5G时代物联网通信展望

发布时间:2014-12-01 作者:谢宝国,戴谦,夏树强(中兴通讯) 阅读量:

       5G时代,随着电子银行、电子教学和电子医疗等核心服务的普及,网络社会的发展将带来移动和无线流量的激增。这意味着到2020年,数据流量将比2010年增长1000倍。此外,人机之间的混合通信将带动流量增长,高效、便捷和安全地访问和共享信息变得异常重要。物联网和其他新型创新应用的出现将催生数百亿个互联设备出现,产生前所未有的多样性要求和与无线连接性相关的应用场景。


  4G时代提出连接全球50亿个物品,而5G时代更要构建1000亿海量连接世界,绝大多数消费产品、工业品、物流等都可以与网络连接,通过5G网络支撑海量的“物体”无线联网。5G物联网云还将与云计算和大数据技术结合在一起,使得整个社会充分智能化。


  在5G时代,可预见的用户需求有:互联终端设备数量将增加10到100倍;低功耗大型通信设备的电池使用寿命将延长10倍,传感器或传呼机等终端设备的电池使用寿命将达到10年;支持超快速响应应用,如“触觉互联网”,实现低于1~5ms端到端时延,并具有高可靠性。对物联网而言,其主要应用场景在于智能工业、智能农业、智能交通、智能电网、智能家居、智能城市、车联网等多个信息化应用,因此机器类通信对5G网络的基本需求集中在巨量终端接入、超低时延,高效连接,低成本、低功耗,超可靠,全地域覆盖几个方面。

 

MMC组网结构


  MMC(Massive Machine Communication)网络结构涵盖终端侧、接入侧、核心侧、业务侧等多个网络层面,为满足MMC业务需求,每个网络层面都有技术升级或革新性的技术进行支撑(见图1)。终端层面,为优化网络资源及全网覆盖,可采用D2D(Device-to-Device)技术实现多跳接入网络,或终端间直接进行数据传输。终端侧也可以自组网,通过物联网终端网关接入到5G网络。接入侧网络采用Small Cell接入、UDN超密集接入、业务网关及转发面下沉、多RAT协同等技术,为端到端超低时延传输及巨量终端接入提供技术保障。核心网侧采用NFV技术及SDN技术,各个网络功能应用在虚拟机上运行,网络资源动态调度,并采用统一的控制平面进行集中式控制。转发平面按流表动态转发data flow,采用业务链的方式提供按需的业务应用。

巨量终端接入技术


  5G时代是物物通信大发展时期,接入到5G网络的终端数量呈现爆发性增长,这对5G网络的终端接入机制提出了更高的要求。一方面从接入容量上进行质的提升,满足大规模终端入网并提供高带宽的流量,保证用户体验及满意度。另一方面,由于机器类终端各式各样的特性需求及应用,如业务特性(视频、语音、数据流)、优先级特性、移动性特性、实时性特性等差异化需求,需要采取无线资源精细化控制,针对不同特性的终端进行差异化的无线资源控制与移动性管理,最大程度高效使用网络资源。

 

PRACH增强技术


  MMC系统首先需要解决如何满足海量终端接入系统的需求。现有LTE系统中的随机接入方案是一种基于Slotted-ALOHA的衍生方案,如果将该方案应用在MMC系统,为了能够支持更多的MMC终端,最简单的优化方案就是为MMC终端分配更多的随机接入资源(Time/Freq/Code等),大量时频资源被分配给随机接入信道,会导致用于传输终端业务的带宽受限,严重影响用户体验以及系统的频谱效率。


  考虑到大部分MMC终端仅支持一种或少量的几种业务类型,如表1所示,可以从MMC终端支持的业务类型出发划分不同的接入信道,合理分配接入信道资源,优化频谱资源利用率。


  从表1可见,不同MMC业务对于接入网络的时延要求是不同的,当发生大量MMC终端在短时间内蜂拥接入时,合理地根据不同MMC业务类型将MMC终端打散到不同时域的接入资源上是简单高效的方法。例如,对于时延容忍量级小的MMC业务,允许其使用时域上最近的接入资源;对于时延容忍量级大的MMC业务,告知其使用时域上较为靠后的接入资源。这种方法既不影响各MMC用户的用户体验,又充分保证了现有接入资源的高效使用。


  现有LTE系统随机接入方案为终端分配的随机接入码字来自于具有良好正交特性的Zadoff-Chu序列,但是考虑到多径时延以及多普勒频域对信道的影响,在接收端检测时,各个随机接入码字之间并不是完全正交的,会存在一定的干扰,并且这种干扰随着发起随机接入的终端数量的增加而增加,进一步,这种干扰还会受到终端发射功率的影响。对于MMC系统来说,接入的终端数量巨大,这种码字之间的干扰会表现得更加明显,因此,有必要引进一种干扰消除技术,例如,引入SIC(Successive Interference Cancellation),进一步消除码字之间的干扰,提升复用的MMC终端数量。


  根据MMC网络负载情况灵活配置小区内可用的随机接入码字资源,并且多个小区的随机接入码字资源可以共享,如图2所示,MMC网络中Cell A、Cell B、Cell C可以使用的码字资源为传统网络的3倍,这样可以进一步降低随机接入过程中由于码字碰撞而导致的接入时延变大的问题。为了获得这样的增益,需要建立随机接入码字资源的多小区协作机制

 

控制面开销优化


  对于巨量终端的接入,除了接入资源面临巨大压力,用于传输数据的共享业务信道的容量也同样面临资源瓶颈。随着通信业务种类和流量的爆发性增长,带宽和吞吐量始终面临“跟不上”的问题。


  对于4G LTE系统,由于需要保证H2H(Human to Human)用户的移动性需求以及调度的灵活性,控制信道在整个数据带宽中需要占据的比例最大可达20%,这是一个非常大的数字。因此在5G阶段,如何降低控制面开销,扩大数据传输管道,就成为一个重要的研究方向。可以从降低下行控制信道调度开销,降低上行控制信道开销和简化空口信令、地面侧信令几方面入手。


  下行资源调度指令通常是一条指令调度一个用户的单次传输,若用户单次传输的数据量较大,则这种费效比是可以接受的。然而MMC的很多业务传输的单次数据量比较小,传输的费效比偏大。可以考虑下面的几种增强调度指令效率的方法,使得单条指令可以具备更大的调度能力。


  ●   多用户组调度:1条指令调度多个用户的单次传输;


  ●   多数据包合并调度:多个数据包合并在一个传输快发送,除了节省调度指令以外,还可减少资源碎片。


  MMC的大多数业务的数据传输频率都较低,而MMC终端在和网络建立连接后,现行4G LTE网络为了保证用户能够随时快速地向网络侧申请上行传输资源,需要为每个用户维持一套上行控制信道,H2H用户对上行控制信道的使用频率较高,而MMC用户对上行控制信道的使用频率较低,造成了上行带宽资源的低效使用。以下方法可以有效提升上行控制信道的使用效率,适用于传输频率较低的MMC用户:多个用户时分复用同一套上行控制信道配置,当其中一个用户无数据需要上传时,可将自己的上行控制信道配置临时共享给其他用户,以此提升同一套上行控制信道的使用率。


  MMC用户相对于H2H用户来说,对移动性的要求通常较低,大量MMC终端都固定在某一位置不需要移动,因此5G阶段需要对MMC业务研究针对性的简化信令流程,在MMC的巨大终端基数下,少量的信令简化也能带来巨大的带宽资源的节省。此外,对于固定位置MMC终端,由于不需要重复上行同步过程,因此现有的4G随机接入过程中的上行同步相关的信令可以进行简化。

 

超实时技术


  对于无线通信的一些关键应用,在决定最终用户体验方面,不仅要看吞吐量,时延也是非常关键的指标。在目前的LTE Rel-8网络中,在终端用户和服务器之间,对于互联网接入,典型的RTT时间是30ms~60ms,在理想的实验室环境,这个值在10ms~20ms。为了满足智能工业、智能交通、智能电网及医疗健康等方面的应用需求,业界提出1ms的超实时通信需求,可以说,如何满足该需求是下一代无线通信面临的挑战之一。下面从帧结构、调度优化等方面对降低无线通信系统的时延进行阐述。

 

超实时帧结构


  据研究,1ms超低时延时间在系统中的分解,其中用于基带调制解调、空口处理的时间只有200ηs。考虑现有通信系统的帧结构,这意味着为了实现1ms延迟目标,收发两端的高层、物理层模块都需要进行优化。


  在LTE系统中,传输时间间隔为1ms,相应的RTT约为8ms。在5G系统中,为实现1ms时延,RTT应该不大于200ηs,假设发射机和接收机能力可以和现有LTE系统的发射机和接收机类比,则5G系统的空口传输时间间隔不应超过25ηs。

 

调度优化


  现有的LTE系统,当有上行数据传输时,需要先发送调度请求,基站收到UE的调度请求后再给所述UE发送调度信息,UE收到调度信息后,根据调度信息的指示在相应资源上传输数据。为了减少上行数据调度请求时延以及调度时延,一种简单的方法就是自主调度,即:预先分配部分资源,当UE有数据传输需求时,UE直接在预定义的资源上进行数据传输,不再需要向基站发送调度请求以及等待基站调度,从而减少等待调度带来的时延,提高数据传输时延。由于UE数据传输需求是动态的,预先分配资源会出现资源空闲,导致系统频谱效率下降,为了消除该影响,可以采用码分复用的方式,让多个用户复用相同的时频资源,从而,提高资源使用效率,降低预留资源带来的影响。

 

高效连接技术


  大规模机器类终端采用3G或4G的通信方式,机器终端应用特有的小数据包(small data packet)频繁发送时,势必造成RAN与CN之间的接入控制信令频繁,从而使得控制信令的流量与总流量的比值升高,造成传输效率下降。


  5G系统针对MMC小数据的需求进行高效连接设计。解决高效连接的方式之一在于解决小数据包传输效率问题。从空口效率来说,采用通用的空口技术传输小数据包会造成空口资源浪费,5G系统需要有更高效的空口设计,空口资源调度的粒度需要适应小数据的特征,避免“大车装小货”的缺陷,同时也能提升源调度的效率,如采用前述的多数据包合并调度的概念来提升资源单位的使用效率。


  提升5G空口效率既可以考虑采用新型空口技术的设计,优化带宽设计,满足传输小数据信令的交互及小数据包的传输,也可以考虑共享现有频段的方式,即在4G的频段中划出一部分频度用于MMC信令及小数据包的传输,如在3GPP网络采用FDM/TDM技术,或在3GPP2网络采用Overload System技术。从信令效率来说,需要在终端频发小数据包时减少RAN与CN频繁的信令交互,缩短端到端的传输时延。因此可以考虑将MME的接入控制功能下移到RAN侧,这样终端在频繁接入时,RAN可以直接进行接入控制与无线资源分配,不再需要与CN的控制面网元进行接入控制信令交互,并直接与CN的用户面网元交互进行承载建立及小数据包传输。在用户面也采用转发平面下沉到RAN的技术,通过RAN的转发面直接与应用平台进行数据交互。

 

  5G的应用将开启物联网的新时代,物联网的核心是以互联网为基础构建的新一代网络体系。可以预见,新一代5G网络可满足入网设备多样化的无线连接要求,可以以极高速度处理各类联网信息,并实现高效、便捷和安全的信息传输与共享,真正开启物联网新世界。