物聯網M2M關鍵基礎技術研究

劉彥鵬 嚴涵琦 陳怡

摘? 要：隨著人與物、物與物連接增多，未來將是千億連接量的物聯網時代，M2M通信作為物聯網的關鍵技術之一，被廣泛應用于當今社會的各個領域，是實現萬物互聯的主要載體之一。為解決M2M在關鍵技術上存在的用戶海量接入后網絡資源有限的矛盾，M2M用戶網絡和信道選擇、用戶群管理的資源分配、用戶協議設計等問題，實現低功耗M2M在關鍵基礎技術進一步發展，對物聯網M2M關鍵基礎技術進行了研究。

關鍵詞：物聯網;M2M;邊緣計算;網絡虛擬化;低功耗技術

中圖分類號：TN929.5;TP391.44? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）20-0175-03

Research on the Key Basic Technologies of M2M of Internet of Things

LIU Yanpeng，YAN Hanqi，CHEN Yi

（Chongqing Institute of Information and Communication，Chongqing? 401336，China）

Abstract：As people and things，things and things connect more，the future will be the era of 100 billion connected things. As one of the key technologies of the internet of things，M2M communication is widely used in various fields of todays society and is one of the main carriers to realize the internet of everything. In order to solve the contradiction of the limited network resources of users after massive access in the key technology of M2M，M2M user network and channel selection，user group management resource allocation，user protocol design，etc.，to realize the further development of low-power M2M in key basic technologies，the key basic technologies of M2M in the internet of things are studied.

Keywords：internet of things;M2M;edge computing;network virtualization;low power consumption technology

0? 引? 言

M2M技術是物聯網核心技術之一，作用是使機器之間具備相互連接相互通信的能力，為了達到這個目標，M2M技術結合了現有不同種類的通信技術。隨著現有各類通信技術的發展及運用，M2M技術也將由研究階段逐步轉向實用階段。目前，M2M技術研究在多個方向獲得了重大突破，但是由于沒有一個標準化的規劃，所以針對M2M用戶的通信協議需要展開研究，仍存在很多問題亟待解決。

重慶信息通信研究院是我國中西部地區重要的電子信息產業國家級公共服務平臺之一，在5G、物聯網、工業互聯網等方面開展深入研究與前瞻布局，為大力推進物聯網技術創新與應用推進，強力支撐國家物聯網示范基地建設，本文研究M2M通信技術及應用將促進物聯網連接規模及新一代5G通信領域的技術創新和產業應用發展，通過本文項目的實施，可以提升物聯網相關企業在電子信息產業的軟硬件創新能力，完善物聯網產業的研發、設計、生產、銷售、應用和服務的完整產業鏈體系，同時提升地方經濟效益，共同加強技術創新研發，推進新技術的普及應用，為經濟社會發展做出貢獻。

1? M2M系統結構

M2M系統結構包含移動網絡運營商（Mobile Network Operator，MNO）平臺、M2M平臺、M2M應用業務平臺三部分，如圖1所示。從結構上看，MNO平臺擁有OTA、空中寫卡、遠程寫卡、BOSS的功能，通過M2M平臺實現用戶管理;無線終端SIM卡與M2M終端通過網絡接入BS（Browser/Server結構）服務器，再接入M2M平臺，實現數據通信、數據統計、終端通信等功能，并為M2M應用服務的用戶提供管理服務，比如電力系統、智能家居等。

2? M2M關鍵技術淺析

針對M2M通信技術研發及應用的關鍵技術主要有大規模隨機接入、海量邊緣計算、端到端網絡虛擬化以及低功耗技術。

2.1? 大規模隨機接入

M2M規模應用中大量M2M終端的接入需求對網絡穩定性、網絡承載能力提出嚴峻考驗。綜合考慮M2M應用流量模型及業務特性、網絡負載狀況、隊列積壓等因素，研究設計基于分簇、動態前導序列劃分以及基于優先級的用戶排隊策略的M2M隨機接入機制。

研究基于分簇的M2M終端隨機接入方案，根據M2M終端特性、業務需求、網絡可用資源等信息對M2M終端組進行分簇，如圖2所示，進而可根據可用能量、業務時延敏感等因素對各簇設定優先級別，優先級高的簇可以有效地接入資源，避免隨機接入信道擁塞，以及所導致的終端接入請求失敗。

為減小系統開銷，本文研究基于資源共享的前導序列管理方案，即根據人對人（Human to Human，H2H）與M2M業務需求，將前導序列劃分為H2H通信專用序列，M2M通信專用序列，以及兩類業務共享序列，進而根據各類業務需求，實現對前導序列的動態、靈活分配。此外，也可將M2M終端分簇機制與前導序列管理方案相結合，在實現終端高效合理分簇的基礎上，為M2M獨立終端或各簇簇頭優化分配前導序列。

針對海量隨機接入，小區選擇和資源分配的緊密耦合問題，聯合隨機接入、小區選擇及資源分配算法。首先基于M2M終端特性構建虛擬簇，為實現網絡資源的有效利用并且滿足M2M終端的時延需求，計劃設計基于虛擬簇的聯合接入類限制因子及資源分配策略，以實現網絡資源利用率最大化;進而基于已得到的接入類限制因子與資源分配策略，建模基于效用函數最大化的小區選擇及功率分配問題。

憑借空間復用策略在M2M終端隨機接入機制中的應用，并結合資源分配策略，實現高效資源利用及用戶業務性能提升。該方案基本思路為：將各小區M2M用戶按其地理位置進行分組，依據特定分組策略，將小區分為各個組內的局域區域和小區廣域區域;相應地，將前導序列劃分為局域資源子集和廣域資源子集兩部分，并設計特定匹配算法進行前導序列與用戶/用戶組的匹配。進而結合M2M終端功率分配優化策略，實現前導序列高效復用，顯著提升終端隨機接入成功率。

2.2? 海量邊緣計算

M2M設備的海量數據可以通過邊緣計算（MEC）實現在云端處理，大量設備可實現高效協同工作，可有效降低M2M設備的數據負荷，簡化物聯網設備，達到低功耗目的。另一方面，通過以終端直通（Device-to-Device，D2D）方式接入其他M2M終端或關聯MEC服務器，借助部分M2M終端以及MEC服務器的計算資源以及信息收集能力，可實現時延、M2M終端高效任務執行以及能耗的顯著降低。

利用MEC及5G技術實現萬物互聯，在物聯網工作負載和系統變得更加復雜情況下，MEC也將讓M2M通信更靈活，更靈敏。通過這種方式，物聯網將促進MEC資源、M2M設備本身之間的更大連接。

2.3? 端到端網絡虛擬化

面向M2M規模應用對靈活、可擴網絡體系架構的要求，本文引入分層體系架構思想，分別針對5G接入網（Radio Access Network，RAN）及核心網（Core Network，CN）提出基于分層控制及端到端虛擬化的軟件定義網絡架構，如圖3所示。

所提架構中的各層控制器包括網絡控制器、RAN控制器、通用接入點（SD-General Access Point，SD-GAP）控制器、M2M業務服務器及CN控制器。其中，網絡控制器處于分層控制結構的頂層，主要負責端到端QoS保障、路由建立、服務連接、移動性管理、流量控制等。RAN控制器負責管理其控制范圍內的所有SD-GAP，依據多樣化業務需求及QoS策略，協調各SD-GAP的無線資源分配。SD-GAP控制器主要負責與SD-GAP關聯的M2M終端的無線承載建立、無線資源管理、移動性管理等。M2M終端控制器負責對M2M終端的管理。CN控制器負責控制管理SD-Switch，其具體功能包括用戶和安全管理、接入和承載管理、流路由管理、網關路由選擇和重定位控制等。根據M2M應用設備規模及網絡基礎設施狀態，各級控制器內部及相應數據平面可支持分層部署，如通過構建終端集群、SD-GAP集群、控制器群組等，實現網絡架構的高度靈活性及可擴展性。

針對M2M規模應用高度差異化業務需求對網絡功能差異性、多樣化需求，在對SD-RAN各層功能進行深入分析的基礎上，對射頻單元及基帶單元的功能進行細粒度分解、編排、重組及定制，以實現業務需求與網絡功能的智能適配。在SD-CN中，將研究智能細粒度網絡功能部署機制，根據M2M業務需求，在各SD-Switch處優化部署各類網絡功能。

為實現對M2M規模應用高度差異化、個性化業務的有效支持，本文還將研究基于多域多維協作的網絡虛擬化機制，分別針對RAN及CN設計網絡虛擬化機制，即SD-RAN虛擬化機制及SD-CN虛擬化管理機制。此外，在RAN及CN之上也引入高級虛擬化機制，即端到端網絡虛擬化機制，提供高層次資源管理框架，為M2M規模應用接入自適應地分配多維網絡資源，設計多跳路由策略，以實現端到端QoS保障。SD-RAN虛擬化機制主要執行SD-GAP的底層資源調度，基于無線資源調度方案實現虛擬網絡之間的隔離及高效資源共享;SD-CN虛擬化管理機制實現對SD-Switch的資源，如帶寬資源、緩存資源及流表資源等的管理，從而為SD-CN中特定的虛擬網絡提供資源保障。通過端到端網絡虛擬化機制、SD-RAN虛擬化機制及SD-CN虛擬化機制的多域多維協作，所提出的虛擬化架構將支持包含SD-RAN和SD-CN的端到端網絡虛擬化，從而實現真正意義上的多服務融合的網絡基礎設施。

2.4? 低功耗技術

面向5G智能物聯場景，研究M2M終端及系統低功耗技術。可借鑒LTE中采用的非連續接收（Discontinuous Reception，DRX）技術，通過允許終端設備周期性地進入休眠模式，關閉收發單元，以減少終端設備的能量消耗。為了進一步降低M2M終端能量消耗，滿足M2M終端設備對功耗極低的要求，采用增強型非連續接收（Extended DRX，eDRX）技術。

如圖4所示，M2M終端的一個eDRX Cycle由兩部分組成，分別為“On Duration”和“Opportunity for eDRX”。當M2M終端處于“On Duration”時，為喚醒激活期，并于此期間監聽NPDCCH（Narrowband PDCCH）子幀;當M2M終端處于“Opportunity for eDRX”時，為睡眠狀態，即終端為了節省電量，進入不監聽NPDCCH子幀的睡眠狀態。

針對M2M終端對M2M通信時延與功耗的需求，開展平衡M2M終端時延需求與低功耗需求的eDRX周期配置算法研究。基于M2M終端的狀態信息，合理改進eDRX機制中“On Duration”與“Opportunity for eDRX”模式選取過程中相關參數及定時器的設置，確定滿足M2M終端通信時延約束下的最優eDRX。

針對由單個基站與多個M2M終端構成的M2M通信網絡，研究聯合模式選擇及資源分配算法以實現網絡能耗最小化。將網絡能耗最小化轉換為網絡中M2M終端剩余能量最大化，建模聯合模式選擇及資源分配問題為M2M終端剩余能量最大化問題。由于所建模的優化問題是非凸問題，無法通過傳統的優化理論進行求解。

3? 結? 論

研究M2M通信技術及應用將增加我國物聯網連接規模及新一代5G通信領域的技術創新和產業應用發展。通過該項目研究，可以挖掘運營商在電子信息產業的軟硬件創新能力，完善相關領域的物聯網產業的研發、設計、生產、銷售、應用和服務的完整產業鏈體系，同時提升地方經濟效益。因此，M2M的關鍵基礎技術發展成熟是率先形成完整產業鏈和內在驅動力的技術保障，也將持續助推產業經濟的高質量發展。

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[4] 馬張楓.M2M通信系統無線資源分配算法研究 [D].重慶：重慶郵電大學，2018.

作者簡介：劉彥鵬（1991—），男，漢族，重慶人，就職于科技合作部公共關系室，副主任，本科，研究方向：信息通信與物聯網技術與應用;嚴涵琦（1986—），女，漢族，重慶人，就職于科技合作部技術支撐室，主任，高級工程師，碩士，研究方向：物聯網測試關鍵技術及標準體系;陳怡（1990—），女，漢族，重慶人，就職于科技合作部科研項目室，副主任，碩士，研究方向：5G通信技術與物聯網技術。