IoT、M2M和D2D | 帶你讀《5G系統關鍵技術詳解》之四

第 1 章 5G 系統新技術的概況

1.9 移動資料分流、非授權頻段LTE和智能資料定價

1.10 IoT、M2M和D2D

現有的無線網絡和 LTE 系統需要滿足人性化（H2H，Human-to-Human）通信，目的 是支援低接入延遲和高吞吐量的語音和多媒體傳輸。另外兩個重塑無線通信産業的主要 趨勢：M2M 通信和物聯網[66, 67]。M2M 系統是一個由大量裝置組成的網絡，通過很少或 沒有人為幹預的通信來完成特定任務。M2M 通信能夠實作物聯網，可以根據需要或周期 性地建立無處不在的連接配接。一些物聯網對象具有與環境互動并收集資料的感測功能。根 據思科的預測[1]，M2M 連接配接将從 2015 年的 6.04 億增長到 2020 年的 31 億。一個 IoT 對 象，如家用電器、監控錄影機、智能電表、車輛或裝置，是可以被配置設定唯一辨別符（ID， Identifier）的。物聯網的應用包括衛生系統中的生命體征監測，智能交通系統中的遠端安 全感測、貨運管理和跟蹤以及智能城市的監控。

由于許多 IoT 物體是通過電池供電的，是以，低功率通信至關重要。ZigBee、藍 牙和 Wi-Fi 等技術可以為物聯網系統中的短距離通信提供低成本的解決方案。許可頻 段中的 IoT 通信對提高網絡覆寫率、将 IoT 應用擴充到郊區或關鍵任務環境以及增強 通信安全性至關重要。LTE 和 LTE-Advanced 都可以提供可靠的通信和高速資料傳輸。 它們還可以支援物聯網對象的移動性。5G 移動網絡是未來物聯網系統有前景的通信 平台。M2M 和 IoT 應用具有幾個不同的特征，包括低移動性、低容量且不頻繁的數 據傳輸、小資料負載以及特定位置觸發。支援物聯網對目前無線系統的發展至關重要。 國際電信聯盟将機器類型通信（MTC，Machine Type Communications）分為兩類：第 一類是大規模 MTC（mMTC，massive MTC），其特征在于具有高的連接配接密度，即可 以在機關面積内部署大量的低成本和低功率的 MTC 裝置；第二類是超可靠的低延遲 通信（uRLLC，ultra-Reliable Low-Latency Communications），這需要嚴格的實時延遲 限制的可靠資料傳輸。3GPP 正在制訂一種有效支援 MTC 和 IoT 通信會話的标準。例 如，提出了窄帶物聯網（NB-IoT，Narrowband IoT）以實作 MTC 裝置的低成本、低 功率、擴充覆寫的連接配接。對 5G 無線蜂窩系統中大規模物聯網裝置的設計問題和解決 方案将在第 17 章中讨論。

MTC 裝置的大量并發資料傳輸可能導緻網絡擁塞的發生。一般來說，MTC 可能導 緻無線接入網和核心網擁塞。當許多 MTC 裝置同時通路相同的基站時，無線接入網絡擁塞通常發生在特定小區的覆寫區域中。當大量 MTC 裝置将消息從許多基站傳送到單個 MTC 伺服器時，可能導緻核心網絡的擁塞。核心網絡擁塞可能導緻無法忍受的延遲、分 組丢失和服務中斷。18 章将詳細讨論 M2M 通信網絡架構、MAC 設計和擁塞控制。

D2D 通信是增強下一代無線通信系統的系統容量的、有前景的技術。D2D 通信能夠 在短的傳輸距離上實作兩個使用者之間的直接鍊路，而不通過宏小區基站路由資料，進而 降低所消耗的傳輸功率。宏小區基站可以向裝置發送控制信号，其中包含對 D2D 通信的 功率控制和信道配置設定的指令。D2D 通信的另一個優點是 D2D 可以重用宏小區的可用頻譜。 由于具有頻譜效率高、能耗低、覆寫全面的優點，D2D 通信已經應用于公共安全、廣告和 車載通信網絡。19 章将讨論 D2D 通信系統的能量收集。應用随機幾何分析技術來研究用 戶密度和接入點密度對 D2D 網絡能量收集的影響，并将介紹傳輸模式選擇政策。

1.11 無線資源管理、幹擾緩解和緩存

5G 無線網絡的更多頻譜、更高的頻譜效率和更密集的小區站點是實作千倍容量改進 目标的關鍵[5]。因為空間密集可以提供顯著的頻譜效率增益，近來小小區引起了相當多的 關注[4]。然而，小小區的容量增益是以嚴重的小區間幹擾和複雜的幹擾情況為代價的。為 了同時滿足容量增強和覆寫擴充，3GPP LTE-Advanced 專注于異構網絡（HetNet， Heterogeneous Networks），其中，宏小區和小小區的協調在同一覆寫區域共存。為此，為 LTE-Advanced 異構網絡指定了 eICIC 技術以支援兩種功能：範圍擴充和資源分區。前者 通過引入小區選擇允許更多的使用者終端從小小區受益，後者通過配置設定幾乎空白的子幀來 幫助減輕宏小區和一些小小區之間的幹擾。具體來說，幾乎空白的子幀被定義為宏小區 時域中的空子幀。由于沒有來自宏小區的幹擾，小小區可以在幾乎空白的子幀中更快地 發送資料。盡管宏蜂窩使用者的容量有損失，但小小區的容量增益使得在單個宏小區的覆 蓋地區，整個系統的容量仍有所改善。在參考文獻[68]中，提出了具有 eICIC 的 LTE 異 構網絡的資源配置設定算法以處理兩個重要問題： （1）确定宏小區應配置設定給小小區的無線資 源量， （2）确定配對使用者終端和小站的關聯規則。上述幹擾消除技術多用于集中式多小 區無線資源管理（RRM，Radio Resource Management）。

原則上，LTE 網絡中的多小區 RRM 可以通過集中式或分散式方式實作[69, 70]。集中 式多單元 RRM 需要一個額外的網元以執行多個小區之間的聯合優化，如 eICIC[71]。或者沒有附加的中心式 RRM 實體，分散式多小區 RRM 可以通過小區間交換消息來實作與集 中式多小區 RRM 相同的性能，并且通過使每個小區基于從其相鄰小區收集的資訊進行本 地決定。在 5G 蜂窩系統中，正在積極研究分散式多小區 RRM 技術，特别是針對平衡能 效和頻譜效率的綠色傳輸技術。在第 5 章中，将讨論密集 HetNet 的分散式無線資源管理， 包括小小區的開/關對網絡功耗和吞吐量的影響以及基于幹擾感覺信道分離的信道配置設定。

為了緩解無線網絡中的幹擾問題，CoMP 傳輸解決方案被提出，也稱為網絡 MIMO。 網絡 MIMO 可以分為 3 種類型：聯合傳輸、協調排程和協調波束成形。聯合傳輸網絡 MIMO 處理 CSI 和相鄰基站的資料，但協調排程和協調波束成形網絡 MIMO 隻需要共享 CSI。對于網絡 MIMO 在交換 CSI 和在協作基站之間傳輸資料，高速可靠的回程連接配接是 很重要的。所有這些基站合作技術旨在減少小區間幹擾。在協同基站的幫助下，可以顯 著提高小區邊緣的信号品質，因為所有潛在的幹擾發射源都在不同的方向傳輸，甚至成 為輔助信道。此外，網絡 MIMO 也被應用于協調宏小區和小小區[72]。第 11 章将詳細讨 論 CoMP 傳輸、幹擾對齊[73]和對接收機協作的計算和轉發[74]。

第 12 章将介紹實體層（PHY，Physical Layer）緩存的無線緩存技術[75, 76]。在 PHY 緩存中，當幾個相鄰基站具有不同使用者所需的相同内容時，有多種益處。特别地，基站 可以使用緩存引發的機會性 CoMP 來為使用者服務。當發射機的全局 CSIT（CSI at the Transmitter）可用時，可以減輕不同使用者之間的幹擾，并且存在空間複用增益。此外，當 全局 CSIT 不可用時，PHY 緩存仍然可以通過利用機會性合作空間的多樣性來提高可靠 性。第 12 章将介紹 PHY 緩存的基本概念、設計挑戰、解決方案和緩存内容放置算法。

1.12 能量收集通信