2.5　MTC

MTC（machine type communications）定义了一个或者多个通信设备在无须人工操作的基础上相互通信的环境。在3GPP组织给出的定义中，MTC和M2M（machine to machine）被表述为相同的内容。而从实际网络中来看，M2M表示了所有无须人工操作机器相互通信的网络，而MTC网络特指基于无线移动网络的机器相互通信，如LTE-MTC。

MTC基于的是蜂窝移动通信网络，因此为了更好地理解MTC网络架构和组成，我们首先对蜂窝无线网络进行简要介绍，随后介绍MTC网络的架构模式。在此基础上，分析MTC所能提供的服务类型及这些服务所需的要求，以及MTC网络所面临的挑战及当前解决方案。

2.5.1　蜂窝无线网络

所谓蜂窝无线网络是若干用户以蜂窝组网的形式构成移动通信系统，使得系统内的用户可以在无线电波覆盖的任何区域内进行通信。区别于大区制的集群系统和无中心的Ad-Hoc网络，蜂窝无线网络是以小区制的形式进行组网的，即将整个服务区域划分成许多小的区域，这些小的区域称为小区。

尽管在实际中小区的形状是不规则的，但在系统设计时，往往需要用一个规则的小区形状来完成设计。由于全向天线符号的覆盖区域是圆形且不留空隙地覆盖整个区域，因此小区之间必然有一定的重叠。当我们用规则小区进行替代不考虑重叠和间隙后，可选的小区有圆形、正方形和正六边形3种情况（图2-9）。

我们通过对比基站具有相同覆盖面积情况下3种形状的邻区距离、小区面积、重叠区宽度和面积，来找出最适合小区制的小区形状。由于每个基站具有相同的覆盖面积，则图中虚线圆有着相同的半径，我们设为 r 。因此，正三角形的邻区距离即为虚线圆半径 r ；正方形邻区距离为 r ；正六边形邻区距离为 r 。对于每个小区的面积，正三角形为1.3 r ² ；正方形为2 r ² ；正六边形为2.6 r ² 。而对于重叠区域，三角形重叠宽度为 r ，重叠区域面积为1.17π r ² ；正方形重叠宽度为0.59 r ，重叠区域面积为0.73π r ² ；正六边形重叠宽度为0.27 r ，重叠区域面积为0.17π r ² 。通过上面的对比之后，我们可以明显地看出在基站相同覆盖面积下，采用正六边形小区形状进行布网，相邻小区的重叠部分最小且小区的面积最大。因此，采用这种形状的小区在覆盖相同范围时所需的基站最少且相邻小区之间相互干扰最小。由于采用正六边形后小区整个系统的构造类似蜂窝，因此我们常常把移动通信系统称为蜂窝无线网络。

由于采用了蜂窝形状的小区制，移动通信系统的性能得到了提升。不过在小区制的蜂窝无线网络中，相邻小区不能使用具有相同频率的信道，但是相距一定距离的小区使用相同频率进行传输则没有同道干扰的影响。为了提高整体系统的频谱利用率，我们对划分出来的小区再进行一次划分，将其划分称为区群。所谓区群指所有相互邻接且使用不同频道的所有小区的集合。区群中的每个小区只使用了部分频率资源，但是整个区群却包含了全部的频率资源。而在定义中，相互邻接的小区是指区群中任意一个小区都至少与区群中另外两个小区存在公共边。我们用图2-10展示了区群中小区数量为7时的区群分布。

布置好的基站负责每个小区所有用户的通信，同时基站通过有线和移动通信系统的核心网连接。在LTE及之前的移动通信网络中，所有用户必须通过核心网进行信息的传输。而在5G中，D2D的引入可以保证两个移动通信网络用户进行直接的通信。关于这部分内容，本书将不再展开讨论。

2.5.2　MTC网络架构

基于LTE的典型MTC网络大体由3部分构成：MTC设备域、网络域和MTC应用域。我们用图2-11展示了MTC网络的典型结构模型。

在MTC的设备域主要包括MTC设备和MTC网关。MTC设备是MTC网络中可以自主传输数据、回复请求的设备，通常这些设备包含传感器设备和一般通信设备。MTC网关将MTC设备接入到移动无线网络（如LTE）。不过需要说明的是，在最新版本的MTC标准中MTC设备也可以不通过MTC网关而直接连接基站，即在LTE中的演进型基站eNodeB。相比于传统网关，MTC网关还有一个更为重要的作用是将传感器设备收集的数据进行汇聚后再传入网络域。网关在物联网中的另一个重要作用是和其他协议的兼容，如果物联网网关配置了其他协议标准，则MTC设备也可以接入其他协议的网络进行通信。总体来说，MTC网关实现了MTC设备不再仅仅是机器和机器互联，而是机器、系统和人之间的通信和沟通，真正做到3GPP协议描述的万物互联。

MTC的网络域就是按照2.5.1节介绍的蜂窝无线组网的模式建立基站群。每个基站负责一个正六边形小区的通信，同时与移动通信系统类似，基站通过有线连接至核心网。在核心网部分，通过引入MTC互通功能模块和业务能力服务器来实现MTC网络的架构。MTC互通功能模块负责MTC设备的发现和认证，而业务能力服务器汇聚数据和业务信息并将这些信息传递至MTC应用域。

建立MTC网络的架构后，用户就可以通过应用域中各种应用程序获取服务并由特定业务处理引擎获取数据。应用程序既可针对具体的终端用户也可针对其他的程序提供商，因此MTC应用域既包括MTC服务器又包括了特定的用户应用。此外，MTC应用域提供了更加精细的构建模块，以便应用域可以构建更为复杂的MTC服务和解决方案。

2.5.3　MTC服务类型及需求

MTC网络拥有提供丰富应用和广泛服务的能力，而MTC所能提供的服务类型又具有多样的特性和不同的需求，这就对MTC网络和设备提出了很高的要求。总体来说，具有代表性的MTC服务类型有：智能计量、智能控制与检测、智能交通及公共安全服务等。不同的服务类型也有着不同的网络需求，因此我们将在这一节简单介绍这些服务及其网络需求。

智能计量是MTC网络非常重要且得到广泛应用的一种服务类型。所谓智能计量指的是安装有计量功能应用程序的MTC设备自动收集待计量的数据并通过MTC网络返回MTC应用域。目前已经得到广泛应用的智能计量模型即智能电网中通过智能电表来计量用电量。此外，天然气和水这些日常生活中常见的计量也在进一步应用之中。对于智能计量，其最主要的需求就是必须支持大量的MTC终端设备，而这些终端设备所需传输的数据量和频率却不大。

智能控制与检测是工业互联网的核心，该应用可以支持对工业系统的远程操作和优化来保证生产效率。此外该应用也被应用于智慧家庭之中，即通过MTC网络控制家庭电器。智能控制与检测这方面的应用对于MTC网络最主要的需求是通信的可靠性。对于实时控制系统来说，低延迟的数据通信是极为重要的。

智能交通是MTC网络应用的另一方面。不同于车载自组织网络（VANET）负责为车辆提供移动互联网络，MTC网络可以为智能交通提供诸如车队管理、车辆监控、车辆防盗等辅助性方面的应用。在提供该方面应用时，MTC网络最主要的需求首先在于高移动性，这是由于车辆移动性自然带来的需求；其次，实时性也是MTC在智能交通中的另一需求，特别是应用于车队管理时必须保证数据及时传输；最后是低功耗性，这是由于用于这些应用的MTC设备通常配备有电池，而我们通常会希望这些电池可以长时间运行而不需要更换。因此，在进行MTC的同时可以不需要较高的功耗对这些设备尤为重要。

MTC网络在公共安全服务中主要被应用于监控系统、家庭安全防护及门禁系统等。在这些方面的应用中，对MTC网络的主要需求在于其高可靠性、高安全性和低冗余性。高可靠性才能保证整个系统必须随时处于正常状态而不能有任何失效的时刻。而高安全性才能保证公共安全服务时的这些高安全等级数据不被窃取。同时，由于这些应用涉及的数据往往是巨大的，所以必须通过减少通信冗余来降低终端设备的负担。

2.5.4　MTC网络面临的问题及解决思路

尽管针对MTC的理论研究已取得了大量的成果，同时也在现实生活中各个方面得到了广泛的应用，但是MTC网络还存在着大量的挑战，特别是在将MTC和LTE结合的过程中，如何简化网络复杂性以支持MTC设备，同时还不能影响H2H用户和MTC设备的服务质量和安全性能，这将是LTE-MTC网络未来研究所面临的重要问题。同时，如2.5.3节介绍的MTC网络在不同应用中的一些需求，如何改善MTC网络来满足不同应用的需求也是亟需解决的关键问题。

目前MTC网络所面临的问题可归结为如下几个方面：①支持大规模MTC设备接入；②适应大量突发小数据；③保证高等级安全；④低时延、高可靠传输。我们将在本章的最后小节专门讨论物联网中的安全问题，因此我们就不再对该问题展开讨论。下面我们就MTC网络所面临的其他3个问题及目前的解决方案进行介绍。

在MTC网络中，当大量的MTC设备接入网络，网络如何同时处理这些设备接入导致的连接建立以及无线资源分配将是MTC网络所面临的重要问题。由于LTE网络支持IPv6协议，同时IPv6可以为接入的设备提供大量的地址空间，因此LTE-MTC和IPv6的结合成为解决该问题的一个重要研究方向。特别是结合基于IPv6的低速无线个域网（6LoWPAN）标准，成为解决该问题研究者重点研究的对象。Twayej等 ^[5] 提出了一种通过“自组织汇聚接收算法”来与6LoWPAN进行多级汇聚及多重接收。Al-Kaseem等 ^[6] 讨论了如何利用软件定义网络（SDN）及网络功能虚拟化（NFV）来结合6LoWPAN网关为M2M通信提供服务。面对大量设备接入的无线资源分配问题，物理随机接入信道（physical random access channel，PRACH）方案提供了解决的思路。Mišic'等 ^[7] 通过PRACH来为M2M和H2H用户分别区分了信道和物理层资源。同时，Khan等 ^[8] 讨论了车辆M2M网络中M2M和H2 H在PRACH下信道分配的均衡问题。

MTC网络面临的第二个问题是，在网络中会面临大量突发小数据的情况，但是当前LTE网络的架构在面临该状况时效率会下降，这是由于LTE系统的当前设计需要用户在发送信息数据之前先执行连接建立过程，这样就增加了额外的信令开销。在每个用户发送数据较小，但是却有大量用户发送时，这些额外的信令开销有时比数据消息更多，这就带来了系统效率的大幅降低。为了解决该问题，有研究者提出了专门重新设计少量数据的网络访问过程以减少相应信令开销。文献[9]和文献[10]均讨论了这种方法的设计可能性。此外，数据聚合也是提高数据传输效率的有效方法，即在MTC网络中如MTC网关、eNodeB或MME等位置进行数据的汇聚。Riker等 ^[11] 就利用该思路提出了一种M2M网络中的三节点数据汇聚群通信方案。

MTC网络还要面临的问题就是低时延、高可靠传输问题。高可靠性的通信对一些MTC应用的安全运行起到重要的作用，如智能控制、智能监控或一些智能交通应用。此外这些应用还对通信的实时性有着很高的要求，而LTE还不能为MTC网络提供低时延、高可靠的传输。为了解决该问题，5G网络的核心技术D2D是一种有效的解决方案。Virdis等 ^[12] 讨论了采用D2D通信后支持雾计算的M2M网络。Swain等 ^[13] 研究了采用D2D通信的情况下三跳M2M网络的覆盖率和平均传输速率。 NE16aCdAYhovTQ7ybvVL14o7GUrWccg0qjqvVSWxKJjaTD9JvBPBbL7LaJ8x7YjF