5G是業(yè)界的熱門詞匯。這是下一代移動技術。它不僅涉及高數(shù)據(jù)速率，而且是一個技術生態(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)模機器類型通信（mMTC）是5G的一個非常重要的方面。

5G功能和服務

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之一：

EMBB（增強型移動寬帶）–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寬帶，虛擬現(xiàn)實，增強現(xiàn)實，游戲等。

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

mMTC（大型機器類型的通信）–旨在為流量配置文件通常為少量數(shù)據(jù)（散布）的大量設備提供連接。因此，延遲和吞吐量不是大問題。主要關注的是這些設備的最佳電源利用率，因為它們由電池供電，并且預期電池壽命約為10年左右。

MTC：機器類通信

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

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

非3GPP或專有 –也稱為LPWAN。流行的非-3GPP MTC技術包括ZigBee，LoRa，Ingenu，Sigfox和Weightless。這些技術使用未經(jīng)許可的頻譜，從而使價格更便宜（在成本方面）。它們的基礎結構在世界范圍內不存在，僅在某些位置存在，并且沒有3GPP標準化。使用開放或專有標準，但是由于它們已經(jīng)存在了一段時間，因此它們具有某種先發(fā)優(yōu)勢。

3GPP MTC技術（2G和4G）–在3GPP組中，我們擁有三種主要技術：

EC-GSM（擴展覆蓋范圍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性。

NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）：它也是從LTE演進而來的，是一種全新的技術。它具有完全不同的物理層。它針對MTC設備所需的低吞吐量，零星種類的數(shù)據(jù)通信進行了優(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：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。

保護帶：在此模式下，可以將其部署在兩個LTE載波之間的保護帶中。

獨立：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)絡基礎設施已經(jīng)遍布全球。除此之外，它們還受3GPP標準的控制，這使它們在互操作性方面非常有利可圖。

對mMTC技術的需求

現(xiàn)有技術存在一些缺點，可以在新一代技術中加以改進。

本技術僅關注某些特定的用例，而不是全部。

它們無法滿足新領域（如聯(lián)網(wǎng)汽車，工業(yè)自動化等）的延遲和可靠性要求。到目前為止，對于NB-IoT和Cat M，每個小區(qū)的設備數(shù)量為40000 -50000。在5G網(wǎng)絡中，這個數(shù)字可以達到每個單元多達100萬個設備，在全球范圍內可以達到500億個設備。

這些技術是從LTE演進而來的，最初LTE不是為物聯(lián)網(wǎng)設計的。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)特定特性進行優(yōu)化。

5G MTC

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

5G MTC的標準化仍在進行中，并將成為第二階段的一部分。它會包含在3GPP規(guī)范第16版本中。

它有兩個方面：

mMTC為大量設備和與延遲無關的應用程序提供了可擴展的連接性。并且應該針對小數(shù)據(jù)包，零星傳輸和以上行鏈路為中心的活動進行優(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或超可靠的機器類型通信專注于可靠性和低延遲。典型的用例是自動化行業(yè)，聯(lián)網(wǎng)汽車，遠程手術等。

mMTC的特征

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

設備數(shù)量龐大（每個單元300，000-10億個設備）

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（設備將很少隨機發(fā)送數(shù)據(jù)）

設備低復雜度和成本

最佳的電源使用方式和較長的電池壽命

mMTC面臨的挑戰(zhàn)

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

當前的數(shù)據(jù)包大小，信道估計導頻，鏈路自適應機制不適合MTC。當前的協(xié)議更適合于更長的會話和更大的數(shù)據(jù)包。

小包有其自身的挑戰(zhàn)。由于數(shù)據(jù)量較小，因此必須以更精細的粒度進行無線電資源分配。并且當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)調的方式偶爾訪問網(wǎng)絡的設備。

覆蓋范圍增強。這是設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：

隨機訪問資源分配àRRC連接設置à認證àNAS級別安全à訪問級別安全à數(shù)據(jù)承載設置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個字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送100個字節(jié)的控制信息。因此，這是可以進行優(yōu)化的領域。

一種潛在的優(yōu)化解決方案是將信令流的各個步驟組合為更少的步驟，例如將身份驗證和安全性與初始訪問和RRC連接設置相結合。它的一個重要方面是它是基于簽名的訪問。這樣，每個UE向網(wǎng)絡側發(fā)送唯一地標識該UE的簽名。因此，可以從簽名本身對UE進行身份驗證。

簽名基本上是每個設備唯一的前同步碼序列，因為它是使用該設備的唯一標識創(chuàng)建的。因此，減少信令流導致更好的頻譜效率，降低設備的功率利用率。

高效的初始訪問

初始訪問是可以針對mMTC優(yōu)化的領域。一些建議的技術是：

設備側的非正交多路訪問（NOMA）

網(wǎng)絡端的多用戶檢測

免費提供一發(fā)傳輸

在正交多路訪問中，對于每個無線電資源，只能要求一個設備進行傳輸。從接收的角度來看，沒有用戶之間的沖突/干擾。但是，當我們擁有大量設備且無線電資源有限時，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用戶，并在電源域中對它們進行多路復用。它們的傳輸在功率域中是分開的。如果多個用戶在同一資源上進行傳輸，則它們必然會產(chǎn)生沖突。沖突通過連續(xù)的干擾消除技術在接收器端得到解決，這導致了接收器端的多用戶檢測。因此，這種機制肯定會導致接收器更加復雜，但會提供很好的資源利用，這是mMTC所需要的。

設備上的NOMA，基站上的SIC

在非正交多址訪問中發(fā)生的情況是，兩個設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?。在基站，我們接收到兩個信號-一個信號功率較高，另一個信號功率較低。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設備的信號。

LTE：多級訪問協(xié)議

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

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

一級訪問協(xié)議：它具有免費授予的訪問權限（對所有設備都授予公共授予）。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。

覆蓋范圍擴展

基本上，設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幾次，以提高接收機會。

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

如果我們具有基于授予的訪問權限，則該機制非常好，其中網(wǎng)絡將與設備進行通信以告知需要重復多少次。因此，網(wǎng)絡和設備都知道將執(zhí)行多少次重復，最后，網(wǎng)絡將確認其是否正確接收。

但是，在授予免費訪問權限的過程中，設備會隨機選擇資源并將其發(fā)送。設備將計算自己的CE級別，并且網(wǎng)絡不知道設備將要進行多少次重復（因為網(wǎng)絡尚未與設備進行通信）。這會導致網(wǎng)絡和設備之間的混亂。

解決方案

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

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