基于GERAN的MTC尋呼周期擴(kuò)展方法 研究

張沛，周代衛(wèi)

（中國(guó)信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室，北京 100191）

1 引言

當(dāng)前以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等為代表的新一代ICT（Information Communication Technology，信息通信技術(shù)）異常活躍，正在全球范圍內(nèi)掀起新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革。IoT（Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng)）通過與其它ICT技術(shù)的不斷融合和演進(jìn)，在智慧城市、醫(yī)療保健、交通物流、遠(yuǎn)程教育、智能家居和流通零售等行業(yè)快速滲透，并取得突出表現(xiàn)和長(zhǎng)足發(fā)展。據(jù)GSMA《2014年亞太地區(qū)移動(dòng)經(jīng)濟(jì)報(bào)告》統(tǒng)計(jì)，目前中國(guó)市場(chǎng)上物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信連接數(shù)已超5 000萬，占據(jù)全球總量的1/4以上，超過了美國(guó)和日本總和。

MTC（Machine Type Communication，機(jī)器類通信）或M2M（Machine to Machine，機(jī)器對(duì)機(jī)器通信）作為IoT技術(shù)的主要無線通信服務(wù)平臺(tái)，基于現(xiàn)有2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)為物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備提供廣域覆蓋、移動(dòng)漫游、數(shù)據(jù)傳輸和狀態(tài)監(jiān)控等服務(wù)，同時(shí)MTC也成為移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商拓展業(yè)務(wù)領(lǐng)域、增長(zhǎng)用戶規(guī)模和業(yè)務(wù)收入的新方向。目前全球已有400多家移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供MTC服務(wù)，在安全防控、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化、物流運(yùn)輸和水電氣信息采集等領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用，在全球移動(dòng)連接總數(shù)中的占比也是快速提升。

而基于2G GERAN（GSM EDGE Radio Access Network，GSM EDGE無線接入網(wǎng)絡(luò)）（主要為GSM/GPRS/EDGE制式）的無線接入具有技術(shù)成熟、成本低廉、覆蓋范圍廣、頻譜集中且多為低頻段、支持聯(lián)網(wǎng)和漫游等顯著優(yōu)勢(shì)，目前在MTC終端設(shè)備中占很高比例，成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備廣泛采用的可靠傳輸技術(shù)。

2 MTC終端功耗優(yōu)化方向

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用類型豐富多樣，業(yè)務(wù)特征也差異巨大，如：對(duì)于智能家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)和智能抄表等業(yè)務(wù)，需要網(wǎng)絡(luò)支持海量設(shè)備連接和低吞吐量小數(shù)據(jù)包傳輸；車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則要求毫秒級(jí)的時(shí)延和近乎100%的可靠性。因此，物聯(lián)網(wǎng)所依賴的MTC與面向個(gè)人的蜂窩通信技術(shù)有許多不同，需要針對(duì)特定業(yè)務(wù)類型進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng)業(yè)務(wù)需求，而終端功耗優(yōu)化成為關(guān)鍵的改善方向之一，特別是對(duì)于密封嵌入式、使用時(shí)間長(zhǎng)或者散布于山區(qū)、水域及隧道等偏遠(yuǎn)地區(qū)的操作和維護(hù)不便的MTC終端設(shè)備。

現(xiàn)有的GERAN 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行MTC 連接的效率不高，特別是對(duì)于發(fā)送數(shù)據(jù)量不大且間歇周期長(zhǎng)的業(yè)務(wù)類型，原本主要針對(duì)人與人通信的GERAN網(wǎng)絡(luò)的功耗則顯得過高，直接影響到終端設(shè)備的使用壽命和維護(hù)成本，因此非常有必要針對(duì)特定物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特性和終端時(shí)間使用需求開展專項(xiàng)優(yōu)化。

GERAN 網(wǎng)絡(luò)中，已注冊(cè)終端大部分時(shí)間都處于待機(jī)Idle狀態(tài)，需要周期性地監(jiān)測(cè)尋呼信道上對(duì)應(yīng)的尋呼組Paging Group。尋呼組由IMSI（International Mobile Subscriber Identification Number，國(guó)際移動(dòng)用戶識(shí)別碼）取模得出，監(jiān)聽周期由SI3（System Information 3，系統(tǒng)消息3）中的尋呼信道復(fù)幀數(shù)BSPA-MFRMS決定，按照3GPP TS 44.018 章節(jié)10.5.2.11中的定義，其取值范圍為0.47s～2.12s。該周期的設(shè)置需均衡考慮終端的呼叫可達(dá)性和續(xù)航時(shí)間，若設(shè)置時(shí)間較短終端需更頻繁地喚醒并監(jiān)聽尋呼消息，過長(zhǎng)則終端可能錯(cuò)過對(duì)應(yīng)的尋呼消息。

現(xiàn)行3GPP技術(shù)規(guī)范的前提是為了保證足夠高的網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起呼叫（MT）的成功率，因此終端的尋呼可達(dá)性對(duì)時(shí)間有嚴(yán)格要求，即終端在收到接入網(wǎng)下發(fā)給自己的尋呼消息后立即建立無線連接RR Connection并響應(yīng)會(huì)話。而實(shí)網(wǎng)中系統(tǒng)下發(fā)的尋呼消息很多并非針對(duì)該終端，這導(dǎo)致該終端需要消耗很大一部分能量用于監(jiān)聽和解析這些尋呼消息，從而影響終端的電池續(xù)航能力和使用壽命。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)MTC中非時(shí)間敏感性應(yīng)用而言，通常需盡可能地降低終端功耗，延長(zhǎng)其使用時(shí)間。因此，引入更長(zhǎng)的尋呼周期無疑將成為MTC終端功耗優(yōu)化的主要方向之一。

為進(jìn)一步擴(kuò)展MTC 終端尋呼周期，網(wǎng)絡(luò)側(cè)通常需要在終端注冊(cè)或位置更新時(shí)識(shí)別出該類終端，如基于終端注冊(cè)時(shí)的NAS（Network Attached Storage，網(wǎng)絡(luò)附屬存儲(chǔ)）信令消息或者HLR（Home Location Register，歸屬位置寄存器）中存儲(chǔ)的簽約信息，以便核心網(wǎng)在收到對(duì)此類終端的尋呼消息時(shí)采取相對(duì)應(yīng)的措施。具體而言，考慮到對(duì)現(xiàn)行3GPP技術(shù)規(guī)范的兼容性，本文提出了兩種可行的擴(kuò)展尋呼周期方法：

（1）幀結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展：基于現(xiàn)有BS-PA-MFRMS參數(shù)，使用高階幀結(jié)構(gòu)來控制長(zhǎng)尋呼周期，如周期為6.12s的超幀，甚至周期為大于3小時(shí)的超高幀；

（2）尋呼周期的倍乘：使用BS-PA-MFRMS的乘法因子將成倍延長(zhǎng)尋呼周期，該因子的取值基于終端簽約信息。

3 尋呼周期的倍乘方案

按照TS 44.018的定義和說明，參數(shù)BS-PA-MFRMS可取2 到9 的整數(shù)值，用于標(biāo)示對(duì)同一尋呼組的P R（Paging Request，尋呼請(qǐng)求消息）間的51復(fù)幀的數(shù)目，對(duì)應(yīng)的尋呼周期為0.47s～2.12s。而擴(kuò)展尋呼周期方案可通過引入MF（Multiplication Factor，乘法因子）倍乘原BS-PA-MFRMS來實(shí)現(xiàn)。此MF參數(shù)需在終端注冊(cè)或位置更新時(shí)由終端或網(wǎng)絡(luò)提供或協(xié)商。如MF為100，則終端只需按原周期100倍的間隔來監(jiān)測(cè)其尋呼組。表1給出了不同MF下的尋呼周期的長(zhǎng)度。

表1 引入MF后的尋呼監(jiān)測(cè)周期

引入MF 參數(shù)后，還需對(duì)發(fā)送自MSC/SGSN的尋呼消息做拓展處理以告知BSC（Base Station Controller，基站控制器）使用此參數(shù)重新計(jì)算實(shí)際的尋呼組，基于3GPP TS 45.002章節(jié)6.5.2的定義，其計(jì)算公式可擴(kuò)展為：

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）上可用的尋呼組數(shù)目=51復(fù)幀中可用的尋呼組的數(shù)目×BS-PA-MFRMS；BS-PA-MFRMS是指屬于同一尋呼組的尋呼消息傳輸間隙中51復(fù)幀的數(shù)量，取值為2～9；BS_CC_CHANS為廣播消息中下發(fā)的支持CCCH的基本物理信道數(shù)，取值為1～4；MF取決于終端SIM卡或者HLR中存儲(chǔ)的簽約信息。

此方案擴(kuò)展了可用尋呼組的數(shù)量，通過終端IMSI決定需要監(jiān)測(cè)擴(kuò)展后的某一個(gè)尋呼組，使得終端監(jiān)測(cè)周期呈倍數(shù)延長(zhǎng)。

4 幀結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展方案

尋呼信道PCH按照51幀的復(fù)幀結(jié)構(gòu)映射到公共控制信道CCCH上，51幀的復(fù)幀時(shí)長(zhǎng)為235.4ms（3 060ms/13），而包含26個(gè)此復(fù)幀的超幀時(shí)長(zhǎng)為6.12s，具體如圖1所示。

基于此基礎(chǔ)幀結(jié)構(gòu)，終端所屬的尋呼組主要取決于IMSI的后3位及小區(qū)配置的參數(shù)BS-PA-MFRMS和51復(fù)幀中尋呼塊的數(shù)量，其計(jì)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上可用的尋呼塊數(shù)量=51復(fù)幀中可用的尋呼塊個(gè)數(shù)×BS-PA-MFRMS；BS-PA-MFRMS是指屬于同一尋呼組的尋呼消息傳輸間隙中51復(fù)幀的數(shù)量，取值為2～9；BS_CC_CHANS為廣播消息中下發(fā)的支持CCCH的基本物理信道數(shù)，取值為1～4。

為實(shí)現(xiàn)尋呼周期擴(kuò)展的目的，可以通過使用超幀或多個(gè)超幀來增加尋呼周期的長(zhǎng)度，這意味著終端只需要在每個(gè)超幀或多個(gè)超幀中監(jiān)測(cè)一次其所對(duì)應(yīng)的尋呼組即可，其計(jì)算公式將演變?yōu)槿缦滦问剑?/p>

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

其中，N=CCCH上可用的尋呼塊數(shù)量=51復(fù)幀中可用的尋呼塊個(gè)數(shù)×BS_PA_MFRMS×26×m；m表示在擴(kuò)展后的長(zhǎng)尋呼周期內(nèi)超幀的數(shù)量，可取固定值或特定取值范圍。

上述調(diào)整后計(jì)算公式中m的取值和超幀或超高幀的使用指示（使用的幀結(jié)構(gòu)類型）通常與用戶簽約信息有關(guān)，或者在MTC終端注冊(cè)或位置更新時(shí)提供給核心網(wǎng)MSC/SGSN，而MSC/SGSN在增強(qiáng)的尋呼消息中將此信息提供給BSC。如何管理從核心網(wǎng)收到的增強(qiáng)型尋呼消息則取決于BSC的具體實(shí)現(xiàn)，BSC可根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)負(fù)載和終端數(shù)量決定對(duì)尋呼消息做列隊(duì)或丟棄處理。

圖1 GERAN中幀結(jié)構(gòu)示意圖

5 應(yīng)用前提與范疇

在3GPP技術(shù)規(guī)范中，接入網(wǎng)GERAN側(cè)的小區(qū)間不需要做基于幀號(hào)的同步，因此對(duì)于映射到同一幀號(hào)內(nèi)的特定尋呼組，其在無線信道上的發(fā)送時(shí)間差可能達(dá)到最大周期2.12s。這在原有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中是合理的，對(duì)終端的MT呼叫可達(dá)性無嚴(yán)重影響，但在尋呼周期作延展后致使該時(shí)間差更長(zhǎng)，可能會(huì)嚴(yán)重影響到終端的MT呼叫可達(dá)性，降低接通成功率。因?yàn)閷?duì)于移動(dòng)的終端，其收到多次相同尋呼請(qǐng)求的幾率也會(huì)逐步增加，或許還可能導(dǎo)致嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)側(cè)影響，如系統(tǒng)擁塞等。因此建議上述尋呼周期擴(kuò)展機(jī)制在支持小區(qū)間幀號(hào)同步，或者終端處于靜止?fàn)顟B(tài)或低速移動(dòng)時(shí)使用。

另外，上述機(jī)制的基本前提是終端服務(wù)小區(qū)總能提供良好的覆蓋以確保終端或者網(wǎng)絡(luò)側(cè)在任何時(shí)刻發(fā)起的呼叫都能成功建立，而如果服務(wù)小區(qū)信號(hào)較差或者覆蓋有限時(shí)，尋呼周期成倍的擴(kuò)展將導(dǎo)致終端錯(cuò)過或漏掉尋呼消息的幾率加大，終端使用體驗(yàn)可能變差。

6 結(jié)束語

在快速崛起的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中，基于2G/3G/4G的機(jī)器類通信MTC技術(shù)成為其無線通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)，而GERAN系統(tǒng)憑借技術(shù)成熟、成本低廉、性能穩(wěn)定、覆蓋良好和無縫漫游等優(yōu)勢(shì)占據(jù)主導(dǎo)地位。與此同時(shí)，為延長(zhǎng)終端使用壽命，降低維護(hù)成本，終端功耗優(yōu)化始終是系統(tǒng)優(yōu)化的重要方向之一。

實(shí)際使用中，終端大部分時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)，卻需要間歇性監(jiān)聽PCH上的尋呼組，這極大地增加了終端的能耗。對(duì)于對(duì)通信業(yè)務(wù)等級(jí)和呼叫可達(dá)性無苛刻要求的業(yè)務(wù)應(yīng)用，通過引入長(zhǎng)尋呼周期機(jī)制可以極大地減低終端喚醒頻率，提高能耗效率和使用壽命。

本文主要在GERAN系統(tǒng)中通過尋呼周期的倍乘和幀結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展兩種方式擴(kuò)展尋呼周期，其實(shí)現(xiàn)方法基于對(duì)3GPP TS 45.002中現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)和終端尋呼組計(jì)算公式進(jìn)行靈活擴(kuò)展，同時(shí)通過必要的新參數(shù)獲取和協(xié)商方式實(shí)現(xiàn)終端和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同。該機(jī)制具有使用靈活、參數(shù)可調(diào)、獨(dú)立可控、影響極低、后向兼容和效果明顯等特點(diǎn)，在特定應(yīng)用范疇可廣泛應(yīng)用于基于GERAN系統(tǒng)的MTC技術(shù)中。

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