機器與機器的對話：高速4G骨幹下的M2M技術

前言

「社會的發展與進步是其基本矛盾相互作用的結果，矛盾雙方相互對立，相互促進，達到辯證統一。」行動通訊技術發展遵循同樣的規律，而「業務產品與使用者的快速發展與網路承載能力限制之間的矛盾」是行動通訊技術發展的基本矛盾，也正因此將行動通訊技術由第一代向第四代的快速推進提供了內在動力，而且矛盾越嚴重，行動通訊技術發展、更新的速度就會越快。以LTE/LTEAdvanced為主的4G 行動通訊技術已經在全世界逐步商用，更低的傳輸延遲和更高的傳輸速率為日趨豐富的服務應用提供了絕佳的技術基礎和保障。在通訊技術和應用已有極大進展的今天，人們把目光放在發展相對落後的人與物和物與物之間的通訊，希望更進一步擴充現有通訊技術的應用範圍，並大幅推動社會的進步和發展，而4G 時代的來臨將為物聯網產業的進一步發展帶來契機。

近年來物聯網應用已經滲透到人類生產和生活的各方面，透過與行動網路相結合，物聯網幾乎包含了所有網路涉足的空間。但是，在物聯網產業的發展過程中，仍存在許多值得關注和解決的問題。一方面，現階段不同公司採用多種私有協定提供物聯網應用解決方案，高昂的裝置開發和部署成本必然成為物聯網產業規模化發展的桎梏；另一方面，傳統行動通訊網路是針對人與人（H2H）通訊業務設計的，而物與物（M2M）通訊在傳輸、QoS、行動性和終端分佈密度等多個方面都與H2H 通訊不同。現有行動網路在連線網、核心網路和承載網等環節均未將M2M 與H2H 通訊進行區分，而是採用混同承載模式。隨著M2M 業務規模持續擴大，M2M 業務將與H2H 業務相互影響，並對標示和傳輸等通訊網路資源造成極大壓力。現有規模龐大的2G/3G 網路投資開始遞減，全面進行網路體制改造和增強的難度較大，而以LTE/LTE-Advanced 為主的4G 行動通訊方興未艾，並正處於高速成長期。採取針對性的最佳化和增強措施，將可以相當大地提升物聯網系統的效率和適用性，並有效降低其成本，有利於電信業者的網路營運和有效控管，對物聯網產業的發展具有積極意義。

本書著眼於4G 行動通訊與物聯網的融合技術，以3GPP/CCSA 對物聯網關鍵技術的標準制定和推進為主線，結合物聯網的主要應用場景和增強需求，詳細介紹了物聯網應用在網路架構、業務管理支撐平台、承載網路和終端等多個方面增強技術的實現需求和基本原理。本書內容較為全面且深入淺出，適用於通訊電信業者、規劃設計和物聯網解決方案提供商等單位的相關技術人員參考閱讀，同時也可以作為大專院校師生和研究機構人員的參考用書。

全書共9 章。

第1 章 為行動通訊技術概述，從行動通訊技術發展的基本規律出發，重點對3G/4G 行動通訊的網路架構、關鍵技術和標準進展等方面進行簡介。

第2 章 為M2M 技術發展現狀與前景，透過綜合分析M2M 技術和標準的發展現狀及應用前景，為讀者了解支援M2M 業務的行動網路增強技術的必要性方面奠定基礎。

第3 章 為M2M 典型應用場景與解決方案，結合3GPP、ETSI 和CCSA 等國外標準化組織在對M2M 應用分析的基礎上，分別介紹了醫療監護、自動抄錶、智慧家居、智慧城市和車聯網等典型場景的應用，重點對其定義與發展現狀、應用場景和系統參考架構等方面內容介紹。

第4 章 為M2M 業務特徵與流量模型，分析了M2M 業務的通用業務和特定業務特性，分別分析H2H 和M2M 業務特徵模型和業務流量模型的建模方法，並針對典型M2M 業務提出模型建議，進一步為後續支援M2M 業務的LTE 網路最佳化技術模擬評估，奠定了良好基礎。

第5 章 為LTE 網路針對M2M 通訊的最佳化方向與需求，基於M2M 業務場景和特性，從4G 核心網路和無線連線網層面分別分析LTE 網路支援M2M通訊所涉及的定址、擁塞控制、標識、啟動和監控等方面的增強與最佳化需求，為後續增強技術方案的研究和分析明確需求和目標。

第6 章 為支援M2M 的通訊網路架構增強，基於M2M 網路的整體架構，圍繞應用層、網路/ 業務層和感知延伸層之間的有效融合，對支援M2M 業務的通訊網路架構增強方案進行分析和介紹。

第7 章 為針對M2M 的LTE 蜂巢網路連線擁塞控制技術，針對目前LTE 網路支援M2M 通訊時存在的網路擁塞問題，重點介紹了LTE 網路解決巨量M2M 終端連線的解決方案和評估結果。

第8 章 為支援M2M 通訊的LTE 網路承載控制和行動性管理最佳化技術，結合目前3GPP 標準化進展，詳細分析了LTE 網路承載控制、行動性管理和小資料傳輸等最佳化需求和解決方案。

第9 章 為支援M2M 的LTE 終端技術，結合現有LTE 網路技術和產業鏈現狀，分別從技術標準和產業鏈營運等多個角度，分析支援M2M 通訊的LTE終端發展中面臨的問題和成本瓶頸，並重點對降低終端成本的系列方案進行分析和介紹。

本書是以作者為基礎的主觀角度和有限學識對M2M 關鍵技術和標準的了解，觀點難免有欠周全。此外，無論是LTE 還是物聯網的技術標準化工作仍在持續的增強之中，依然有諸多技術方案還未達到成熟的程度。對於本書中的不足和謬誤之處，敬請各位讀者和專家批評和指導。

前言

「社會的發展與進步是其基本矛盾相互作用的結果，矛盾雙方相互對立，相互促進，達到辯證統一。」行動通訊技術發展遵循同樣的規律，而「業務產品與使用者的快速發展與網路承載能力限制之間的矛盾」是行動通訊技術發展的基本矛盾，也正因此將行動通訊技術由第一代向第四代的快速推進提供了內在動力，而且矛盾越嚴重，行動通訊技術發展、更新的速度就會越快。以LTE/LTEAdvanced為主的4G 行動通訊技術已經在全世界逐步商用，更低的傳輸延遲和更高的傳輸速率為日趨豐富的服務應用提供了絕佳的技術基礎和保障。在通訊技術和應用已有極大進...

前言
Chapter 01 行動通訊技術概述
1.1 行動通訊發展的內在規律
1.1.1 訊號品質是行動通訊業務發展和流量增長的關鍵
1.1.2 解決行動通訊發展基本矛盾的途徑
1.2 行動網路演進歷史
1.3 3G 系統
1.3.1 WCDMA 系統
1.3.2 CDMA2000 系統
1.3.3 TD-SCDMA 系統
1.4 LTE 系統
1.4.1 LTE 需求和演進目標
1.4.2 LTE 頁框結構與基本實體資源
1.4.3 LTE 網路架構
1.4.4 LTE 標準進展及其不同版本主要功能
1.4.5 LTE 的關鍵技術
1.5 LTE-Advanced 系統
1.5.1 LTE-Advanced 的標準化進展
1.5.2 LTE-Advanced 關鍵技術
1.6 小結單臂路由模式故障實例
Chapter 02 M2M 技術發展現狀與前景
2.1 M2M 定義與分類
2.2 M2M 業務需求與市場前景
2.3 M2M 業務發展現狀
2.3.1 全球各地區M2M 業務發展概況
2.3.2 全球電信業者M2M 業務發展現狀
2.4 M2M 市場展望
2.4.1 M2M 市場前景預測
2.4.2 M2M 產業將進入快速發展期
2.5 M2M 標準化進展
2.5.1 M2M 標準化的原因
2.5.2 標準化概述
2.6 小結
Chapter 03 M2M 典型應用場景與解決方案
3.1 概述
3.2 解決方案介紹
3.2.1 醫療監護
3.2.2 自動抄錶
3.2.3 智慧家居
3.2.4 智慧城市
3.2.5 車聯網
3.3 小結
Chapter 04 M2M 業務特性與流量模型
4.1 M2M 業務特性
4.1.1 通用業務特性
4.1.2 特定業務特性
4.2 M2M 業務模型
4.2.1 業務模型
4.2.2 H2H 業務模型
4.2.3 M2M 業務建模
4.3 小結
Chapter 05 LTE 網路針對M2M 通訊的最佳化方向與需求
5.1 概述
5.2 M2M 使用者簽約和資費管理
5.3 終端標識與定址機制最佳化
5.4 核心網路擁塞與超載控制機制最佳化
5.5 無線網路擁塞控制機制最佳化
5.6 M2M 特定業務最佳化
5.6.1 時間受控特性最佳化
5.6.2 M2M 監控特性最佳化
5.6.3 M2M 終端裝置低行動性特性最佳化
5.6.4 M2M 伺服器觸發特性最佳化
5.6.5 小資料傳輸機制最佳化
5.6.6 以群組為基礎的最佳化機制
5.7 M2M 終端裝置最佳化和管理技術
5.8 小結定位區域網攻擊點
Chapter 06 支援M2M 的通訊網路架構增強
6.1 概述
6.2 ETSI M2M 網路架構模型
6.2.1 網路架構簡介
6.2.2 業務能力介紹
6.3 3GPP M2M 網路架構增強
6.3.1 M2M 業務流傳輸模型
6.3.2 LTE 網路架構增強細查VPN 網速故障
6.3.3 LTE 增強功能實體和介面
6.4 CCSA M2M 網路架構模型
6.4.1 網路整體架構
6.4.2 感知延伸層
6.4.3 網路/ 業務層
6.4.4 應用層
6.5 M2M 無線連線閘道
6.5.1 M2M 無線連線閘道概述
6.5.2 M2M 無線連線閘道分類
6.5.3 M2M 閘道功能要求
6.6 M2M 應用支撐管理平台
6.6.1 支撐平台的需求分析
6.6.2 平台參考架構和功能
6.7 小結管理區域網流量
Chapter 07 針對M2M 的LTE 蜂巢網路連線擁塞控制技術
7.1 LTE 系統隨機連線機制
7.1.1 隨機連線的目的
7.1.2 隨機連線的要求
7.1.3 LTE 隨機連線過程
7.1.4 LTE 系統隨機連線關鍵技術
7.2 LTE 網路對M2M 裝置連線擁塞評估
7.2.1 評估流量模型
7.2.2 模擬評估假設
7.2.3 評估結果
7.3 LTE 連線擁塞控制技術標準化進展
7.4 針對M2M 的LTE 蜂巢網路連線擁塞控制方案
7.4.1 連線網最佳化方案
7.4.2 RRC 層擁塞控制機制
7.4.3 NAS 層擁塞控制機制
7.4.4 對終端模組的要求
7.5 小結
Chapter 08 支援M2M 通訊的LTE 網路承載控制和行動性管理最佳
化技術
8.1 網路承載控制最佳化技術
8.1.1 訊號最佳化方案
8.1.2 小資料傳輸最佳化方案
8.2 行動性管理最佳化技術
8.2.1 LTE 行動性管理方案
8.2.2 行動性管理最佳化方案
8.3 小結
Chapter 09 支援M2M 的LTE 終端技術
9.1 支援M2M 的終端定義及組成模組介紹
9.1.1 M2M 終端定義
9.1.2 M2M 終端組成模組介紹
9.2 支援M2M 的LTE 終端發展現狀和存在問題
9.2.1 技術和標準
9.2.2 產業鏈與營運
9.3 LTE 低成本M2M 終端技術
9.3.1 減少最大頻寬的成本降低方法
9.3.2 採用射頻單接收機模式的成本降低方法
9.3.3 減少峰值速率的成本降低方法
9.3.4 減少發射功率的成本降低方法
9.3.5 採用半雙工模式的成本降低方法
9.3.6 減少支援的下行傳輸模式的成本降低方法
9.4 支援M2M 通訊的LTE 蜂巢網路終端成本降低方案
9.4.1 M2M 終端成本組成與成本降低方案概述
9.4.2 通訊模組協定最佳化方案
9.4.3 大流量業務模型下終端低成本技術方案
9.4.4 小流量業務模型下終端低成本技術方案
9.5 小結
Appendix 縮寫字

前言
Chapter 01 行動通訊技術概述
1.1 行動通訊發展的內在規律
1.1.1 訊號品質是行動通訊業務發展和流量增長的關鍵
1.1.2 解決行動通訊發展基本矛盾的途徑
1.2 行動網路演進歷史
1.3 3G 系統
1.3.1 WCDMA 系統
1.3.2 CDMA2000 系統
1.3.3 TD-SCDMA 系統
1.4 LTE 系統
1.4.1 LTE 需求和演進目標
1.4.2 LTE 頁框結構與基本實體資源
1.4.3 LTE 網路架構
1.4.4 LTE 標準進展及其不同版本主要功能
1.4.5 LTE 的關鍵技術
1.5 LTE-Advanced 系統
1.5.1 LTE-Advanced 的標準化進展
1.5.2 LTE-Advanced 關鍵技術
1.6 小結...