来源：万物云联网

介绍

物联网（IoT）预计将在未来十年连接数十亿台设备（参见：https://www.ericsson.com/res/docs/whitepapers/wp-50-billions.pdf）。低成本，高覆盖率和低功耗的解决方案将成为针对IoT应用的大多数用例的解决方案的基础。强有力的技术标准和协议的行业协调将推动更大规模的经济性和轻松的端到端集成和互操作性。

图1、连接设备发展的驱动力来自于人，企业和社会。

机器对机器（M2M）通信是整个物联网（IoT）生态系统的巨大组成部分。值得注意的是，它能够以自主，可靠和经济高效的方式连接机器。只有一个类似于连接在互联网上的计算机一样无处不在的连接对象，才能使物联网中的互联网范式成为可能。传统上，主要是在工业自动化和控制的背景下所谓的连接是通过电线的方式来实现的。在过去十年中出现的无线连接替代品提供了显著的商业利益，同时也弥补了有线连接方式的缺点。

然而，在M2M行业中有线和无线解决方案的选择也通常饱受争议。与有线解决方案相比，无线解决方案相对易于部署以及针对单点故障的鲁棒性方面是有吸引力的，而有线解决方案可以确保对无线电难以到达的位置的覆盖。与有线解决方案相比，M2M应用的无线解决方案的主要挑战是功耗和射频无线电的成本。不同的M2M服务具有不同的要求，并且针对移动性，功耗，覆盖范围，易于推出性等所有这些要求的单一标准化解决方案是确保达成M2M解决方案被大众市场成功应用所要求的成本目标的关键，用于隔离集群部署的解决方案是基于无线个人区域网络（WPAN：wireless personal area networks）的，例如蓝牙，ZigBee和6LoWPAN。基于诸如3GPP开发的技术的解决方案更适合于需要移动性和通信范围更广的M2M服务。

另一个挑战是通过API（一种允许实时数据交换的基于标准的接口）来满足M2M网络和核心企业系统之间的关键链路需求。对其的标准化将为实现轻便，大规模，持续可用的实时接口铺平道路。当前行业正在制定协调一致的API标准以锻造实现价值链。

以上所有特性都是为M2M通信提供最佳解决方案的基础。蜂窝MTC（Cellular MTC，即Cellular，Machine Type Communications ，蜂窝机器类型通信，3GPP中的M2M的工作术语，有时也称为蜂窝物联网(Cellular Internet of Thing, CIoT)）解决方案真正有能力满足这些特性。因此，毫无疑问，3GPP正在通过其行业合作伙伴开始研究和标准化特定技术机器类型通信（MTC）实施例。

图2、蜂窝M2M通信的系统模型

本文通过首先概述蜂窝3GPP支持的MTC的优势，挑战和适用性，然后在后面的系列文章中讨论特定的3GPP协议开发，并详细介绍它们的进展和未来向5G演进的方向。

蜂窝M2M通信的优缺点

下面的内容中我们会详细介绍在利用蜂窝M2M连接解决方案时所遇到的折中问题。值得注意的是，我们讨论使用蜂窝进行M2M通信的优势，以及需要解决的挑战以及前代蜂窝技术和当代蜂窝技术该如何适应这些挑战。

使用蜂窝技术进行M2M通信的优点

使用蜂窝系统提供M2M连接具有许多优点。值得注意的是，由于具有无处不在的覆盖范围，漫游支持，互操作性保证，服务质量（QoS：quality of service）保证，提供服务级别协议（SLAs：service-level agreements）的能力以及运营服务平台的可用性使得蜂窝技术提供在商业上具有竞争力的M2M解决方案成为可能。

M2M解决方案提供商（例如Worldsensing公司，参见网址：http://www.worldsensing.com/）最大的担忧之一就是保证可靠和强大的连接，即使是在静态部署情况下。与ZigBee，Wi-Fi或者其它的低功率广域网（low-power wide area networks，即LPWA，如LoRaWAN（http://www.lora-alliance.org/） ，Sigfox（http://www.sigfox.com/en））相比，即使在最偏远的地方，蜂窝也可以在全球范围内普遍享有覆盖面。因此，不需要安装额外的网关或中继器，这将显著降低进入的部署障碍和运行成本。总的来说，我们发现，尽管调制解调器成本和数据规划成本更高，但是基于蜂窝的M2M解决方案的总体拥有成本（TCO： total cost of ownership）比竞争的连接解决方案更具成本效益。

蜂窝M2M的另一巨大优势是能够支持移动性和漫游。这将立即将市场扩大到例如汽车和追踪应用等领域中。目前没有其他可用的连接技术可以产生像蜂窝那样的覆盖面和对移动性的支持。这给M2M解决方案提供商带来了极大的安抚，让他们安心。

从商业角度来看，另一大优点是许可蜂窝频谱（licensed cellular spectrum bands）中的SLAs（service-level agreements）的可用性。法规目前限制了在免许可证的ISM频段提供SLAs的能力，这大大限制了在企业对企业M2M（business-to-business M2M ）应用中采用该技术。为了举例说明这一点，想象一下关键的基础设施被装配并发生了由于无线连接中断而导致故障没有报告从而引发严重的事故。由于M2M解决方案提供商对连接性影响不大但无法利用到调制解调器提供商来承担故障责任，因此使用ISM频段技术使所有各方都处于法律的边缘之中。这在许可的蜂窝频段中是非常不同的，在许可频段的蜂窝中可以签署和执行SLAs，从而为M2M解决方案提供商提供额外的安心保障。

另一个强大的业务方面是提供横向（水平）服务平台（horizontal service platforms），例如电信巨头如沃达丰提供的平台（参见：http://www.vodafone.com/business/iot/managed-iot-connectivity-platform）。值得注意的是，这些平台降低了进入市场的障碍，这些平台已经在不同的环境中使用。为了说明这一点，想象一个市政厅已经使用沃达丰的服务平台已经很长时间了来在城市中提供IT连接和服务;如果可以使用/重复使用相同的服务平台，则提供M2M / IoT应用等附加服务的进入门槛要低得多。

图3、沃达丰提供的水平M2M平台

促进蜂窝M2M发展所面临的挑战

然而，迄今为止仍然存在若干挑战，克服这些挑战才能确保M2M蜂窝解决方案的真正吸引。显著的挑战在于能够独特地识别M2M设备，优化系统以进行少量和低频次的数据传输，能够在非常具有挑战性的传播环境中提供额外的覆盖，处理接入和核心网络中的拥塞，降低复杂性和能耗，并促进提供可行的服务。现在在设备，网络和服务配置设计中的这些挑战将在后面系列文章中一些更详细的内容中进行讨论。

与蜂窝M2M设备设计相关的挑战涉及

（i）能量消耗；

（ii）调制解调器复杂性；

（iii）调制解调器成本。

所有这三者是相互交织的，例如，复杂性的降低通常伴随着成本的降低。而如果设备复杂度降低，那么处理能力则可能会显著降低。此外，鉴于与低功率ZigBee / Wi-Fi设备相比，蜂窝设备的传输功率通常非常高，与实际无线传输相关的能量消耗只能通过在系统允许显著减少通过空中接口传送数据所需时间的情况下来降低。

关于M2M网络设计，要解决的问题涉及能够有效地处理通信的通信协议，并且最重要的是解决在接入中的通信问题;其他重要问题是解决和提供广覆盖面和移动性的问题。实际上，当涉及到M2M业务的支持时，通信协议的效率通常是非常低的，因为连接建立需要太长的时间因此无法促进节能运行。此外，当前的物理随机接入信道协议不能同时处理大量接入到网络中的连接设备。此外，需要优化用于数据量小和传输频次不高的数据传输系统：只有少量数据的设备，如果能够快速发送或者接收数据，然后变为休眠状态，则可以显著减少对其他设备的干扰并将能够节省电池。对于寻址（addressing），设备将需要被识别和寻址;现有的寻址方案可能不适用于支持大量的设备。

当前蜂窝解决方案的适用性

蜂窝网络已经从20世纪80年代早期的总接入通信系统（TACS：Total Access Communication System）一步步演进过来，TACS时代语音作为主要业务，一直到20世纪90年代早期的GSM / EGPRS时代语音和SMS（短消息）作为主要业务；而语音和数据则是2000年代中期的UMTS / HSPA的主要业务。2010年代的早期，LTE开始被部署，并且在随后几年中广泛的运营商进行了LTE系统部署。从第一代TACS到第四代（4G）LTE的每一代移动通信技术的演进可以在10年内得到应用，并且预期在2020年将会有第五代蜂窝系统（5G）的部署。

所述蜂窝系统的关键组成部分是频谱，频谱被认为是有价值的资源，因此，技术演进的关键考虑之一是频谱效率。与第一代系统相比，4G的频谱效率提高了20倍。 4G LTE系统可以部署在从1.4到20 MHz等六种不同载波带宽的配置中。这种灵活性是更好地利用碎片化频谱的关键。

延迟和用户吞吐量是影响用户体验的重要属性。 4G LTE系统已针对移动宽带传输进行了优化，端到端延迟数十毫秒，平均用户数据速率为每秒数十Mbits。用于宽带数据的高性能4G系统增加了设备的复杂性，增加了功耗，以及还不那么成熟的生态系统，以及由于对全球范围内大量零散部署频段的支持的设备限制所导致的漫游挑战。

在支持M2M的严格要求方面，2G技术系列，即GSM和GPRS / EGPRS是理想的，因为其功耗和成本低，覆盖面广，生态系统发达成熟;然而，从经济的角度来看，对于下一代系统来说，重新组合频段更为可行。 3G系列，即UMTS和HSPA，是一种不太可取的技术，因为功率效率较差，调制解调器的成本也较高;总体而言，它是一种不太可取的M2M技术，是一种“过度杀伤（overkill）”的设计，因为它提供了太多超过了本身能力的需求。 4G技术，即LTE和LTE-A，再次引起了业界的兴趣，因为空中接口采用的OFDM（A）技术允许根据需要缩放带宽;调制解调器成本和全球覆盖的问题在逐步得到了解决。

图4、LTE的协议逐步演进旨在增强其对大规模MTC应用的支持能力。

LTE的第一个版本的3GPP协议已经可以很好地支持Massive－MTC应用。然而，最近3GPP协议已经有更新来作为LTE特定演进的一部分，实现对大规模MTC应用的增强支持。

如图4所示，该演进中的第一步是在3GPP版本12（3GPP Release 12）中进行的。然后在版本13（3GPP Release 13）中再附加一些步骤。在第12版和第13版3GPP 协议中解决大规模MTC应用的LTE规范的不同更新我们将在后面的文章中分别更详细。

除了LTE对于大规模MTC应用的增强支持的这种更直接的演进之外，还存在被称为窄带物联网（IoT）（NB-IoT）的并行的3GPP标准活动。 刚开始时NB-IoT作为与LTE演进分离的3GPP技术轨迹发展。然而，最近NB-IoT技术已经与LTE的发展保持一致，现在可以将其视为LTE整体演进的一部分。 NB-IoT也将会在后面的文章中进一步讨论

总结

总而言之，大多数MTC应用的经济性是通过利用规模经济来降低成本来实现的，从这个角度讲目前的2G系统能够满足需求。使用4G LTE系统进行MTC应用的论据是受益于4G系统提供的频谱效率和带宽灵活性以及该技术作为未来蜂窝系统的长期应用预期。如上所述，高数据速率和低等待时间并不是大多数MTC应用的关键属性。面临的挑战是适应专为高效宽带通信而设计的4G LTE系统，也可以提供和支持MTC应用。

最近在3GPP和其他行业论坛组织一直在努力解决针对MTC应用的最优化的系统设计和其他方面挑战。这些我们也会在后面的文章中进行讨论。

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