5G大規模機器類通信中的傳輸技術

宮詩尋+陶小峰

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 （2017） 03-0020-004

摘要：機器類通信（MTC）是物聯網（IoT）的潛在挑戰，作為MTC分支的大規模機器類通信（mMTC）涉及IoT的大規模部署問題，是5G的重要應用場景之一。針對mMTC場景中的傳輸技術，重點介紹了mMTC場景中的數據采集技術及其在無線傳感器網絡（WSNs）中的應用。此外，還指出了mMTC技術所面臨的一些挑戰。

關鍵詞： mMTC；數據采集；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技術隨即成為了最熱門的研究內容。3G和4G技術主要集中在移動寬帶業務，旨在解決人與人之間的連接，而5G則著眼于實現“萬物互聯”[1]。可見5G的業務形態已經發生很大變化，將是多業務多技術融合的網絡。歐盟早在2013年初就在第7框架計劃啟動了“構建2020年信息社會的無線通信關鍵技術”（METIS）項目，之后又啟動了5G-PPP項目，中國和韓國分別成立了IMT-2020推進組和5G論壇[2-4]。目前5G的愿景與需求已經完成，基本特征已經明確，在不遠的將來，物聯網（IoT）、車聯網、虛擬現實、增強現實、高清視頻等都將涵蓋大量不同類型的行業用戶，這將會是5G所必須要面對的挑戰[5-6]。由國際電信聯盟（ITU）定義的5G三大場景[7]分別為增強移動寬帶（eMBB）、大規模機器類通信（mMTC），以及低時延高可靠通信（URLLC），其中的eMBB場景可以看作是4G移動寬帶技術的演進[8]。

機器類通信（MTC）一直是IoT業務的潛在挑戰，為IoT的場景之一[9]，對帶寬和通信的實時性、可靠性要求較高[10]。在第3代合作伙伴計劃（3GPP）對MTC的定義中，MTC是一種數據通信形式，它涉及到一個或多個不需要人機交互的實體，與傳統的移動網絡通信相比，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設備與一個或多個MTC服務器進行通信；另一種是MTC設備與設備之間進行通信[11]。如圖1所示為3GPP所定義的MTC場景架構[11]，其中，網絡算子提供到MTC服務器的網絡連接，這適用于受網絡算子控制的MTC服務器，也適用于不受網絡算子控制的MTC服務器，這就是說，在MTC設備與服務器之間的通信分為服務器在算子空間內與在算子空間外兩種。

另外，愛立信將MTC按5G需求分為mMTC和關鍵MTC（cMTC），其中mMTC用于滿足海量數據連接，cMTC主要用于實現低時延、高可靠的MTC業務。mMTC作為5G三大場景之一，擁有可擴展和靈活的帶寬，屬于低速率傳輸，主要面向以傳感器和數據采集為目標的應用場景。表1所示為mMTC主要的應用場景及特點。在mMTC場景中往往需要采集和處理海量數據，壓縮感知（CS）理論[12]是一種能夠成功恢復稀疏信號的采樣方法，又因為mMTC用戶具有稀疏特性，因此將CS應用于mMTC場景中能夠有效地提升傳輸性能[13]。同樣CS技術也應用于車聯網（V2V）的數據采集，而V2V即是5G中URLLC場景的典型應用。

1 mMTC主要傳輸技術

大規模部署的IoT以少量數據和低速率為主，無線傳輸技術能夠將遍布IoT的傳感器全部連接起來，而IoT對無線傳輸技術的需求主要體現在距離范圍、數據速率、帶寬、安全和成本等方面，其對能耗方面的要求也非常嚴格。目前IoT中的無線傳輸技術正在向低功耗廣域網（LPWAN）方向發展，而LPWAN在MTC通信中的發展十分迅速，其主要特征體現在了覆蓋范圍廣、低功耗和大容量等[15]方面，這些特征也迎合了mMTC對無線傳輸的需求。5G mMTC場景為了滿足海量連接及數據采集的服務需求，誕生了許多種無線傳輸技術，如表2所示。

在mMTC中的備選多址接入技術有15種之多，非正交多址接入技術（NOMA）和稀疏碼多址接入技術（SCMA）主要應用在mMTC場景中的上行傳輸，由于mMTC用戶具有稀疏特性，所以SCMA主要應用于mMTC場景。同時，基于蜂窩技術的MTC將成為5G的主流，基于蜂窩的典型IoT技術為窄帶物聯網（NB-IoT），窄帶頻率僅為180 kHz，北京星河亮點公司已經研發出了NB-IoT專用測試儀器。LoRa是一種基于線性擴頻（CSS）機制的專有擴頻方法，適合遠距離傳輸。NB-IoT和LoRa技術主要適用于智能電表、智能家居等場景，這兩種技術都屬于LPWAN。另外，mMTC對于海量數據采集和處理的需求是很大的，CS技術是一種能夠成功恢復稀疏信號的采樣方法，將CS應用于mMTC場景中能夠有效提升傳輸性能。