本文內容摘自：C.Bockelmann etc., “Towards Massive Connectivity Support for Scalable mMTC Communications in 5G Networks,”IEEE Access,2018.

目錄

1、mMTC面臨挑戰

儘管現有通訊系統可以支援很多MTC應用，但mMTC所具有的一些特性，例如接入裝置數量巨大，載荷長度非常小等，都需要新的方法和定義，使得蜂窩系統能夠無縫地支援mMTC業務與其它業務的融合。

物理層挑戰

• 控制信令挑戰：現有的LTE標準中，當處於空閒狀態的MTD想要傳送一個單獨的短包時，在MTD、eNodeB和核心網路之間就會有大量的信令交換。因此傳送位元的總數中控制資訊佔了大頭，實際傳送的資料變得可以忽略不計。因此，5G系統必須通過新穎的MAC和PHY設計，來提供低開銷的資料傳輸模式。此外，迫切需要更高層的增強技術，例如無線資源控制信令，來降低空閒使用者重新連線和重新認證時的開銷。最後，應該考慮在控制平面上傳輸小資料包的方法。

• 接入容量限制：在LTE中，當系統處於空閒模式時，訪問系統或重新連線的第一步是接入預留協議。由於在物理層（PHY）和介質訪問（MAC）層中沒有特定的衝突解決過程，LTE接入預留協議的吞吐量嚴重退化。因此，為了能夠支援大量裝置的接入，5G系統必須至少通過新穎的MAC和PHY設計來增強接入預留協議。

• 功率消耗：由於MTD通常是電池供電的，因而需要10年以上的自主性。為此，接入和通訊方案都應該是功率有效的。這個挑戰還與連線的型別有關：通常考慮的是UL觸發（移動發起）業務或者DL業務（網路發起的通訊）。例如，在SigFox模型中，通訊總是由UL的請求來觸發，這從功耗角度來講是有利的（不需要喚醒尋呼通道）。

• 多業務整合：LTE主要關注MBB業務，併為這些業務使用單幀定義和公共控制通道。為了實現不同需求業務的共存，5G需要包括靈活的幀定義、魯棒的波形和靈活的控制通道設計，以允許動態頻寬共享和不同的PHY/MAC方法。在圖1中提供了一個關於頻率、時間和空間資源的多業務整合的例子。

系統級考慮

當所研究的場景擴充套件到具有許多小區的拓撲結構，並將更高層功能考慮在內時，就會出現幾個系統級的考慮。此外，系統級場景可以包括兩個或多個小區之間的協作功能(例如，通過使用X2介面)，例如協作的功率控制和移動性。在這樣的環境中，可以總結出mMTC的主要系統級問題：a)小區間干擾；b)功率控制；c)幀結構；d)非同步傳輸引起的小區內干擾。

在存在多個小區的場景中，在小區內和小區間裝置中都出現干擾。小區內干擾在競爭情況下出現，因此對於mMTC接入協議而言，干擾出現出現在多級和兩級接入協議的接入通知階段，或者在一級接入協議的接入/資料混合階段。相反，不論選擇什麼樣的接入協議，小區間干擾可能出現在系統的任何階段，包括接入、連線建立和資料階段。

在具有單個小區的mMTC場景中，功率控制機制旨在最小化裝置之間的干擾(小區內干擾)，並提高功率效率以確保更長的電池壽命。在多小區場景中，除了上述功能之外，功率控制機制還旨在最小化小區間干擾。

關於鬆散的上行鏈路同步，具有零星上行鏈路資料的mMTC裝置的一個主要限制是它們使用下行鏈路進行同步。這在小到中等大小的小區環境（例如，站點間距離500 m）和具有低延遲擴充套件值的通道實現的情況下不是主要問題，因為在這些情況下，迴圈字首（CP）的使用補償了時間偏差。但是，在大蜂窩(例如，站點間距離>1500m)的情況下，對於具有高延遲擴充套件的通道，偏差可以變得更大，特別是對於遠離基站的裝置，並且可以超過選擇的CP值。在這種情況下，傳輸被認為是與檢測視窗非同步的，並且對頻率相鄰的傳輸產生干擾。這種干擾的功率受各種引數的影響(例如，兩個突發的大小、它們之間是否存在保護帶等)。在FANTASTIC-5G中，提出了一組新的波形，這些波形可以限制和在某些情況下消除由於非同步引起的干擾效應[12]，[13]。

2、mMTC研究現狀

儘管旨在支援商業通訊系統中的mMTC，但目前的系統僅能支援mMTC需求的一部分。有一些解決方案中已經提供了小的載荷包和擴充套件覆蓋。然而，支援大量裝置訪問的問題還沒有得到解決。下面，我們將簡要概述當前可用的或正在開發的mMTC系統，包括3GPP系統和非3GPP系統。

非3GPP低功率廣域網

LoRA是低功耗廣域網(LPWAN)，通常以星形拓撲佈局，其中閘道器在終端裝置和網路後端的中央網路伺服器之間中繼訊息。終端裝置和閘道器之間的通訊在不同的頻率通道和資料速率上展開。資料速率的選擇是在通訊範圍和通過自適應資料速率方案提供0.3kbps到50kbps範圍的訊息持續時間之間的權衡。該接入基於專用的基於啁啾的擴頻方案，MAC協議基於頻率和時間ALOHA。LoRA在亞GHz波段執行，供應商聲稱覆蓋範圍在農村地區為10-15公里，在城市地區為3-5公里。

SigFox也是支援不頻繁雙向通訊的LPWAN，採用超窄帶（UNB）無線調製作為接入技術，採用的MAC協議是基於頻率和時間的ALOHA。更高層協議是專有的且其定義不公開。在農村地區覆蓋30-50公里，市區為3-10公里。

IEEE 802.11ah是一種廣域網，能夠實現低功耗和長距離的傳輸。IEEE 802.11ah的工作頻率低於1GHz，允許單個接入點(AP)向不超過1公里的區域提供服務。PHY和MAC協議類似於802.11系列協議，隨著受限的訪問視窗的引入而擴充套件，在此期間僅允許特定數量的裝置基於它們的裝置ID進行競爭[16]。

在IEEE 802.15.46LoWPAN、ISA100.11a、WirelessHart之上,還有其他網路系統，這些網路系統專注於低數量的裝置，同時提供可靠性保證。最後，還有其他網路系統，它們有自己的協議棧，例如Ingenu和Weightless。

上述系統的物理層技術相對簡單，因此無法為大量的活躍裝置提供服務。

• 3GPP低功率廣域網

直到最近，MTD的服務仍然基於2G。隨著上述非3GPP系統的成功，行動通訊產業決定加速MTC解決方案，並在2016年實現標準化，其目標是在LTE中引入新的特徵來支援IOT類的裝置，這些新特徵包括：

低成本接收裝置

長電池壽命

比LTE-A擴充套件的覆蓋範圍(+15dB)

為了滿足上述三個要求，有如下設計選擇：

單天線設計

半雙工傳輸

窄帶接收

降低峰值功率

有限MCS和有限發射模式

低傳送功率

擴充套件DRX以及新的節能模式

發射重複

到3GPP的Release 13，共支援三種IoT裝置：Cat-M1, NB-IoT(NB1)，以及EC-GSM。