M2M在3GPP SA2的研究進(jìn)展

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，M2M成為各個標(biāo)準(zhǔn)化組織研究和標(biāo)準(zhǔn)制定的工作重點(diǎn)。3GPP作為移動通信技術(shù)的主要研究和標(biāo)準(zhǔn)制定者，對M2M的相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定也在加緊進(jìn)行。本文在介紹3GPP各個工作組的工作情況的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了M2M在3GPP在SA2的研究和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展情況。

1 引言

3GPP各個工作組對M2M的研究范圍和重點(diǎn)各有不同，它們通過分工合作來實現(xiàn)對M2M技術(shù)的需求、功能、架構(gòu)、安全、信令流程等的研究和標(biāo)準(zhǔn)制定。具體來說SA1工作組主要負(fù)責(zé)M2M業(yè)務(wù)需求和特性的分析，制定相關(guān)的需求規(guī)范TS.22.368，從而為其他各組奠定研究基礎(chǔ)；SA2基于SA1提出的需求進(jìn)行M2M總體網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案的設(shè)計，包括基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、主要功能和基本流程等，并輸入到研究報告TR.23.888中；SA3主要負(fù)責(zé)分析M2M通信潛在的安全威脅及安全需求，并提供可行的解決方案；CT工作組主要基于SA2的架構(gòu)和功能設(shè)計，進(jìn)行終端及核心網(wǎng)方面M2M各種優(yōu)化技術(shù)的具體實現(xiàn)；TSG GERAN和TSG RAN中各工作組負(fù)責(zé)M2M通信在無線接入網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)化。本文主要對3GPP SA2在R10和R11階段M2M的標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)行梳理和總結(jié)。

2 R10階段M2M工作

未來MTC終端的數(shù)量與現(xiàn)有傳統(tǒng)終端相比，將呈數(shù)量級的增長。雖然這些終端可能相對靜止同時產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量也比較小，但每個終端卻產(chǎn)生與傳統(tǒng)終端幾乎相同的信令數(shù)量，因此，當(dāng)將來大量的MTC終端與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信令交互時，勢必會對網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生巨大的沖擊，致使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生過載和擁塞。為了應(yīng)對這一變化，3GPP SA2在SA1對MTC優(yōu)化需求研究和標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，在2009年9月SA #45全會啟動了R10階段SI項目Network Improvements for Machine-Type Communications (NIMTC)來深入研究MTC通信對3GPP網(wǎng)絡(luò)的影響及網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)MTC通信的優(yōu)化方案。

雖然在SA1定義了多種M2M優(yōu)化Feature，但由于時間和工作量等原因，3GPP在R10階段主要對MTC引起的網(wǎng)絡(luò)過載和擁塞進(jìn)行研究。NIMTC工作組主要基于以下兩種場景來考慮網(wǎng)絡(luò)過載和擁塞：

(1)運(yùn)行在終端上的應(yīng)用可能會使大量終端同時做某事。

(2)當(dāng)擁有大量漫游終端，且它們服務(wù)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，會同時重新附著到新的網(wǎng)絡(luò)中，使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生擁塞。

在R10階段，就是基于以上兩種場景的考慮，對網(wǎng)絡(luò)過載和擁塞處理控制機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化，以應(yīng)對未來海量MTC終端對網(wǎng)絡(luò)的沖擊。

SA2主要采用以下機(jī)制來應(yīng)對MTC終端對網(wǎng)絡(luò)的沖擊。

2.1 對UE配置和使用標(biāo)識

通過對UE配置和使用不同的標(biāo)識，使MTC終端能夠使用與傳統(tǒng)終端相比進(jìn)行優(yōu)化的信令過程，同時也可以使網(wǎng)絡(luò)針對不同標(biāo)識的終端根據(jù)運(yùn)營商策略和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)采取不同的管理策略。具體的配置和標(biāo)識如下：

(1)配置UE使用Low Access Priority。

(2)配置UE在PLMN更換時，使用IMSI附著。

(3)配置UE使用長時間的PLMN Search Time。

(4)配置UE對特定的無效USIM狀態(tài)進(jìn)行處理，如“Forbidden PLMN List”，“Forbidden PLMNs for Attach in S1mode List”，“Forbidden PLMNs for GPRS Service List”。

配置使用Low Access Priority的終端將通過NAS信令將Low Access Priority Indicator傳遞給MME，并在RRC連接建立過程中將相應(yīng)的Low Access Priority(無線側(cè)具體Indicator的名稱及形式需參照RAN工作組的規(guī)定)傳遞給E-UTRAN，傳遞Indicator是便于網(wǎng)絡(luò)決定是否接受這個NAS信令，或者進(jìn)行RRC連接的建立。Low Access Priority不適用于以下場景：

(1)緊急業(yè)務(wù)。

(2)接入等級為11~15用戶(如MulTimedia Priority Services)。

(3)對于響應(yīng)Page而建立RRC連接的場景。

(4)TS 24.301中描述的其他特殊場景。

如果NAS信令中包含a Low Access Priority Indication，MME應(yīng)將此Indication傳遞給S-GW/PGW，這個Indication和其建立的PDN連接相關(guān)聯(lián)。

Low Access Priority Indicator存儲在MME EPS Bearer Contexts中是為了計費(fèi)需要，而無其他用途。

2.2 優(yōu)化周期性RAU/TAU

終端在Idle態(tài)下，會進(jìn)行周期性位置更新，為了降低海量MTC終端周期性位置更新TAU/RAU給網(wǎng)絡(luò)帶來的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，需要將TAU/RAU的周期延長。

Periodic RAU/TAU Timer Value可以在MME中配置也可以作為用戶簽約的一部分放在HSS。MME根據(jù)運(yùn)營商策略、UE的Low Access Priority Indication和簽約信息來決定是否給UE分配長周期的TAU/RAU。簽約中TAU Timer優(yōu)先級高于MME本地配置。

2.3 采用Overload控制機(jī)制

對于Overload的控制總體可以分為對上行和下行數(shù)據(jù)及信令的控制機(jī)制，對于下行的擁塞和過載控制主要通過Downlink Data Notification Requests限制機(jī)制來實現(xiàn)，而對于上行的擁塞和過載控制主要通過NAS Level擁塞控制機(jī)制來實現(xiàn)，Overload控制機(jī)制的主要原理是通過有效阻止或降低低優(yōu)先級業(yè)務(wù)來達(dá)到緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞的目的。

2.3.1 Downlink Data Notification Requests限制機(jī)制

對于下行數(shù)據(jù)和信令控制主要采用對Downlink Data Notification Requests進(jìn)行限制來實現(xiàn)。

(1)MME可以拒絕S-GW的低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的Downlink Data Notification Requests，MME根據(jù)ARP和運(yùn)營商策略來確定業(yè)務(wù)是否為低優(yōu)先級。

(2)S-GW根據(jù)ARP和運(yùn)營商策略來確定業(yè)務(wù)是否為低優(yōu)先級業(yè)務(wù)，從而確定是否發(fā)起Downlink Data Notification Requests，達(dá)到降低Downlink Data Notification Requests的數(shù)量。

(3)MME和S-GW會保存Throttling Factor和Throttling Delay的限制比例和限制時間。

2.3.2 NAS Level擁塞控制機(jī)制

在NAS Level Congestion Control包含兩個機(jī)制：基于APN的擁塞控制和通用NAS移動性管理控制�；�于APN擁塞控制主要是對連接特定APN的終端進(jìn)行EMM和ESM信令擁塞控制；而通用NAS移動性管理控制主要用在在通用擁塞條件下，對終端的NAS層移動性管理信令消息進(jìn)行控制管理。

2.3.2.1 APN Based Congestion Control

為了避免連接特定APN的UE產(chǎn)生的EMM和ESM信令給網(wǎng)絡(luò)帶來擁塞，UE和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)支持對特定基于APN的EMM和ESM擁塞控制。

(1)基于APN Session管理的擁塞控制

當(dāng)某個APN被檢測出擁塞，MME應(yīng)運(yùn)行Session Management back-off Timer，并拒絕來自UE的對于此APN的ESM請求消息(包括PDN連接，承載資源分配或正在資源修改請求等)。MME中的Session Management back-off Timer是基于每個UE和APN的。當(dāng)MME發(fā)送Session管理請求消息給UE前，應(yīng)該清除Session Management back-off Timer。

當(dāng)從EPS Session Management reject消息中得到Session Management back-offer Timer后，UE應(yīng)采取以下措施：

●如果在拒絕消息中帶已知APN，則UE將不會發(fā)起對此APN業(yè)務(wù)管理流程。

●如果在拒絕消息中沒帶APN，則UE將不會發(fā)起不帶APN的業(yè)務(wù)管理流程。

●在Cell/TA/PLMN/RAT切換時，Session Management back-off Timer繼續(xù)運(yùn)行。

●在Session Management back-off Timer運(yùn)行時，UE允許發(fā)起Service User，緊急業(yè)務(wù)，Mobile Terminated Services。

●如果UE接收到網(wǎng)絡(luò)初始的對擁塞APN的EPS Session管理請求消息，UE應(yīng)終止Session Management back-off Timer。

●Session Management back-off Timer運(yùn)行時，UE可以發(fā)起PDN 拆除過程。

●UE應(yīng)支持對UE激活的每個APN分布設(shè)置Session Management back-off Timer。

(2)基于APN移動性管理的擁塞控制

當(dāng)對某APN進(jìn)行擁塞控制時，MME存儲Mobility Management back-off Timer，并拒絕來自UE對此APN的移動性管理流程。如果MME中含有UE的Context，MME可以對每個UE存儲back-off Timer。當(dāng)back-off Timer運(yùn)行時，UE將不會發(fā)起任何針對此APN的移動性管理流程的NAS信令。

2.3.2.2 General NAS Level Mobility

產(chǎn)生MM back-off Timer，并放在UE Context中，對EMM信令進(jìn)行控制。但是對于處于Connected狀態(tài)下的TAU不應(yīng)該拒絕。如在切換過程中產(chǎn)生的TAU。

●在通用擁塞場景下，MME產(chǎn)生并運(yùn)行back-off Timer，并拒絕來自終端的移動性管理信令請求。除了Service User，Emergency Services，Mobile Terminated Services業(yè)務(wù)外，UE不應(yīng)發(fā)起其他業(yè)務(wù)的移動性管理消息。當(dāng)UE收到Paging Request消息時，UE應(yīng)停止Mobility Management back-off Timer并可以發(fā)出業(yè)務(wù)請求流程。

●Mobility Management back-off Timer應(yīng)不影響Cell/RAT和PLMN切換。Cell/RAT和TA切換時，Mobility Management back-off Timer不應(yīng)該停止。只有在新的PLMN不是Equivalent PLMN時，back-off Timer 才停止。

●在Connected Mode下，MME不應(yīng)該拒絕TAU。而在Idle模式下，MME可以拒絕TAU，并在拒絕消息中包含back-off Timer。

●如果Mobility Management back-off Timer時間超過UE周期TAU+Implicit Detach Timer，MME應(yīng)調(diào)整終端可達(dá)時間和Implicit Detach Timer，已保證MME在back-off Timer運(yùn)行時間，MME不會Implicit Detach 終端。

目前3GPP R10已在2010年9月凍結(jié)，目前的主要工作是R10階段對Congestion和Overload Control特性的澄清工作。在SA2#86次會議上，主要對back-off Timer的一些問題進(jìn)行澄清。

3 R11階段M2M工作

2010年6月，在SA#48全會上，SA2啟動了R11 SI及Stage 2 WI項目System Improvements for Machine-type Communications(SIMTC)，計劃在2012年3月完成全部MTC特性的研究。目前，R11階段MTC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面的研究工作已開始起步，由于M2M需要研究的Feature比較多，因此SA2基于SA1對Feature的優(yōu)先級邏輯分組，對相關(guān)的M2M Feature進(jìn)行了分塊，分成了8個Buliding Blocks。SA2希望在R11階段能夠優(yōu)先完成前三個Blocks，即Reachability Aspects，Signaling Optimizations，CN-based and Power Considerations。在2011年10月舉行的SA2#87次會議上，SA2將在R11階段完成的Feature主要限定在Reachability Aspects這個Blocks中，即主要完成Addressing Aspects，Identifiers，MSISDN-less Aspects and PS-only和on-line Device Trigger Aspects，并根據(jù)優(yōu)化方案對SIMTC的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的更新。

3.1 On-line device Trigger Aspects

對于Trigger的討論，主要集中在兩個方面，第一是采用什么樣的Trigger方案，第二是Trigger方案在什么地方有誰來確定。根據(jù)目前討論的結(jié)論來看，基于MT-SMS方案由于對網(wǎng)絡(luò)影響較小，而被作為基礎(chǔ)方案被各個公司所接受，而對于其他的Trigger方案，各個公司提出的方案較多，爭議也比較大，目前還沒有達(dá)成一致意見。

3.2 Identifier

對于標(biāo)識的研究，主要研究使用什么樣的內(nèi)部標(biāo)識和外部標(biāo)識，內(nèi)外部標(biāo)識在什么地方進(jìn)行映射以及內(nèi)部標(biāo)識如何與外部標(biāo)識進(jìn)行映射。

對于內(nèi)部標(biāo)識，3GPP認(rèn)為在R11階段IMSI應(yīng)能滿足需求，因此將IMSI做為內(nèi)部標(biāo)識。并要求網(wǎng)絡(luò)支持IMSI與外部標(biāo)識的映射。對于外部標(biāo)識的討論，各家公司爭論較多，在SA2 #87次會議上，大家達(dá)成了初步的意向，主要對外部標(biāo)識中應(yīng)該具有的功能和應(yīng)包含哪些信息達(dá)成了初步的共識：外部標(biāo)識應(yīng)包含以下功能：

(1)應(yīng)支持一個或多個外部標(biāo)識向同一個內(nèi)部標(biāo)識的映射。

(2)標(biāo)識MTC終端的外部標(biāo)識應(yīng)全球惟一，并可全球可達(dá)。

(3)應(yīng)支持運(yùn)營商制定特定外部標(biāo)識，這種標(biāo)識僅在運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部可達(dá)。

基于這些功能需求，MTC的外部標(biāo)識應(yīng)有兩部分組成，即Llocal-identifier和MNO-identifier。Local-identifier主要在運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部標(biāo)識終端設(shè)備，在運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)內(nèi)惟一，而MNO-identifier主要用來標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，以便MTC-IWF用來選擇HLR/HSS。外部標(biāo)識為External Identifier = 。

3.3 Addressing Aspects

對于Addressing的研究，SA2認(rèn)為未來MTC終端數(shù)量巨大，因此首先推薦使用IPv6作為IP地址的主要解決方案，但是考慮到目前IPv4網(wǎng)絡(luò)仍是主流，且在將來也長時期存在，因此也在SIMTC的研究中考慮IPv4的解決方案，但是主要考慮的是基于IPv4的過渡方案，目前對于使用哪種IPv4解決方案，還沒有確定，從目前的討論來看，過渡方案重點(diǎn)還是NAT以及各種衍生版本的NAT，如Managed-NAT和Non-Managed-NAT等解決方案。

3.4 MSISDN-less Aspects and PS-only

主要討論的是在沒有MSISDN的條件下，如何實現(xiàn)對終端的尋址，目前討論比較多的是短消息如何實現(xiàn)無MSISDN的尋址。目前各公司提出的解決方案較多，爭論也比較大，尚未達(dá)成共識。

4 結(jié)束語

M2M技術(shù)已成為3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織在R11階段主要研究內(nèi)容，在最近韓國召開的SA2第87次會議上M2M的討論占用了較多的時間。由于R11凍結(jié)時間限制，在R11階段并不能完成所有M2M Feature的優(yōu)化，其余的Feature將會放在以后的Release版本中繼續(xù)討論。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用的興起，可以想象M2M技術(shù)將會成為未來3GPP技術(shù)發(fā)展趨勢之一。

作者：杜加懂 來源：電信網(wǎng)技術(shù)

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