面向5G 機器類通信的應用與分析*

孫嘉耀

（南京郵電大學，江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著電子信息技術的飛速發展，通過新一代的無線通信技術實現萬物互聯將不再是紙上談兵。在5G 的強力驅動之下，機器類通信（Machine-Type Communication，MTC）將變得越來越重要，有相關文獻預測通信設備的數量在2020 年將達到200 億之多[1]，大量的MTC 設備之間通過使用相應的網絡進行通信，以此來完成特定的任務。參與其中的通信主體如各類傳感器、信息收發裝置以及對應的數據處理設備，通過網絡的緊密連接將在智慧城市、智能制造、車聯網以及移動醫療等領域存在更加廣闊的應用空間。

1 機器類通信的定義

機器類通信，即描述機器之間的通信。面對數目不斷增長的機器終端，實現設備間的數據處理和共享便是MTC。MTC 通信可以理解為一個需要最少人為干預的自動化過程[1]。自MTC 被3GPP 列為5G 的關鍵技術以來，最新的數據表明，到2019 年，所有互聯網連接的機器類設備連接比例將從24%增長到43%[2]，未來將會由越來越多的設備加入這個萬物互聯的世界中。

2 機器類通信的分類以及相應的用例

2.1 機器類通信的分類

國際電信聯盟(International Telecommunication Union，ITU）將機器類通信大致分為兩種形式，分別為海量MTC（Massive Machine type Communication，mMTC）和超可靠MTC（Ultra reliable Machine Type Communication，uMTC）[2]，如圖1 所示。

圖1 MTC 分類

海量MTC 被定義為5G 三大通用場景之一，為大量低成本、低能耗的設備提供了有效的連接方式。mMTC 往往應用于對時延不敏感且不需要頻繁進行小數據傳輸的業務。但是，這種場景下需要部署大量終端，部分終端還需電池保障其供電能力。此外，由于諸多特定場景的特殊需求，導致許多MTC 設備移動性非常有限。對終端設備而言，自身對支持數據傳輸過程中快速轉換的切換能力的要求很低。在萬物互聯時代，要成功部署大量終端，終端本身的成本必須非常低廉，且在能源和耗電方面必須具有杰出的性能。這就要求在面向5G 的海量MTC 中必須滿足終端復雜度低、低功耗、擴展性強和容量大的需求。

超可靠MTC 與5G 三大應用場景中的高可靠低時延通信（Ultra Reliable Low Latency Communications，uRLLC）類似，具備高可靠、低時延、高可用性的特點。要求終端在特定場景下可以實時控制目標和進程，能更好地為用戶和MTC終端提供一致的服務。所以，uMTC 所要面對的是毫秒級的端到端的時延和接近100%的可靠性保障。

2.2 機器類通信典型用例分析

2.2.1 智慧城市

IBM 認為智慧城市就是運用信息和通信技術手段感測、分析、整合城市運行核心系統的各項關鍵信息，從而對包括民生、環保、公共安全、城市服務、工商業活動在內的各種需求做出智能響應[3]。智慧城市的目標是利用先進的信息技術，實現城市智慧式管理和運行。隨著5G 時代的到來，以萬物互聯為目標構建大規模物聯社會，同時大幅度提高網絡容量和連接密度，提高物與物、物與人、人與人的互聯互通、全面感知和信息利用能力。

2.2.2 智能電網

智能電網利用信息、通信、控制技術與傳統電力系統相融合，提高傳統電力網安全、穩定、高效的運行能力。而面向5G 的機器類通信所具有的覆蓋廣、容量大、實時性、可靠性、可擴展性的優勢，可以有效地將諸如風力、水力、太陽能等新型能源設施實現并網管理，而熟悉的用于計費和監控智能電表也將更加智能化，同時還能夠實現在線實時監測、調度，若有對用電信息、電能質量等數據采集和分析，且與之對應的通信需求也會更加多樣化[4]。

2.2.3 智能制造

在智能制造領域，以容量、帶寬、存儲與數據處理能力更強大的通信基礎設施作為保障，越來越多的機器類通信設備將逐漸取代人類，實現靈活的人機交互和智能控制。智能制造業利用5G 移動網絡的連接能力，可以更合理地調配和利用供應鏈資源，大幅提升生產效率。對于一個產品生命周期而言，從原材料的采購到設計生產，再到最后的產品交付和售后的各個環節，均可依托于5G 網絡高速、低時延的特點，做到個性化的需求定制和實時的進度查詢與質量監控。

2.2.4 車聯網

車聯網的概念源于物聯網，即車輛物聯網，是以行駛中的車輛為信息感知對象，借助新一代信息通信技術，實現車與X（即車與車、人、路、服務平臺）之間的網絡連接，提升車輛整體的智能駕駛水平，為用戶提供安全、舒適、智能、高效的駕駛感受與交通服務，同時提高交通運行效率，提升社會交通服務的智能化水平[5]。應用5G具有的高速率、低時延、大容量、廣覆蓋的特點，將進一步加強車聯網應用中車與車（Vehicle-to-Vehicle，V2V）、車與人（Vehicle-to-Pedestrian，V2P）、車與基礎設施（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）之間組網的能力，加強設備與設備之間、人與設備的信息交互，實現實時的數據分析和數據共享，構建更加合理、更加智能化的車聯網體系架構。

2.2.5 移動醫療

移動醫療是指借助移動通信工具提供醫療服務和信息，包括遠程患者監測、視頻會議、在線咨詢、個人醫療護理等實現預防、咨詢、診療、康復、保健等全流程的醫療健康服務體系[6]。借助于5G 網絡的高帶寬、低時延、高可靠的特性，實時醫療、遠程醫療、遠程手術等應用將更加穩定可靠。因此，隨著5G 技術的日益成熟，面向5G 網絡的移動醫療系統的場景將被加速推廣，將顯著提升醫療服務系統的整體效率。

3 機器類通信技術分析

3.1 網絡接入技術

在傳統的通信網絡系統中，兩個或者多個終端非正交地使用相同的頻率資源將會發生沖突，導致這些終端的數據包最終會被丟棄。在mMTC 的場景之，海量的傳感器可能同時上報由事件驅動的相關數據包，大量的終端在同時進行隨機接入。為了防止發生數據包丟失、重傳帶來的時延甚至是系統網絡癱瘓的問題，在5G 系統中，文獻[7]介紹了一種不同于經典的ALOHA 協議，使用SIC 的新的編碼隨機接入協議，適用于大規模協同接入。非正交多址 接 入（Non-orthogonal multiple-access，NOMA）技術通過功率分配和連續干擾消除（Successive Interference Cancellation，SIC）使得多個設備共享同一資源，實現時域和頻域上的非正交資源分配，從而提升系統的頻譜利用率，并顯著增加連接設備的容量[8]。同時，編碼的隨機接入與基于壓縮感知的多用戶檢測技術相結合，使可服務終端的數量能獲得3～10 倍的提升[9]。此外，基于稀疏編碼多址接入技術，使用OFDM 時頻資源來定義競爭空間，而不同的終端使用這些資源中不同的稀疏圖案，在這些直接編碼的資源塊上傳輸，也將大大提升上行的接入容量[10]，保證終端在大量隨機接入時的可靠性。

3.2 功耗控制技術

在mMTC 應用中，頻繁地更換電池或者更換終端對于如此大的數量是不可能實現的。在mMTC 的需求設計中，要求終端有10 年的電池續航能力或是整個終端的生命周期中不需要充電。而眾所周知，終端的耗電量與發射和接收的時間成正比，在收發過程中終端不能關閉進入休眠狀態[11]。為了獲得超長的電池續航能力，非連續接收技術（Discontinuous Reception，DRX）發揮了至關重要的作用。

非連續接收技術可以降低終端的接收時間。DRX 原理如圖2 所示，其中DRX 周期可以調整，最長可以達到2.56 s。這個周期意味著該終端在這一周期之內只需要監聽一次尋呼消息，而不是每時每刻均處于接收狀態。

圖2 DRX 原理

相較于DRX，在LTE 版本R12 中引入了節能模式（Power Save Mode，PSM），如圖3 所示。在該模式下，終端在非業務期間處于深度休眠狀態，此時尋呼無法找到該終端，終端會周期性地通過和網絡的信令交換進行跟蹤區域更新（Track Area Update，TAU），在更新后的相應時間內可以通過尋呼找到。兩者比較而言，PSM 更像一個超長DRX周期的節能省電技術，以該“長周期”來獲得終端設備更好的電池續航的性能。但是，它存在兩點不足：（1）適用于周期性可預測的場景，即使不存在緩存消息，也需要發送TAU 保持激活信息，完成尋呼過程；（2）適用于終端發起的業務或對下行業務時延無要求的場景，故對應用場景存在相應的局限性。

圖3 PSM 原理

3.3 超低時延的實現

在車聯網、遠程手術等uMTC 場景下，超低時延是場景正常應用的必要條件。在5G 全新技術的推動下，可以通過采用新型幀結構和減小發送時間間隔（Transmission Time Interval，TTI）來降低系統空口的接入時延。同時，不同于傳統的通信方式，相鄰的設備之間需要通過基站的中繼進行數據傳輸和轉發，其中的數據交互過程會產生相應的時延。而在5G 系統中，D2D 通信模式的引入將省去中間基站環節，即不需要通過復雜的網絡傳遞直接實現設備之間的通信。這樣的通信鏈路的建立，在面對車聯網安全、應急通信等相應的場景下，將會大大降低uMTC 鏈路的傳輸時延，從而高效地提升整體網絡的性能。值得一提的是，在5G 的新型網絡架構中，5G 的核心網部分功能將進行下沉，將部分數據存儲和計算單元部署在接入網的邊緣，以此減少相應場景下數據的回傳時間，有效降低時延。

3.4 超高可靠性的實現

與前文超低時延的需求相似，在某些uMTC 場景如工廠自動化場景下，為了保證高可靠性，丟包率需要保持在很低的水平，嚴格情況下需要達到10-9。如果無法達到場景相應的可靠性要求，特定的需求與服務將不值一提。被廣泛接受的鏈路可靠性的定義是指在一定時間內（例如若干秒或者毫秒），一定量數據（例如若干字節）可以被接收機成功解碼的概率[12]。而分集技術通過在空域、頻域、時域上補償衰落信道的損耗來提高通信的魯棒性。對于無線通信而言，分集是物理層用于在衰落信道中提高可靠性最強大的技術[13]。在5G 中，在基站處放置足夠數量的天線能夠保證空間分集的高效實現，為uMTC 各類場景下的高可靠傳輸提供保障。另外，在各種MTC 應用的場景下，不同類型場景的可靠性要求也有很大差異，要能夠保證每一種場景下每時每刻的超高可靠性的設計是不可能的。因此，在文獻[12]中提到了一個可靠服務組成（Reliable Service Composition，RSC）的概念，也是一個定義不同服務等級的方法。比如，當通信條件惡劣時，對應場景的服務質量（Quality of Service，QoS）能夠下降到某個可以被當前條件所支持的服務等級，而不是做出簡單的“服務可用/不可用”的判斷。未來，5G 通信系統能夠通過對當前場景的可靠性要求的評估來確定相應場景下各項應用能否繼續使用。

3.5 短包數據控制技術

在MTC 場景下，終端設備所發送的數據量往往都在非常小的量級之下，且不同于普通的寬帶通信數據包，控制信息的信息量遠小于數據信息的信息量。這意味著即使使用并非最優的方式發送控制信息，對數據包發送和系統的整體發送的效率影響也是很小的。而MTC 設備發送的往往是控制信息和數據信息的信息量相當的短包，此時控制信息對數據信息的影響將無法忽略。在文獻[14]中以包含幾百比特的短包為例，指出編碼的可靠性對包長度十分敏感。這意味著將控制信息和數據信息至少是部分進行聯合編碼，將相應提升系統的性能[9]。由于二者可能需要同時被解碼，原先成功接收控制信息再接收數據信息的方式將被改變，有限長信道編碼也將成為未來重要的研究方向。

3.6 降低終端復雜度

終端復雜度會直接影響機器類通信的性能。海量MTC業務如智能電表，不需要頻繁發送少量數據，而且對數據的傳輸速率和鏈路可靠性要求很低。在這些較為寬松的性能條件下，可以簡化傳輸模式，降低終端復雜度。首先，終端的天線個數直接影響終端復雜度，考慮到mMTC 低復雜度的傳輸模式，可以不再使用多天線終端。其次，在相對數據速率傳輸較低的場景中，可以對發送端和接收端的帶寬加以限制，相比于原先大帶寬傳輸，也可以大大降低終端復雜度。另外，提高芯片集成度，降低終端發射功率；將原先的收發雙工器采用終端交替發送和接收，將大大減少相應的終端復雜度。

4 結語

4.1 問題與挑戰

機器類通信作為5G 中重要的通信方式，將在未來變得愈加重要。本文通過引入兩種在未來將獲得重點關注的mMTC 和uMTC 的典型場景和支撐場景的相應技術，對面向5G 的機器類通信做了簡單介紹。除了文中提到的關鍵技術之外，在未來的機器類通信中還存在以下問題需要進行進一步的研究與解決。

（1）機器類通信設備往往為了追求低復雜度，設計時移除或使用簡化后的簡易模塊進行工作，導致機器類通信設備往往自身計算能力不足而可能無法支持未來更高的技術需要，所以給終端在設計初期的構思提供了研究方向。

（2）對于mMTC 而言，關注的更多是其低功耗、大規模接入和終端低成本的問題；而uMTC 則更加注重的是超低時延和超高可靠性。然而，在未來面向5G 的機器類通信中，很多場景并不單單屬于mMTC 或者uMTC。例如，在智能電網的場景下，海量智能電表的參數上報屬于mMTC 場景，而電網故障實時監測和反饋則屬于uMTC 場景。在這樣融合的場景之，要設計相應統一的標準和需求還需要進一步研究。

（3）對于無線通信系統而言，時延、容量、可靠性等特性存在相互制約的特性。往往一個特性的提升伴隨著其他特性的相應降低，而無法達到場景的相應需求。所以，在未來的網絡規劃設計中要能夠統籌兼顧需求的各個方面，做到全方面優化。

（4）如同前文中可靠性保證的小節所述，uMTC 場景下的業務實施可以被設計成各種服務等級，但是由于在實際情況下有多種可能會對可靠性產生威脅，更需要對這些實際場景的危險因子和可靠性損害進行分析。在文獻[11]中列舉了一些可能的可靠性傷害，例如，有用信號的功率下降，不可控的干擾或沒有協同機制的小基站部署場景，競爭資源耗盡，設備故障等。

4.2 前景與展望

隨著5G 時代的到來，通信已經從原來簡單的人與人之間的通信，不斷轉變為萬物互聯。而面向5G 的機器類通信將融合人類生活的方方面面，為萬物互聯提供源源不斷的動力。