5G是業界的熱門詞匯。這是下一代移動技術。它不僅涉及高數據速率，而且是一個技術生態系統，可以滿足各種用例和需求。這將影響許多行業，企業和人們的生活。mMTC或大規模機器類型通信（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數量級的高數據吞吐量，是LTE的1000倍以上的高系統容量，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，虛擬現實，增強現實，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據（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送到云服務器的數據，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，但是由于它們已經存在了一段時間，因此它們具有某種先發優勢。

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（窄帶物聯網）：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，零星種類的數據通信進行了優化。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，蜂窩網絡基礎設施已經遍布全球。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（如聯網汽車，工業自動化等）的延遲和可靠性要求。到目前為止，對于NB-IoT和Cat M，每個小區的設備數量為40000 -50000。在5G網絡中，這個數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不是為物聯網設計的。因此，它們并未針對諸如小數據包，零星傳輸，以上行鏈路為中心的傳輸，功率優化等物聯網特定特性進行優化。

5G MTC

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

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。并且應該針對小數據包，零星傳輸和以上行鏈路為中心的活動進行優化。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，聯網汽車，遠程手術等。

mMTC的特征

從設備傳輸的小數據包通常為幾個字節（10字節，20字節）

設備數量龐大（每個單元300，000-10億個設備）

主要是上行傳輸

用戶數據速率低，每位用戶約10 kb / s

零星的用戶活動（設備將很少隨機發送數據）

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

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）。

當前的數據包大小，信道估計導頻，鏈路自適應機制不適合MTC。當前的協議更適合于更長的會話和更大的數據包。

小包有其自身的挑戰。由于數據量較小，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據分組是無效的。

低效的控制信令：在發送數據之前發生了許多控制信令。

它將需要處理大量以不協調的方式偶爾訪問網絡的設備。

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。

控制信令優化

它涉及將各種協議過程集成到leser過程中。LTE接入和數據傳輸涉及以下步驟：

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數據承載設置à數據傳輸。

因此，在最終數據傳輸發生之前發生了很多信令，這可能是非常小的數量（10 – 20字節）。我們可能僅針對10個字節的數據發送100個字節的控制信息。因此，這是可以進行優化的領域。

一種潛在的優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向網絡側發送唯一地標識該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）

網絡端的多用戶檢測

免費提供一發傳輸

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，則它們必然會產生沖突。沖突通過連續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到基站。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數據傳輸。

這里有一個優化的范圍，并為此提出了一種新的機制，稱為一級訪問協議。

一級訪問協議：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。設備傳輸的重復次數將取決于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，其中網絡將與設備進行通信以告知需要重復多少次。因此，網絡和設備都知道將執行多少次重復，最后，網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送。設備將計算自己的CE級別，并且網絡不知道設備將要進行多少次重復（因為網絡尚未與設備進行通信）。這會導致網絡和設備之間的混亂。

解決方案

以上問題有一種解決方案。當從設備發送數據時，將決定設備重復次數的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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