX的开放应用程序编程接口（API：application programming interface ）来访问数据。因此，由于这种架构，所有通信服务都高度依赖于SIGFOX自身的网络。

图2、通过扩展DRX周期延长了每天传输100个字节的电池寿命

LoRa技术自2015年起由LoRa联盟（LoRa alliance ：）进行了标准化。其通信范围为10英里，功耗低，电池寿命最长可达10年。 LoRa网络架构使用星形拓扑架构，采用通用频移键控（GFSK：general frequency shift keying）或称为LoRa调制的调制方式，以及一个实现终端设备和核心网络之间的数据中继的LoRa网关。每个设备可以与两个或更多个网关建立多个连接。与SIGFOX的主要区别在于LoRa遵循LoRa联盟的开放生态系统策略。 LoRa使用125 kHz的窄带信号带宽，并且能够传输50个字节的有效载荷，采用与CDMA类似的啁啾扩频技术。 LoRa还提供自适应数据速率（ADR： adaptive data rate ），通过基于分组差错率，信噪比（SNR）和接收信号强度（RSSI）的分析结果来动态调整数据速率和发射功率，同时提高功率管理和数据速率指标。

表1、用于物联网连接的各种RAT的技术比较

设备到设备（D2D：Device-to-Device）通信

蜂窝网络中的设备到设备（D2D：Device-to-Device）通信是一种新兴的通信技术，其能够在诸如eNodeB或核心网络之类的基础设施的很少或者甚至在没有它们的帮助的情况下实现用户设备（UE）之间的直接通信。 D2D通信通过重用无线电资源并允许向设备分配网络功能，从而提供了在功耗效率，电源管理，覆盖扩展和容量提升方面的多个优点。此外，D2D通信可实现公共安全服务，基于位置的商用接近服务（ proximity ser-vices）以及流量卸载等新服务（参见文献“An Overview on 3GPP Device-to-Device Proximity Services”，下载地址：）。由于这些好处，D2D通信被认为是5G系统的关键技术之一。基于具有网络控制基础设施的干预程度，D2D通信可分为三种类型：自主的D2D（autonomous D2D），网络辅助的D2D（network-assisted D2D）和网络控制的D2D（network-controlled D2D）。

在自主的D2D中，网络中的设备以完全分布的方式工作，以建立链路和通信。它类似于自组织（ ad hoc）或者对等（P2P：peer-to-peer）网络。每个设备或者集群头处理所有的网络功能，类似于自组织网络（self-organizing networks）。因此，这种模式适用于灾害网络或者公共安全服务网络，因为设备可以在没有任何基础设施的情况下进行通信。在网络辅助D2D的情况下，网络基础设施架构支持一些网络功能，包括链路管理，同步和安全。网络中的设备基本上构建了自组织网络，保持对D2D通信的控制。这种基础架构通过协调网络节点来减少控制信令的开销来提高网络效率。在网络控制的D2D的情况下，强大的网络基础设施地将控制设备从无线电资源管理到数据通信。当网络完全集中时，所有D2D设备只允许进行数据通信。它接近传统的蜂窝模式。

我们可以将D2D通信类型分类为带内D2D和带外D2D，这种分类方式与频谱资源的使用有关（参见文献“A Survey on Device-to-Device Communication in Cellular Networks”，下载地址：）。在带内D2D通信中，蜂窝和D2D设备通过重用无线电资源（底层）或者使用专用资源（覆盖）来共享相同频段的频谱资源。这种类型的通信的优点是基础设施可以对蜂窝频谱具有高级别的控制，但是存在D2D通信对蜂窝通信的额外的干扰，这需要用于资源分配的额外的计算过程，从而会导致一些开销。在带外D2D通信中，使用与来自蜂窝网络的不同频谱（（如工业，科学和医疗（ISM： industrial, scientific, and medical）频带的频谱资源）），因此，在这种情况下D2D与蜂窝通信之间没有干扰。由于这种特性，D2D和蜂窝网络同时通信而不会发生中断。然而，由于采用非授权频段的频谱资源的性质，因此其具有有限的传输范围和低数据速率，并且D2D设备可能受到访问ISM频带的其他网络实体的干扰，因此与带内D2D相比其QoS更低。

3GPP在第12版协议（Release 12）开始了D2D的标准活动，以实现LTE网络中的D2D通信（参见3GPP的技术报告 TR 22.803,“Feasibility study for Proximity Services

(ProSe) (Release 12),” v. 12.2.0,下载地址：）。 D2D的协议标准包括两部分：设备发现和数据通信。设备发现的目的是找到用于通信的传输范围内的其他相邻设备。有两种类型的设备发现：类型1和类型2（2A和2B）。类型1的发现设备过程是一种具有非特定UE分配的基于冲突的过程。因此，设备在发现期间随机选择其无线电资源进行设备发现。而在类型2中，为所有的UE发射网络调度的发现信号。特别地，类型2仅对具有预定义跳频的UE使用半连续的方式来分配无线电资源控制（RRC-radio resource control）。类似地，存在两种数据通信模式：模式1和模式2。在模式1的情况下，eNodeB向所有UE分配数据资源。特别地，在覆盖范围内的情况下，eNodeB遵循与蜂窝模式相同的资源分配过程。在模式2的情况下，UE自动从预先配置的资源池分配其资源。因此，即使在外部覆盖或部分覆盖情况下，也可以选择UE，并进行通信。

V2X通讯

自主汽车，高交通信息系统和高度可靠的安全服务的出现，导致了汽车需要新的可靠性高，数据速率高5g网络技术，延迟低的通信技术。这种技术称为车对一切（V2X：vehicle-to-everything）的通信技术，它包括车对车（V2V：vehicle-to-vehicle ），车对人（V2P：vehicle-to-pedestrian ）和车对基础设施（V2I：vehicle-to-infrastructure）通信。目前，蜂窝网络的D2D通信是实现V2X通信的最佳选择，因为D2D具有短端到端的延迟和较长的传输范围。当V2X通信部署在蜂窝网络中时，可以通过重用传统蜂窝网络的基础设施来降低网络部署成本，同时节省部署时间（参见5G-PPP组织的白皮书 “5G Automotive Vision—White Paper on Automotive Vertical sector,”，下载地址：）。

为了实现道路安全服务和自主驾驶，汽车需要交换一些信息。 ETSI为这些用例定义了消息类型：协作感知消息（CAM：cooperative awareness message）（参见ETSI的“Intelligent Transport Systems (ITS); Vehicular Communications; Basic Set of Applications; Part 2: Specification of Cooperative Awareness Basic Service”，下载地址：，或者）和分散式环境通知消息（DENM：decentralized environmental notification message）（参见ETSI“ITS; decentralized environmental notification messages(DENM),”，下载地址：）。 CAM被定义为用于向周边广播短消息到附近的车辆。包括无关紧要的存在信息，位置（即，GPS信息），标识符和基本状态。发生特定事件（如事故或异常情况）时发送DENM，以警告与事件的相邻节点。

2005年以来，V2X通信由3GPP标准化。SA1定义了用例和服务需求，SA2研究网络架构来支持车载网络中的用例。 RAN正在从事无线电资源管理，以满足车载网络的要求。在美国，SAE J2945 / 1 已经对车载V2V安全服务的系统要求进行了标准化（参见：）。 ETSI发布了一个合作的智能安全服务消息集的第1版协议和城市ITS应用的第2版协议。

V2X通信必须支持高移动性的道路安全服务。因此，与其他通信技术相比，它具有非常严格的要求，以实现高度可靠的服务。在车连网络中，所有车辆都可以飞行。因此，如果不能快速相应的话本地化将变得毫无意义。此外，V2X通信保证安全消息的传输，并保持与相邻车辆的连接，以满足可靠性要求。车辆应尽可能快地作出反应。为此，需要超低的端到端的延迟，并且需要更快的占空比来进行通信和设备发现。图4显示了V2X通信的带宽和延迟要求的概述。

图4、未来连接车辆的连接需求

关键绩效指标如下（参见5G-PPP组织的白皮书 “5G Automotive Vision—White Paper on Automotive Vertical sector,”，下载地址：）：

（i）E2E（端到端）延迟：10?100ms

（ii）可靠性：10^(-5)

（iii）定位精度：30厘米

（iv）数据速率：10?40Mbit / s

挑战性的问题和未来方向

5G移动接入网络

M2M通信中的挑战

LTE标准最初是针对人与人（H2H：human-to-human）通信的。蜂窝IoT中的M2M通信应该以不规则的时间间隔支持小数据传输。当前的无线电资源块对于M2M通信来说太大了。因此，需要新的无线电资源管理方案来满足M2M通信的这些要求。如果M2M机制与H2H通信共享无线电资源块，我们将必须最大限度地减少M2M通信对H2H通信的影响和干扰。由于M2M网络中的大量设备，M2M设备之间的干扰管理也是一个让人头疼的问题。

在M2M通信中，由于在网络中部署了大量设备，因此成本效率是最重要的因素。高效的电源管理，以最大限度地延长电池寿命和网络运行时间也是至关重要的。网络容量应足以在广泛的覆盖区域处理大量的同时连接的请求。 M2M通信应具有管理物联网业务多样化用例的能力。此外，数据汇总和数据卸载概念可以应用于M2M通信中，以提高能源效率和通信效率。

D2D通信的挑战

当将D2D通信应用于传统蜂窝网络时，我们需要管理由D2D通信引起的干扰，以最大限度地降低蜂窝网络的性能下降。网络需要小心地处理UE的随机移动性和干扰管理的随机信道状态。功率控制机制主要用于协调D2D通信中的干扰。功率控制可以由eNodeB以每个UE以分布式方式来实现。从根本上说，集中式方法更有效，因为包括UE的SNR和信令功率在内的所有网络信息都是已知的，但是需要有关额外的控制和计算开销，包括收集网络信息并适当地调整所有UE的信令功率等。

D2D通信中最具挑战性的问题是干扰管理。没有高效的干扰管理，D2D通信就不能与蜂窝网络共存。另一个问题是模式选择。例如，当网络允许进行D2D模式选择时，问题是选择哪个事件触发模式过程，使用什么样的参数以及是否使用D2D。需要进一步研究数据卸载，以通过中继和电源管理来增加网络容量和扩展覆盖范围。

V2X通信方面的挑战

如前所述，蜂窝式D2D通信是可以用于支持V2X通信的技术。然而，传统D2D通信由于其限制，无法满足V2X通信的要求。 D2D通信在侧链传输过程中具有冲突风险。此外，有许多不合适的机制会导致对于V2X通信有太长的延迟，例如用于设备发现的长占空比，低效的资源分配和链路适配以及慢速连接建立过程。

因此，需要进一步研究将D2D应用于V2X。最重要的问题是减少端到端的延迟。网络辅助无线电和链路资源管理可以改善延迟性能。传统设备发现机制对车连网络来说太慢。因此，应该开发新的更快的设备发现机制。另外，需要一个较低占空比的新协议来最小化等待时间，并且应优化D2D通信中使用的网络控制机制，以减少控制信令开销和干扰。需要额外的研究问题是支持灵活的重传和先进的冲突解决方案，通过增加链路连接性来保证可靠性的要求，构建稳健的网络。

（完）

（编辑：武汉站长网）

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