在3GPP中，M2M被稱為機器型通信（MTC：machine-type communication ）;所以本文中我們可能會交換使用M2M和MTC。

技術要求

用于分組數據的3GPP無線電技術被廣泛部署，并且可以基于物理層特性，例如使用TDMA的GPRS，使用W-CDMA的HSPA以及使用OFDMA的LTE系統等進行分類。在3GPP的不同協議版本中，對這些技術中的每一項進行了增強。有助于3GPP技術的蜂窩應用取得成功的一個重要方面是保持與舊版本技術的向后兼容性，以及技術之間的緊密互連以及有效的漫游支持，這也是需要支持移動性的M2M應用成功的關鍵。

圖1、未來的網絡是HTC（人通信類型）和MTC（機器類型通信）的混合體

作為廣泛部署的已成功建立的技術，3GPP技術可以通過重用現有蜂窩站點，無線電設備和頻譜資源來推出具有成本優勢的新服務。然而，3GPP蜂窩系統并沒有專門為機器設計;它們主要設計用于人類交互，并且不針對專門用于特定場所部署的所有M2M應用進行優化。針對短消息的無處不在的覆蓋，終端成本，尋址空間限制，知識產權成本，逐步淘汰技術的可能性以及終端功耗等是面向M2M應用的運營商所面臨的一些挑戰。對維護向后兼容性的需求也面臨著對低端M2M應用系統的優化方面的挑戰。與移動手機不同，M2M設備具有更長的更換時間，并可能對技術遷移構成挑戰。

識別特定的MTC設備，增加覆蓋和降低成本來實現M2M通信的大量采用，以及支持相應的服務是3GPP針對MTC通信標準化的一些關鍵方面。

3GPP規范工作大致分為RAN（無線接入網絡），SA，GERAN（GSM/EDGE無線接入網）和CT，這些組負責定義3GPP系統的功能，要求和接口。 RAN專門負責3G的無線接入部分及其對4G及以上的演進，而GERAN負責2G的無線接入部分及其演進。 SA負責整體架構和服務能力，CT負責終端接口和能力的規范以及3GPP系統的核心網絡部分。 3GPP功能分階段發布，但是研究工作可能在此之前進行研究。通常，所有新功能在發布之前都有一個研究階段。

需要識別MTC用戶

對于一個MTC模塊來說有SIM(Subscriber Identity Module：用戶識別模塊)和MTC設備有兩個重要的方面。對于3GPP工作的大多數解決方案來說確定MTC用戶非常重要。大多數低成本MTC用戶被設想有SIM卡集成在表面安裝的PCB上或者已經焊接了SIM芯片;但是還有一些MTC設備，其中SIM卡并不與設備集成。對于后一種情況，重要的是運營商能夠使用SIM卡配置文件或者設備功能來單獨按規定訪問。在SIM卡盜用的情況下能夠檢測設備IMEI的更改情況也是有意義的。

使用率監管，采用使用率限制當應用達到使用率上限時也需要識別MTC用戶。數據速率的調節已被運營商用作正常蜂窩操作中的速率控制策略，因此MTC中的使用率控制可以看作是其的一個變種。可能存在的一個挑戰是由于MTC應用的范圍廣泛，例如對于低數據速率的使用率限制，但是大量的MTC不能利用基于量的服務限制。此外，可能會要求SIM（當未與設備集成時）可以與非MTC特定用戶的SIM交換使用。

SIM卡中包含HLR中具有的與訂戶關聯的用戶IMSI，其包括關于預付費服務和特征簡檔的細節。運營商已經能夠基于訂戶配置文件來支持定制的MTC服務，例如最佳數據包大小和用于MTC服務的專用接入點的最佳路由。 IMSI（國際移動用戶識別碼(IMSI:International Mobile SubscriberIdentification Number)），是由運營商提供的用于MTC訂閱的特定計費策略，并且由運營商用來完全控制在網絡中的許可用戶。

基于3GPP的蜂窩設備是由IMEI來識別的。對于LTE，基站提供LTE用戶設備（UE）的類別信息。 eNodeB然后能夠確定UE的性能并相應地與其進行通信。用戶體驗（也就是用戶的峰值數據速率）和系統性能（也就是頻譜效率）等都與設備類別相關。不需要支持高數據速率和/或低延遲的MTC設備將需要使用新的特定于MTC應用的LTE設備類/類別來指定。3GPP已經為MTC定義了一個或多個新的LTE UE類別。如果MTC設備影響到網絡的性能時能夠限制MTC設備的訪問，這將是識別和隔離MTC設備的方法之一。運營商面臨的一個公共問題是限制對漫游設備的訪問。值得注意的是，運營商應該能夠從MTC特定UE類別中識別出這樣的漫游MTC設備，并且如果運營商不希望為這些設備提供服務時，則能夠限制對設備的訪問。

需要進行覆蓋改進

有許多MTC應用，其中的一些MTC應用需要擴展覆蓋。移動的MTC用戶很可能不會超出覆蓋范圍。另一方面，有許多M2M應用，其中終端位置將被固定，但是不能接入到固網中。智能電表和泊車儀表傳感器等MTC應用不僅帶來具有挑戰性的部署，而且還不能移動。有一個可以提供更多幾乎無處不在的連接服務的大量市場。這樣一個最明顯的應用是電力公司的電表計量，其中許多房屋沒有安裝電表位置，而只能安裝在地下室中。基站數量的增加對于覆蓋和容量的提升是非常有好好的，但是每個額外增加的基站都需要有回程，站點獲取，租賃，供電等方面的挑戰。100％覆蓋的目標將永遠不會實現，但是也有需要實現較好覆蓋的少數特殊情況，要求不會大大增加整個解決方案的總成本。因此，重要的是要確保在提高MTC設備覆蓋率方面系統成本不會增加。 3GPP正在試圖降低M2M模塊的復雜性以及改善對其的覆蓋，以促進大量部署M2M模塊。

3GPP研究確定了MTC設備不需要的幾個功能，并且可以顯著降低設備復雜性。 3GPP確定了限制設備能力為單個接收RF通道，限制了其支持的峰值數據速率要求，并減少了所要支持的數據帶寬，并支持半雙工操作，這些都是減少設備復雜性的關鍵。這種簡化在減少設備復雜性的同時也帶來了額外的規范影響。使用額外的調度器限制來保持正常LTE設備的系統性能，同時為這些低復雜度設備提供服務。

3GPP主要通過重復發送信息來實現對覆蓋改進。

對服務的增強支持

3GPP正在標準化來支持第三方與3GPP系統交互，以向其客戶提供第三方服務。 支持M2M服務的標準化工作正在在3GPP之外的標準化組織（例如，ETSI TC M2M和oneM2M全球計劃;見本頭條號前面的文章）中進行，假設M2M服務支持可以由網絡運營商以及與運營商簽訂業務協議的第三方來提供。通過提供附加信息（例如，傳輸調度信息或少量數據以及對設備觸發的指示）并定義3GPP核心網絡和應用平臺之間的新接口，來促進對支持對服務的配置。為了確保隱私，公開的網絡信息確保與私有用戶的信息脫鉤，也就是沒有與UE身份相關的鏈接。

3GPP MTC相關協議版本

3GPP已經采用發布協議版本的概念來實現穩定的平臺，同時便于引入新的功能。表1和表2提供了與MTC相關的高級功能的發布列表。

表1、 3GPP MTC特有的功能增強（核心網和服務架構方面）

表2、 3GPP MTC特有的功能增強（無線接入網絡方面）

標準化工作早在2005年開始，當時3GPP TSG SA1開始進行可行性研究，并于2007年輸出3GPP技術報告（TR）22.868。 3GPP Release 10技術規范（TS）22.368規定了機器對機器的通信要求。

要求和邏輯分析的細化是在3GPP技術報告23.888中得到解決的（參見：http://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/23_series/23.888/），并且具體的協議實施是在版本11中進行的。 SA5分析針對重用現有3GPP功能（例如會話啟動和控制）的可能程度，并且解決了充電需求。3GPP的MTC架構工作是在Rel-10中開始的，而在Rel-12中，SA2致力于小數據傳輸和低功耗UE的高效傳輸。

3GPP的努力最初集中于機器類型設備的識別，以允許運營商在網絡過載情況下選擇性地處理這些設備。隨后的努力已經在MTC模塊的復雜性降低，覆蓋改進，減少UE功耗以及處理小數據的優化方面進行無線電級別的性能增強。

MTC功能增強

以下詳細介紹了3GPP一些關鍵的MTC功能的增強情況。

核心網和RAN的過載和擁塞控制

當M2M設備已經大量部署時，3GPP識別了網絡存在過載的可能的問題。 M2M設備可能會導致信號過載，因為它們同時恢復觸發注冊以及其他導致信號增加和核心網絡過載的過程。具體地，在網絡故障時，由于與網絡相關聯的MTC UE重新選擇同時將網絡（可能漫游）轉移到尚未失敗的網絡，所以可能會發生信號突然出現的浪涌情況。

所選擇的網絡可以是漫游網絡，其沒有設計為為所有漫游MTC用戶提供更多的同時訪問。無論是否用于MTC即使來自大量UE的正常信令也可能導致網絡過載。為了執行過載和擁塞控制，3GPP指定了特定的核心網絡和RAN過載和擁塞控制特性來保護網絡。

關于機型通信網絡改進的研究項目研究了核心網絡的過載和擁塞控制。關于MTC的RAN改進的研究項目于2009年第4季度開始。2010年5月開始關于機型通信系統改進的Rel-11傘型研究項目。該WI研究項目還涉及UTRAN和E-UTRAN的RAN過載控制。

通過將MTC UE設備識別為“低訪問優先級”指示符配置標識這種延遲容忍的設備來執行防止和控制這種信令浪涌場景的機制，并且這可以被網絡用于控制各種過程。在UTRAN或E-UTRAN中，當核心網向RAN指示過載時，RAN（用于UTRAN的UTRAN和用于E-UTRAN的eNB）將拒絕來自這種UE的連接請求，擴展的重新連接等待時間長達30分鐘。然后，當UE將在過載時經受更長的退避定時器時，這樣的UE可以被網絡識別，以在拒絕來自UE的接入請求之后發出信令激活“擴展等待定時器”。這樣對于標識為低訪問優先級的那些UE，也可以禁止訪問網絡。對于接入具有低訪問優先級的網絡的UE，E-UTRAN中的MME可以拒絕RRC連接建立。還可以分配更長的跟蹤區域更新以減少擁塞。

在GERAN中，BSS允許可配置的隱式拒絕時間長達200秒，并且將配置為“低訪問優先級”的設備將啟動隱式拒絕定時器，以在定時器期間預留的時間短內拒絕任何進一步的訪問，允許網絡控制異常擁塞。 GERAN還通過將僅配置為擴展訪問限制的設備排除在外，通過擴展訪問控制限制的機制來支持對RAN過載控制。

低成本和覆蓋增強的LTE MTC UE

基于LTE的針對M2M應用的LTE調制解調器的復雜度降低的低成本MTC UE的供應研究于2011年9月開始。該研究確定了用于RF和基帶復雜度降低的各種技術。復雜度降低的研究針對不需要高數據速率和/或低延遲的MTC設備。利用降低復雜度的技術，觀察到會帶來覆蓋減少的一些負面影響，并且將研究擴展到研究低成本MTC UE的覆蓋改進技術。

作為研究的結論，與普通LTE用戶設備相比，3GPP開始規范工作，以規定具有降低的復雜度和改進覆蓋的新LTE UE類別。技術詳情見3GPP技術報告36.888。考慮用于延遲容忍的MTC的復雜度降低的選項主要旨在降低設備的RF和基帶成本。減少復雜度的措施包括將數據的最大帶寬減少到3 MHz或5 MHz的較窄帶寬，將接收天線的數量減少到1，這也限制了對某些MIMO模式的支持，雙工操作，并降低設備支持的峰值數據速率降低至1 Mbps。通過重復和捆綁信息來實現延遲容忍MTC設備的覆蓋改進。

其他增強

3GPP版本12協議在2015年初完成。3GPP第12版中的MTC增強功能將重點放在以前版本中未解決的以下改進問題上。

為了解決針對MTC設備的集群的優化，當網絡能夠向特定地理區域內的一組MTC設備廣播消息時，考慮MTC組正在尋址，那么在MTC組上可以進行訪問控制限制或QoS策略來設置數據速率的限制，并為該組的每個MTC設備設置數據傳輸的時間限制，直到該限制過期為止。

制定對漫游MTC設備的指導的增強，并且主要通過使用由UE提供的低訪問優先級指示來執行。 eNodeB引導被配置用于對特定MME的低訪問優先級的UE提供接入。

對小數據和觸發的增強主要是為了實現少量數據的高效傳輸。對于處于RRC IDLE狀態的普通LTE UE，服務請求過程將用于數據傳輸。對于來自MTC設備的小數據也可能會導致顯著的開銷。如果用于將IP分組作為NAS信令傳輸而不是在RRC IDLE狀態下為UE建立RRC安全性，則預先建立的NAS安全性將導致用于傳送少量數據的更優化的系統，這減少了信令開銷，實現了對網絡資源的有效利用，并減少了重新分配的延遲。

事件監控，事件的檢測和事件的報告是M2M系統的一個重要方面。 MTC UE的監控事件的配置需要激活對事件的全部或一個子集的監視。監控增強功能可以檢測向服務能力服務器或應用程序服務器報告的事件。

3GPP承認需要解決UE的功耗問題，特別是針對由電池供電的設備。3GPP正在研究設想的用于在空閑模式下延伸DRX并且在連接模式下配置長DRX周期的UE功耗優化的解決方案。

3GPP版本13以及預計未來版本將能夠進一步支持M2M服務和M2M設備的大量部署的高效交付。

LTE Release 12的MTC增強功能

1，數據速率能力和UE類別0（UE CATEGORY 0）

為了實現MTC應用的低成本設備，3GPP LTE協議版本12引入了新的較低速率的UE類別。新的UE類別被標記為類別0（零），符合具有更廣泛能力的較高數量的UE類別的典型關聯。

2，TYPE-B半雙工操作

為了進一步降低復雜性/降低成本，LTE 12版引入了一種新的半雙工模式，即B類半雙工，特別針對類別0的設備。參見圖2，半雙工類型B允許在下行鏈路接收和上行鏈路傳輸之間通過指定設備在上行鏈路子幀之前以及上行鏈路子幀之后的第一個下行鏈路子幀不預期接收最后一個下行鏈路子幀來實現更大的空閑時間。

圖3、半雙工操作

3，具有單個接收天線的設備的可能性

為了進一步降低針對大規模MTC應用的設備的復雜性，對于UE類別0，這一要求被放寬了。相反，0類設備的性能要求使得它們可以在設備端使用單個接收天線。

4，省電模式

為了實現網絡始發的數據傳輸，使用PSM（power-saving mode：節電模式）的設備必須定期重新連接到網絡，并保持一段時間的工作，以允許網絡對UE進行尋呼嘗試。這樣的重新連接應該是不頻繁的，以保持PSM的節能效益，這意味著PSM對于延遲不是至關重要的不頻繁地發起數據業務的網絡來說是主要的工作模式。

LTE Release 13的MTC增強功能：eMTC

作為LTE版本13的一部分，LTE采取了對進一步增強大規模MTC應用支持的附加步驟，這是一種被稱為增強型MTC（eMTC： enhanced MTC）的活動。這項活動的主要目標是：

進一步降低設備成本，要求低于第12版UE類別0所實現的成本。

與Release 13之前的設備相比，擴展了具有目標的低速大量MTC設備的覆蓋范圍，使其能夠在增加至少15 dB的耦合損耗情況下也能運行。

在高層次上，eMTC的主要新特征包括：

器件側的RF帶寬更窄，可進一步降低器件復雜性和相應的成本;

廣泛的重復下行鏈路和上行鏈路收發，實現低速率服務的擴展覆蓋;

擴展DRX。

1，NARROWeBAND操作

release-13 eMTC設備只需要通過與最小LTE載波帶寬相對應的即時帶寬（即大約1.4 MHz）來支持傳輸和接收。

2，通過重復方式進行覆蓋增強

3GPP eMTC活動的第二個目標是為低速率MTC應用提供顯著的覆蓋擴展。 eMTC設計的明確目標是與Release 13之前的設備相比，能夠實現與耦合損耗相差至少15 dB的操作。

圖4、跳頻操作

重要的是要明白，eMTC的目標不是擴大給定數據速率的覆蓋范圍。相反，通過降低數據速率來擴展覆蓋范圍。

3，下行鏈路傳輸：PDSCH和MPDCCH

4，UPLINK傳輸：PUSCH和PUCCH

5，同步信號和BCH

6，系統信息塊

7，隨機訪問

8，擴展DRX

總結

在今天和昨天的文章中我們介紹了蜂窩行業面臨的大量M2M應用所帶來的挑戰以及M2M標準化解決方案的基礎。我們還提供了目前正在為有效支持M2M通信而被指定的解決方案的講解。我們特別探討了3GPP中M2M特定標準化活動的重要方面，以提供針對蜂窩使用優化的標準化解決方案。

對于未來，M2M標準將在短期內繼續發展并繼續給行業帶來挑戰，其中多個標準可能針對M2M通信的某些特定屬性（例如，成本，覆蓋率，移動性和安全性）來說可能是最佳的。從長遠來看，M2M設備的長壽以及降低大規模部署成本的需求將推動行業制定統一的標準，這也將需要與目前的生態系統共存。 M2M設備的壽命將特別要求將來可能在可預見的將來保持的通信網絡，并且在短期內不會過時。單一的無線電接入解決方案需要作為單一的標準化解決方案開發，該無線電接入解決方案應該具有高度適應性，但是針對具有低復雜性和低功耗利用率的M2M應用特別適用于特定的標準化解決方案。對于蜂窩運營商來說，非常重要的是也應該支持與當前通信基礎架構的良好共存。

我們觀察到一個有趣的轉變是，如果蜂窩MTC解決方案將符合工業控制應用要求的條件，這將需要網絡幾乎零中斷，并且還支持幾毫秒的有保證的端到端延遲，而不是幾百毫秒的延遲。與后者相關的要求的是需要訪問過程進行根本轉變，以確保適當地處理擁塞以及確保核心網絡不會由于服務網關（S-GW）和分組網關（P-GW）的特殊的分層設計形式而引起額外的延遲。為此，參考文獻（參考：http://www.ctr.kcl.ac.uk/seminars/slides/MASSIMO_CONDOLUCI.pdf）的作者提出了如圖5所示的修正架構，它主張使用毫微微小區，即家庭eNB（HeNB）來降低擁塞，延遲和能量消耗，并以一個純粹的宏單元部署來進行了說明。 HeNB-GW在回程中的強制使用確保不會在核心網中發生數據和信令擁塞，因為數據和控制流量可以捆綁和限制。此外，它還提供其他M2M技術（如低功耗Wi-Fi）的直接接入，而無需經由P-GW。

圖5、通過HeNB / HeNB-GW對超LTE MTC接入3GPP LTE-A核心的增強網絡架構

使用這個示例架構提供的好處可以歸納如下：

HeNB-GW和MME之間的一個流控制傳輸協議（SCTP）關聯。在LTE-A中，在交換控制平面業務的兩個實體之間創建SCTP關聯。通過使用HeNB-GW，大量HeNB的存在并不意味著會發生MME擁塞。實際上，只有HeNB-GW向MME而不是每個單個HeNB發送SCTP消息。此外，由于HeNB的接通/斷開而導致的SCTP關聯設施和釋放的數量被最小化。

服務網關的可擴展性。與直接HeNB連接相比，HeNB-GW和S-GW之間的GPRS信道協議（GTP）導致UDP和IP連接的數量大大降低。以這種方式，HeNB的數量可能增加，而不增加由S-GW管理的UDP / IP路徑和GTP回顯消息的數量。

分頁優化。可以在HeNB-GW內實現用于向被管HeNB下行鏈路數據傳輸的優化尋呼機制，以減少等待時間。

未來，3GPP可能會接受學術界和工業界提出的一些建議來進一步優化與MTC相關的協議。總體而言，市場將在未來幾年展示蜂窩MTC對最終用戶，即重工業和汽車行業等的有效價值主張。