5G mMTC的挑战与解决方案

5G是业界的热门词汇。这是下一代移动技术。它不仅涉及高数据速率，而且是一个技术生态系统，可以满足各种用例和需求。这将影响许多行业，企业和人们的生活。mMTC或大规模机器类型通信（mMTC）是5G的一个非常重要的方面。

5G功能和服务

众所周知，5G将处理许多用例和需求。所有这些都可以归为以下三种服务之一：

EMBB（增强型移动宽带）–它具有超过10 Gbps数量级的高数据吞吐量，是LTE的1000倍以上的高系统容量，并且频谱效率比LTE高（是LTE的3-4倍） LTE）。它的用例是高速移动宽带，虚拟现实，增强现实，游戏等。

URLLS（超可靠的低延迟服务）–专注于低延迟，高可靠性和高可用性方面。期望的等待时间少于1毫秒，可用性为99.9999％。这基本上是针对关键任务用例和应用程序的。

mMTC（大型机器类型的通信）–旨在为流量配置文件通常为少量数据（散布）的大量设备提供连接。因此，延迟和吞吐量不是大问题。主要关注的是这些设备的最佳电源利用率，因为它们由电池供电，并且预期电池寿命约为10年左右。

MTC：机器类通信

它也称为IoT，基本上是指无需人工干预即可连接设备。这些设备通常会生成一些发送到云服务器的数据，以对其进行分析并采取相应措施。这些设备可以是健身带，智能手表，已连接的家用电器，智能灯等。此类设备正在通过MTC连接。

说到MTC，已经有很多技术相互竞争以提供服务。这些技术可以分为两组：非3GPP MTC和3GPP MTC技术。

非3GPP或专有 –也称为LPWAN。流行的非-3GPP MTC技术包括ZigBee，LoRa，Ingenu，Sigfox和Weightless。这些技术使用未经许可的频谱，从而使价格更便宜（在成本方面）。它们的基础结构在世界范围内不存在，仅在某些位置存在，并且没有3GPP标准化。使用开放或专有标准，但是由于它们已经存在了一段时间，因此它们具有某种先发优势。

3GPP MTC技术（2G和4G）–在3GPP组中，我们拥有三种主要技术：

EC-GSM（扩展覆盖范围GSM）：这是GSM的升级版本，适合基于IoT的场景需求。

LTE-M：也称为Emtc（增强型MTC），Cat M（类别M）是LTE的低带宽和低吞吐量变体。它工作在1.4MHz频谱。它提供了良好的吞吐量和移动性。

NB-IoT（窄带物联网）：它也是从LTE演进而来的，是一种全新的技术。它具有完全不同的物理层。它针对MTC设备所需的低吞吐量，零星种类的数据通信进行了优化。它的USP在部署方面提供了很多灵活性。它具有三种模式：

带内：在此模式下，可以将NB-IoT部署在LTE小区的物理资源块之一中。

保护带：在此模式下，可以将其部署在两个LTE载波之间的保护带中。

独立：在此模式下，它可以部署在GSM频率的载波之一中。从部署的角度来看，它具有很大的灵活性。

上述技术使用许可频谱，因此它们比非3GPP的成本稍高。但是好处是，蜂窝网络基础设施已经遍布全球。除此之外，它们还受3GPP标准的控制，这使它们在互操作性方面非常有利可图。

对mMTC技术的需求

现有技术存在一些缺点，可以在新一代技术中加以改进。

本技术仅关注某些特定的用例，而不是全部。

它们无法满足新领域（如联网汽车，工业自动化等）的延迟和可靠性要求。到目前为止，对于NB-IoT和Cat M，每个小区的设备数量为40000 -50000。在5G网络中，这个数字可以达到每个单元多达100万个设备，在全球范围内可以达到500亿个设备。

这些技术是从LTE演进而来的，最初LTE不是为物联网设计的。因此，它们并未针对诸如小数据包，零星传输，以上行链路为中心的传输，功率优化等物联网特定特性进行优化。

5G MTC

由于这些技术本身已经发生了许多演进，因此可以说5G的初始阶段将仅包括NB-IoT和Cat M的演进。适当的5G MTC技术可能会在以后出现。

5G MTC的标准化仍在进行中，并将成为第二阶段的一部分。它会包含在3GPP规范第16版本中。

它有两个方面：

mMTC为大量设备和与延迟无关的应用程序提供了可扩展的连接性。并且应该针对小数据包，零星传输和以上行链路为中心的活动进行优化。典型的用例是电表，连接的家用电器，连接的健身带，智能手表等。

uMTC或超可靠的机器类型通信专注于可靠性和低延迟。典型的用例是自动化行业，联网汽车，远程手术等。

mMTC的特征

从设备传输的小数据包通常为几个字节（10字节，20字节）

设备数量庞大（每个单元300,000-10亿个设备）

主要是上行传输

用户数据速率低，每位用户约10 kb / s

零星的用户活动（设备将很少随机发送数据）

设备低复杂度和成本

最佳的电源使用方式和较长的电池寿命

mMTC面临的挑战

需要一个通用框架，该框架可以处理所有MTC用例（与时延无关，对延迟敏感的等等）。

当前的数据包大小，信道估计导频，链路自适应机制不适合MTC。当前的协议更适合于更长的会话和更大的数据包。

小包有其自身的挑战。由于数据量较小，因此必须以更精细的粒度进行无线电资源分配。并且当前的信道编码方案对于小的数据分组是无效的。

低效的控制信令：在发送数据之前发生了许多控制信令。

它将需要处理大量以不协调的方式偶尔访问网络的设备。

覆盖范围增强。这是设备能够在不良信号条件下工作的能力。

控制信令优化

它涉及将各种协议过程集成到leser过程中。LTE接入和数据传输涉及以下步骤：

随机访问资源分配àRRC连接设置à认证àNAS级别安全à访问级别安全à数据承载设置à数据传输。

因此，在最终数据传输发生之前发生了很多信令，这可能是非常小的数量（10 – 20字节）。我们可能仅针对10个字节的数据发送100个字节的控制信息。因此，这是可以进行优化的领域。

一种潜在的优化解决方案是将信令流的各个步骤组合为更少的步骤，例如将身份验证和安全性与初始访问和RRC连接设置相结合。它的一个重要方面是它是基于签名的访问。这样，每个UE向网络侧发送唯一地标识该UE的签名。因此，可以从签名本身对UE进行身份验证。

签名基本上是每个设备唯一的前同步码序列，因为它是使用该设备的唯一标识创建的。因此，减少信令流导致更好的频谱效率，降低设备的功率利用率。

高效的初始访问

初始访问是可以针对mMTC优化的领域。一些建议的技术是：

设备侧的非正交多路访问（NOMA）

网络端的多用户检测

免费提供一发传输

在正交多路访问中，对于每个无线电资源，只能要求一个设备进行传输。从接收的角度来看，没有用户之间的冲突/干扰。但是，当我们拥有大量设备且无线电资源有限时，从频谱效率的角度来看，这可能不是最佳选择。

在非正交多路访问中，我们故意将相同的资源提供给多个用户，并在电源域中对它们进行多路复用。它们的传输在功率域中是分开的。如果多个用户在同一资源上进行传输，则它们必然会产生冲突。冲突通过连续的干扰消除技术在接收器端得到解决，这导致了接收器端的多用户检测。因此，这种机制肯定会导致接收器更加复杂，但会提供很好的资源利用，这是mMTC所需要的。

设备上的NOMA，基站上的SIC

在非正交多址访问中发生的情况是，两个设备以不同的传播延迟在功率上有显着差异的情况下传输到基站。在基站，我们接收到两个信号-一个信号功率较高，另一个信号功率较低。然后，基站通过使用连续的干扰消除来一对一地提取两个设备的信号。

LTE：多级访问协议

这是对LTE的初始访问。有一个访问通知à资源授予/分配à争用解决à数据传输。

这里有一个优化的范围，并为此提出了一种新的机制，称为一级访问协议。

一级访问协议：它具有免费授予的访问权限（对所有设备都授予公共授予）。冲突的解决是通过相继的干扰消除在基站发生的。总之，从设备的角度来看，这是短得多的信令，并为我们提供了低延迟，更好的频谱效率和功率利用率。

覆盖范围扩展

基本上，设备可以在信号不好的地方（例如地下室）工作。为此，上行链路或下行链路中的每次传输都重复几次，以提高接收机会。

Cat M和NB-IoT中存在CE级别或Coverage Extension级别，并且也可以扩展到5G。它基于设备上信号的接收级别。设备传输的重复次数将取决于CE级别。如果正常，则可能有8次重复。

如果我们具有基于授予的访问权限，则该机制非常好，其中网络将与设备进行通信以告知需要重复多少次。因此，网络和设备都知道将执行多少次重复，最后，网络将确认其是否正确接收。

但是，在授予免费访问权限的过程中，设备会随机选择资源并将其发送。设备将计算自己的CE级别，并且网络不知道设备将要进行多少次重复（因为网络尚未与设备进行通信）。这会导致网络和设备之间的混乱。

解决方案

以上问题有一种解决方案。当从设备发送数据时，将决定设备重复次数的CE级别加扰（即，放置与CE级别相对应的序列）。

在解扰步骤中，网络能够知道设备的CE级别，并且知道设备将要进行多少次重复。因此，没有混乱，一切都很好。