5G是業(yè)界的熱門詞匯。這是下一代移動(dòng)技術(shù)。它不僅涉及高數(shù)據(jù)速率，而且是一個(gè)技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)，可以滿足各種用例和需求。這將影響許多行業(yè)，企業(yè)和人們的生活。mMTC或大規(guī)模機(jī)器類型通信（mMTC）是5G的一個(gè)非常重要的方面。

5G功能和服務(wù)

眾所周知，5G將處理許多用例和需求。所有這些都可以歸為以下三種服務(wù)之一：

EMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）–它具有超過10 Gbps數(shù)量級的高數(shù)據(jù)吞吐量，是LTE的1000倍以上的高系統(tǒng)容量，并且頻譜效率比LTE高（是LTE的3-4倍） LTE）。它的用例是高速移動(dòng)寬帶，虛擬現(xiàn)實(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，游戲等。

URLLS（超可靠的低延遲服務(wù)）–專注于低延遲，高可靠性和高可用性方面。期望的等待時(shí)間少于1毫秒，可用性為99.9999％。這基本上是針對關(guān)鍵任務(wù)用例和應(yīng)用程序的。

mMTC（大型機(jī)器類型的通信）–旨在為流量配置文件通常為少量數(shù)據(jù)（散布）的大量設(shè)備提供連接。因此，延遲和吞吐量不是大問題。主要關(guān)注的是這些設(shè)備的最佳電源利用率，因?yàn)樗鼈冇呻姵毓╇姡⑶翌A(yù)期電池壽命約為10年左右。

MTC：機(jī)器類通信

它也稱為IoT，基本上是指無需人工干預(yù)即可連接設(shè)備。這些設(shè)備通常會(huì)生成一些發(fā)送到云服務(wù)器的數(shù)據(jù)，以對其進(jìn)行分析并采取相應(yīng)措施。這些設(shè)備可以是健身帶，智能手表，已連接的家用電器，智能燈等。此類設(shè)備正在通過MTC連接。

說到MTC，已經(jīng)有很多技術(shù)相互競爭以提供服務(wù)。這些技術(shù)可以分為兩組：非3GPP MTC和3GPP MTC技術(shù)。

非3GPP或?qū)Ｓ?–也稱為LPWAN。流行的非-3GPP MTC技術(shù)包括ZigBee，LoRa，Ingenu，Sigfox和Weightless。這些技術(shù)使用未經(jīng)許可的頻譜，從而使價(jià)格更便宜（在成本方面）。它們的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在世界范圍內(nèi)不存在，僅在某些位置存在，并且沒有3GPP標(biāo)準(zhǔn)化。使用開放或?qū)Ｓ袠?biāo)準(zhǔn)，但是由于它們已經(jīng)存在了一段時(shí)間，因此它們具有某種先發(fā)優(yōu)勢。

3GPP MTC技術(shù)（2G和4G）–在3GPP組中，我們擁有三種主要技術(shù)：

EC-GSM（擴(kuò)展覆蓋范圍GSM）：這是GSM的升級版本，適合基于IoT的場景需求。

LTE-M：也稱為Emtc（增強(qiáng)型MTC），Cat M（類別M）是LTE的低帶寬和低吞吐量變體。它工作在1.4MHz頻譜。它提供了良好的吞吐量和移動(dòng)性。

NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）：它也是從LTE演進(jìn)而來的，是一種全新的技術(shù)。它具有完全不同的物理層。它針對MTC設(shè)備所需的低吞吐量，零星種類的數(shù)據(jù)通信進(jìn)行了優(yōu)化。它的USP在部署方面提供了很多靈活性。它具有三種模式：

帶內(nèi)：在此模式下，可以將NB-IoT部署在LTE小區(qū)的物理資源塊之一中。

保護(hù)帶：在此模式下，可以將其部署在兩個(gè)LTE載波之間的保護(hù)帶中。

獨(dú)立：在此模式下，它可以部署在GSM頻率的載波之一中。從部署的角度來看，它具有很大的靈活性。

上述技術(shù)使用許可頻譜，因此它們比非3GPP的成本稍高。但是好處是，蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)遍布全球。除此之外，它們還受3GPP標(biāo)準(zhǔn)的控制，這使它們在互操作性方面非常有利可圖。

對mMTC技術(shù)的需求

現(xiàn)有技術(shù)存在一些缺點(diǎn)，可以在新一代技術(shù)中加以改進(jìn)。

本技術(shù)僅關(guān)注某些特定的用例，而不是全部。

它們無法滿足新領(lǐng)域（如聯(lián)網(wǎng)汽車，工業(yè)自動(dòng)化等）的延遲和可靠性要求。到目前為止，對于NB-IoT和Cat M，每個(gè)小區(qū)的設(shè)備數(shù)量為40000 -50000。在5G網(wǎng)絡(luò)中，這個(gè)數(shù)字可以達(dá)到每個(gè)單元多達(dá)100萬個(gè)設(shè)備，在全球范圍內(nèi)可以達(dá)到500億個(gè)設(shè)備。

這些技術(shù)是從LTE演進(jìn)而來的，最初LTE不是為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的。因此，它們并未針對諸如小數(shù)據(jù)包，零星傳輸，以上行鏈路為中心的傳輸，功率優(yōu)化等物聯(lián)網(wǎng)特定特性進(jìn)行優(yōu)化。

5G MTC

由于這些技術(shù)本身已經(jīng)發(fā)生了許多演進(jìn)，因此可以說5G的初始階段將僅包括NB-IoT和Cat M的演進(jìn)。適當(dāng)?shù)?G MTC技術(shù)可能會(huì)在以后出現(xiàn)。

5G MTC的標(biāo)準(zhǔn)化仍在進(jìn)行中，并將成為第二階段的一部分。它會(huì)包含在3GPP規(guī)范第16版本中。

它有兩個(gè)方面：

mMTC為大量設(shè)備和與延遲無關(guān)的應(yīng)用程序提供了可擴(kuò)展的連接性。并且應(yīng)該針對小數(shù)據(jù)包，零星傳輸和以上行鏈路為中心的活動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化。典型的用例是電表，連接的家用電器，連接的健身帶，智能手表等。

uMTC或超可靠的機(jī)器類型通信專注于可靠性和低延遲。典型的用例是自動(dòng)化行業(yè)，聯(lián)網(wǎng)汽車，遠(yuǎn)程手術(shù)等。

mMTC的特征

從設(shè)備傳輸?shù)男?shù)據(jù)包通常為幾個(gè)字節(jié)（10字節(jié)，20字節(jié)）

設(shè)備數(shù)量龐大（每個(gè)單元300，000-10億個(gè)設(shè)備）

主要是上行傳輸

用戶數(shù)據(jù)速率低，每位用戶約10 kb / s

零星的用戶活動(dòng)（設(shè)備將很少隨機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)）

設(shè)備低復(fù)雜度和成本

最佳的電源使用方式和較長的電池壽命

mMTC面臨的挑戰(zhàn)

需要一個(gè)通用框架，該框架可以處理所有MTC用例（與時(shí)延無關(guān)，對延遲敏感的等等）。

當(dāng)前的數(shù)據(jù)包大小，信道估計(jì)導(dǎo)頻，鏈路自適應(yīng)機(jī)制不適合MTC。當(dāng)前的協(xié)議更適合于更長的會(huì)話和更大的數(shù)據(jù)包。

小包有其自身的挑戰(zhàn)。由于數(shù)據(jù)量較小，因此必須以更精細(xì)的粒度進(jìn)行無線電資源分配。并且當(dāng)前的信道編碼方案對于小的數(shù)據(jù)分組是無效的。

低效的控制信令：在發(fā)送數(shù)據(jù)之前發(fā)生了許多控制信令。

它將需要處理大量以不協(xié)調(diào)的方式偶爾訪問網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。

覆蓋范圍增強(qiáng)。這是設(shè)備能夠在不良信號條件下工作的能力。

控制信令優(yōu)化

它涉及將各種協(xié)議過程集成到leser過程中。LTE接入和數(shù)據(jù)傳輸涉及以下步驟：

隨機(jī)訪問資源分配àRRC連接設(shè)置à認(rèn)證àNAS級別安全à訪問級別安全à數(shù)據(jù)承載設(shè)置à數(shù)據(jù)傳輸。

因此，在最終數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生之前發(fā)生了很多信令，這可能是非常小的數(shù)量（10 – 20字節(jié)）。我們可能僅針對10個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送100個(gè)字節(jié)的控制信息。因此，這是可以進(jìn)行優(yōu)化的領(lǐng)域。

一種潛在的優(yōu)化解決方案是將信令流的各個(gè)步驟組合為更少的步驟，例如將身份驗(yàn)證和安全性與初始訪問和RRC連接設(shè)置相結(jié)合。它的一個(gè)重要方面是它是基于簽名的訪問。這樣，每個(gè)UE向網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)送唯一地標(biāo)識(shí)該UE的簽名。因此，可以從簽名本身對UE進(jìn)行身份驗(yàn)證。

簽名基本上是每個(gè)設(shè)備唯一的前同步碼序列，因?yàn)樗鞘褂迷撛O(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)創(chuàng)建的。因此，減少信令流導(dǎo)致更好的頻譜效率，降低設(shè)備的功率利用率。

高效的初始訪問

初始訪問是可以針對mMTC優(yōu)化的領(lǐng)域。一些建議的技術(shù)是：

設(shè)備側(cè)的非正交多路訪問（NOMA）

網(wǎng)絡(luò)端的多用戶檢測

免費(fèi)提供一發(fā)傳輸

在正交多路訪問中，對于每個(gè)無線電資源，只能要求一個(gè)設(shè)備進(jìn)行傳輸。從接收的角度來看，沒有用戶之間的沖突/干擾。但是，當(dāng)我們擁有大量設(shè)備且無線電資源有限時(shí)，從頻譜效率的角度來看，這可能不是最佳選擇。

在非正交多路訪問中，我們故意將相同的資源提供給多個(gè)用戶，并在電源域中對它們進(jìn)行多路復(fù)用。它們的傳輸在功率域中是分開的。如果多個(gè)用戶在同一資源上進(jìn)行傳輸，則它們必然會(huì)產(chǎn)生沖突。沖突通過連續(xù)的干擾消除技術(shù)在接收器端得到解決，這導(dǎo)致了接收器端的多用戶檢測。因此，這種機(jī)制肯定會(huì)導(dǎo)致接收器更加復(fù)雜，但會(huì)提供很好的資源利用，這是mMTC所需要的。

設(shè)備上的NOMA，基站上的SIC

在非正交多址訪問中發(fā)生的情況是，兩個(gè)設(shè)備以不同的傳播延遲在功率上有顯著差異的情況下傳輸?shù)交尽Ｔ诨荆覀兘邮盏絻蓚€(gè)信號-一個(gè)信號功率較高，另一個(gè)信號功率較低。然后，基站通過使用連續(xù)的干擾消除來一對一地提取兩個(gè)設(shè)備的信號。

LTE：多級訪問協(xié)議

這是對LTE的初始訪問。有一個(gè)訪問通知à資源授予/分配à爭用解決à數(shù)據(jù)傳輸。

這里有一個(gè)優(yōu)化的范圍，并為此提出了一種新的機(jī)制，稱為一級訪問協(xié)議。

一級訪問協(xié)議：它具有免費(fèi)授予的訪問權(quán)限（對所有設(shè)備都授予公共授予）。沖突的解決是通過相繼的干擾消除在基站發(fā)生的。總之，從設(shè)備的角度來看，這是短得多的信令，并為我們提供了低延遲，更好的頻譜效率和功率利用率。

覆蓋范圍擴(kuò)展

基本上，設(shè)備可以在信號不好的地方（例如地下室）工作。為此，上行鏈路或下行鏈路中的每次傳輸都重復(fù)幾次，以提高接收機(jī)會(huì)。

Cat M和NB-IoT中存在CE級別或Coverage Extension級別，并且也可以擴(kuò)展到5G。它基于設(shè)備上信號的接收級別。設(shè)備傳輸?shù)闹貜?fù)次數(shù)將取決于CE級別。如果正常，則可能有8次重復(fù)。

如果我們具有基于授予的訪問權(quán)限，則該機(jī)制非常好，其中網(wǎng)絡(luò)將與設(shè)備進(jìn)行通信以告知需要重復(fù)多少次。因此，網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備都知道將執(zhí)行多少次重復(fù)，最后，網(wǎng)絡(luò)將確認(rèn)其是否正確接收。

但是，在授予免費(fèi)訪問權(quán)限的過程中，設(shè)備會(huì)隨機(jī)選擇資源并將其發(fā)送。設(shè)備將計(jì)算自己的CE級別，并且網(wǎng)絡(luò)不知道設(shè)備將要進(jìn)行多少次重復(fù)（因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)尚未與設(shè)備進(jìn)行通信）。這會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備之間的混亂。

解決方案

以上問題有一種解決方案。當(dāng)從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將決定設(shè)備重復(fù)次數(shù)的CE級別加擾（即，放置與CE級別相對應(yīng)的序列）。

在解擾步驟中，網(wǎng)絡(luò)能夠知道設(shè)備的CE級別，并且知道設(shè)備將要進(jìn)行多少次重復(fù)。因此，沒有混亂，一切都很好。
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