IoT、M2M和D2D | 带你读《5G系统关键技术详解》之四

第 1 章 5G 系统新技术的概况

1.9 移动数据分流、非授权频段LTE和智能数据定价

1.10 IoT、M2M和D2D

现有的无线网络和 LTE 系统需要满足人性化（H2H，Human-to-Human）通信，目的 是支持低接入延迟和高吞吐量的语音和多媒体传输。另外两个重塑无线通信产业的主要 趋势：M2M 通信和物联网[66, 67]。M2M 系统是一个由大量设备组成的网络，通过很少或 没有人为干预的通信来完成特定任务。M2M 通信能够实现物联网，可以根据需要或周期 性地建立无处不在的连接。一些物联网对象具有与环境交互并收集数据的感测功能。根 据思科的预测[1]，M2M 连接将从 2015 年的 6.04 亿增长到 2020 年的 31 亿。一个 IoT 对 象，如家用电器、监控摄像机、智能电表、车辆或设备，是可以被分配唯一标识符（ID， Identifier）的。物联网的应用包括卫生系统中的生命体征监测，智能交通系统中的远程安 全感测、货运管理和跟踪以及智能城市的监控。

由于许多 IoT 物体是通过电池供电的，因此，低功率通信至关重要。ZigBee、蓝 牙和 Wi-Fi 等技术可以为物联网系统中的短距离通信提供低成本的解决方案。许可频 段中的 IoT 通信对提高网络覆盖率、将 IoT 应用扩展到郊区或关键任务环境以及增强 通信安全性至关重要。LTE 和 LTE-Advanced 都可以提供可靠的通信和高速数据传输。 它们还可以支持物联网对象的移动性。5G 移动网络是未来物联网系统有前景的通信 平台。M2M 和 IoT 应用具有几个不同的特征，包括低移动性、低容量且不频繁的数 据传输、小数据负载以及特定位置触发。支持物联网对当前无线系统的发展至关重要。 国际电信联盟将机器类型通信（MTC，Machine Type Communications）分为两类：第 一类是大规模 MTC（mMTC，massive MTC），其特征在于具有高的连接密度，即可 以在单位面积内部署大量的低成本和低功率的 MTC 设备；第二类是超可靠的低延迟 通信（uRLLC，ultra-Reliable Low-Latency Communications），这需要严格的实时延迟 限制的可靠数据传输。3GPP 正在制订一种有效支持 MTC 和 IoT 通信会话的标准。例 如，提出了窄带物联网（NB-IoT，Narrowband IoT）以实现 MTC 设备的低成本、低 功率、扩展覆盖的连接。对 5G 无线蜂窝系统中大规模物联网设备的设计问题和解决 方案将在第 17 章中讨论。

MTC 设备的大量并发数据传输可能导致网络拥塞的发生。一般来说，MTC 可能导 致无线接入网和核心网拥塞。当许多 MTC 设备同时访问相同的基站时，无线接入网络拥塞通常发生在特定小区的覆盖区域中。当大量 MTC 设备将消息从许多基站传送到单个 MTC 服务器时，可能导致核心网络的拥塞。核心网络拥塞可能导致无法忍受的延迟、分 组丢失和服务中断。18 章将详细讨论 M2M 通信网络架构、MAC 设计和拥塞控制。

D2D 通信是增强下一代无线通信系统的系统容量的、有前景的技术。D2D 通信能够 在短的传输距离上实现两个用户之间的直接链路，而不通过宏小区基站路由数据，从而 降低所消耗的传输功率。宏小区基站可以向设备发送控制信号，其中包含对 D2D 通信的 功率控制和信道分配的指令。D2D 通信的另一个优点是 D2D 可以重用宏小区的可用频谱。 由于具有频谱效率高、能耗低、覆盖全面的优点，D2D 通信已经应用于公共安全、广告和 车载通信网络。19 章将讨论 D2D 通信系统的能量收集。应用随机几何分析技术来研究用 户密度和接入点密度对 D2D 网络能量收集的影响，并将介绍传输模式选择策略。

1.11 无线资源管理、干扰缓解和缓存

5G 无线网络的更多频谱、更高的频谱效率和更密集的小区站点是实现千倍容量改进 目标的关键[5]。因为空间密集可以提供显著的频谱效率增益，近来小小区引起了相当多的 关注[4]。然而，小小区的容量增益是以严重的小区间干扰和复杂的干扰情况为代价的。为 了同时满足容量增强和覆盖扩展，3GPP LTE-Advanced 专注于异构网络（HetNet， Heterogeneous Networks），其中，宏小区和小小区的协调在同一覆盖区域共存。为此，为 LTE-Advanced 异构网络指定了 eICIC 技术以支持两种功能：范围扩展和资源分区。前者 通过引入小区选择允许更多的用户终端从小小区受益，后者通过分配几乎空白的子帧来 帮助减轻宏小区和一些小小区之间的干扰。具体来说，几乎空白的子帧被定义为宏小区 时域中的空子帧。由于没有来自宏小区的干扰，小小区可以在几乎空白的子帧中更快地 发送数据。尽管宏蜂窝用户的容量有损失，但小小区的容量增益使得在单个宏小区的覆 盖地区，整个系统的容量仍有所改善。在参考文献[68]中，提出了具有 eICIC 的 LTE 异 构网络的资源分配算法以处理两个重要问题： （1）确定宏小区应分配给小小区的无线资 源量， （2）确定配对用户终端和小站的关联规则。上述干扰消除技术多用于集中式多小 区无线资源管理（RRM，Radio Resource Management）。

原则上，LTE 网络中的多小区 RRM 可以通过集中式或分散式方式实现[69, 70]。集中 式多单元 RRM 需要一个额外的网元以执行多个小区之间的联合优化，如 eICIC[71]。或者没有附加的中心式 RRM 实体，分散式多小区 RRM 可以通过小区间交换消息来实现与集 中式多小区 RRM 相同的性能，并且通过使每个小区基于从其相邻小区收集的信息进行本 地决定。在 5G 蜂窝系统中，正在积极研究分散式多小区 RRM 技术，特别是针对平衡能 效和频谱效率的绿色传输技术。在第 5 章中，将讨论密集 HetNet 的分散式无线资源管理， 包括小小区的开/关对网络功耗和吞吐量的影响以及基于干扰感知信道分离的信道分配。

为了缓解无线网络中的干扰问题，CoMP 传输解决方案被提出，也称为网络 MIMO。 网络 MIMO 可以分为 3 种类型：联合传输、协调调度和协调波束成形。联合传输网络 MIMO 处理 CSI 和相邻基站的数据，但协调调度和协调波束成形网络 MIMO 只需要共享 CSI。对于网络 MIMO 在交换 CSI 和在协作基站之间传输数据，高速可靠的回程连接是 很重要的。所有这些基站合作技术旨在减少小区间干扰。在协同基站的帮助下，可以显 著提高小区边缘的信号质量，因为所有潜在的干扰发射源都在不同的方向传输，甚至成 为辅助信道。此外，网络 MIMO 也被应用于协调宏小区和小小区[72]。第 11 章将详细讨 论 CoMP 传输、干扰对齐[73]和对接收机协作的计算和转发[74]。

第 12 章将介绍物理层（PHY，Physical Layer）缓存的无线缓存技术[75, 76]。在 PHY 缓存中，当几个相邻基站具有不同用户所需的相同内容时，有多种益处。特别地，基站 可以使用缓存引发的机会性 CoMP 来为用户服务。当发射机的全局 CSIT（CSI at the Transmitter）可用时，可以减轻不同用户之间的干扰，并且存在空间复用增益。此外，当 全局 CSIT 不可用时，PHY 缓存仍然可以通过利用机会性合作空间的多样性来提高可靠 性。第 12 章将介绍 PHY 缓存的基本概念、设计挑战、解决方案和缓存内容放置算法。

1.12 能量收集通信