推荐一种新机制：窄带M2M系统与LTE系统共享频谱

    作者：郑晓敏  

1  引言

    LTE的设计是基于满足人与人通信对宽带和高速数据通信的需求，即传统无线宽带(mobile broadband，MBB)系统的演进。而SG也已经在全球范围内如火如荼地讨论和设计之中，根据ITU对SG移动通信网络的需求定义，除了传统MBB业务的演进之外，最大的也是最重要的演进方向是面向对未来广泛使用的物联网的机器型通信(machine typecommunication，M2M)的支持。而M2M通信的特点有如下几个方面。

    ·连接数量极其庞大。例如SG对M2M链接数量的需求将是LTE时代的1 000倍。

    ·窄带，低数据量。例如抄表业务等，在几天甚至几十天内只有几十个byte的数据量。

    ·低成本，广覆盖。维护一个M2M连接需要的网络成本远低于一个MBB连接，少量稀疏站点能够为大量M2M业务提供服务，对覆盖的要求一般比MBB业务高20 dB以上。

    考虑到未来网络的需求与LTE网络差异巨大,5G的设计将是一个新的无线接人技术(radio access technology，RAT)，其拥有新的物理层波形(waveform)、新的调制编码方式、新的协议栈和新的网络架构。对于底层传输来说，新的波形与传统LTE的波形将无法共存和共享。考虑到SG的成熟部署将到2025年左右，在未来的10年内．M2M通信的需求发展并不会等待，这就对现有LTE系统支持部分M2M业务提出来要求。因此，3GPP（第三代移动通信伙伴计划）提出了在LTE系统上支持M2M业务的设计思路，并正在标准化制定中，其中有两个发展的分支：在LTE波形基础上实现M2M业务的传输，支持M2M业务需要新的终端；在GSM的波形基础上实现M2M业务的传输，现有M2M终端都可以直接使用。

    由于第二种演进方向具有显著的成本优势，存量市场绝大部分终端都具有GSM模块，天然支持GSM方式传输，并且GSM模块的成本是LTE模块成本的1/20以下，可以快速被市场接受而获得发展。但对运营商来讲，由于传统MBB业务和M2M业务波形不同，必须为两者分配独立的频谱，而又因为两者的业务分布不同，独立的频谱分配将造成宝贵的频谱资源浪费。本文提出了一种频谱共享机制，使得M2M业务和MBB业务在物理层可以共享频谱，有利于M2M业务的快速低成本部署。

2  MBB业务与M2M业务特征

2.1  MBB业务特征

    传统的MBB业务是典型的人通信业务，其业务量在时间上的分布特征受人的行为方式影响，呈现出极其明确的规律性，如图1所示，主要特征如下。

    ·语音业务(CS traffic)与数据业务(PS traffic)都存在时间上的波峰波谷特性，其中两种业务的波峰在时间上并不完全重叠，而两种业务的波谷在时间上基本重叠。

    ·MBB总业务量（CS业务量和PS业务量之和）在时间上呈明显的波峰波谷特性，在夜间1点到4点之间的波谷，总业务量接近于O。

   ·不仅仅在波谷时间段．MBB业务量接近0．在90%以上的其他时间段，MBB总业务量均不到波峰业务量的50010。

    为了能够保证MBB网络在任何时间都能提供电信级的业务质量保证，基于License的频谱分配方式必须为每个小区的峰值业务量预留足够的资源，而这些预留的宝贵频谱资源在网络负载下降时并不能被利用，这种现象在业界称为“spectrum hole（频谱空洞）”，并且在大量的学术研究如频谱共享、感知无线电等领域，都旨在解决这个问题，提高频谱的利用率。而从MBB业务的分析可以看到，传统MBB网络总业务量达到峰值业务量50%以上的时间段不超过总时间的10%，而总业务量在峰值业务量1 0%以下的时间段超过总时间的40010，在整个时间轴上，MBB业务总的频谱利用率一般不超过30%。以上分析表明：现有MBB网络在时间和频谱资源上都存在大量的空余资源，可以为其他网络或业务所使用，提高宝贵频谱资源的利用率。

2.2 M2M业务特征

    M2M业务一般是机器与机器，或者机器与服务器之间的通信需求，与人的活动习惯解耦，不存在时间上的特别规律，总业务量在某个区域内也相对稳定。如图2所示．M2M在时间上的总连接数变化情况表明，不管是在传统MBB业务的波峰还是波谷阶段，M2M业务量均未出现相对于其他时间段的显著波动。

然而，由于M2M业务的特征，大部分M2M业务是时延不敏感的，拉长传输时延并不会影响M2M业务的业务质量。因此，如果将时延大量不敏感的业务推迟到MBB业务的波谷时间段进行传输，将可以大大降低其他时间段的M2M业务量。如图3所示,MBB波谷时间段的M2M业务量大大提升，然而在共享频谱的过程中，此时MBB空闲出大量的频谱，可以供M2M业务使用，并且由于该时间段的MBB用户量极少,M2M对频谱的使用不会显著影响MBB业务的服务质量。而在MBB非波谷时段，经过业务时间上的压缩，仅少量M2M业务量需要少量的频谱，此时对MBB业务的影响也较小。

    为了使得M2M业务在时间轴上适配MBB、业务的波峰波谷特性，需要改进M2M连接建立过程，在M2M终端发起业务连接的过程中，在初始随机接人(RACH接入)或者初始无线链路建立（RRC连接建立）的消息中，携带信元指示本次传输需求是否为时延敏感业务，或者在该信元中指示时延需求，如天、小时或者分钟等高中低级别，网络可以据此决策是否接受该RRC建立请求，从而可以将M2M业务在时间上分开。

3  窄带M2M系统与MBB系统共享频谱方案

3.1  现有MBB网络LTE的载波组成

    现有3GPP的LTE制式系统带宽有固定的1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz和20 MHz，其取固定的值，主要是考虑终端的成本，终端仅需实现几种有限的滤波器格式就可以了。在每一个系统带宽下，为了避免LTE系统对邻频系统的带外干扰，LTE系统的有效子载波必须集中在载波的中心，而两端空余出固定的5%系统带宽大小的保护间隔，如图4所示。

    10%的保护间隔是比较大的系统开销，而LTE网络虽然频谱效率相比于传统制式有较大的提升，但最为诟病的也是系统开销过高。LTE制式有十余种公共信道、导频信道等用于一种系统可以支持丰富多彩的业务类型和多种传输模式，如MIMO模式等。

3.2现有LTE网络的M2M业务改造决定M2M业务成功的最重要的几个约束条件如下所示。

    ·终端的成本，终端成本需要极低，才有利于M2M业务的迅速普及，因此传统网络中手机这么复杂的设备是无法用于M2M终端的。

    ·终端的节能，很多M2M终端部署在偏僻、环境恶劣等各种场合，非常不利于维护如更换电池，因此很多M2M终端需要支持10年以上的的电池续航，对M2M终端的节电提出了重要要求。

   ·覆盖性能，由于M2M设备很多分布在偏远山区、矿场、远洋岛礁等场景，很难部署密集的基站，因此很多M2M业务要求覆盖性能比传统M2M业务覆盖扩展20 dB以上。

    基于以上业务场景假设，LTE制式在3GPP的第13板本(R13)提出对eMTC (evolved machine type communication.演进的机器型通信)的支持，为了满足上述3个场景要求.LTE制式的eMTC改造主要采用以下措施来实现。

    ·为了降低终端成本（对比的基线为GSM模块的成本价格），LTE eMTC终端仅支持窄带传输，固定为6个PRB (physical resource block，物理资源块)，即6x180=1.08 MHz，极大地降低了终端成本。

    ·为了节能，LTE的eMTC业务仅支持小分组的传输，一般约束为1 000 byte以下，并且在空口设计的时候考虑了多种节能的措施。

    ·为了提升覆盖性能，LTE在讨论eMTC支持的时候，最大的精力都是在考虑如何在不提高终端成本的情况下，提升覆盖性能，目前主要是通过大量的重复发送（几十到几百次重复）以及在重复的前提下，考虑跳频、跨子帧信道估计以及导频密度加密等多种措施。

    然而，由于LTE系统天然的是宽带系统，在一开始设计的时候主要用于支持高速率的MBB业务，现在由于M2M业务截然不同的QoS要求，导致LTE系统的M2M改造非常难以实现。并且按目前的实现方式，仍然很难达到预设的指标，如终端成本和节能效果仍然无法跟传统GSM相比。

3,3本文创新的M2M系统及与LTE系统共存的机制

    考虑到现有LTE系统各带宽场景下，都有10010的保护间隔带宽，并且在绝大部分时间，LTE系统都有大量的License频谱未被使用，如果将M2M系统的窄带部署到LTE系统带宽内，无疑可以充分使用空闲的宝贵频谱资源，并且能够充分利用GSM窄带特有的覆盖好、终端成本低等天然特性。

    鉴于此，本文提出M2M系统与LTE系统共存的机制，将窄带M2M的窄带载波部署在LTE系统带宽内．M2M载波采用固定的200 kHz的GSM载波，或改造的GSM载波（如波形特征采用更顽健的形式），对于M2M的终端来讲，固定的200 kHz的系统带宽，极大降低了终端复杂度，并且现有GSM的模块可以直接用于该系统，有利于M2M业务的快速部署实现，如图5所示。

    对于这种部署方式，最直接的需要解决的问题是M2M载波与LTE系统带宽内的LTE子载波之间的干扰问题。该干扰问题主要体现如下：

    ·M2M载波对LTE子载波的上行干扰；

    ·LTE载波对M2M子载波的上行干扰；

    ·M2M载波对LTE子载波的下行干扰；

    ·LTE子载波对M2M载波的下行干扰。

    而上述干扰问题，直接体现到系统性能上，就是对频谱效率的影响。考虑到该频谱共享的方式，极大地提升了频谱的利用率，只要共存下系统频谱效率的损失小于频谱利用率提升带来的增益．则是具有现实可行性的方案。本文将重点仿真评估上述干扰的影响大小。特别是，由于M2M系统是主动占用其他系统的频谱，其自身的性能可以允许有一些下降，而LTE系统在存在较强的外系统带内干扰时，其性能是重点需要考虑的方面；本文在这一阶段率先考虑LTE系统在共享频谱时的性能，而M2M系统的性能，则在后续阶段考虑。

4仿真评估与结果分析

    在本文的仿真假设中，M2M系统采用GSM波形，即每200 kHz带宽为一个载波，每个载波的发射功率为20 W（即43 dBm），在仿真评估LTE系统受影响后的系统性能之前，首先通过理论计算，当LTE的带宽内存在一个GSM载波时，相邻的LTE子载波上存在的相应干扰强度的大小，结果如图6所示，在#0 PRB上放置GSM信号，在200 kHz外的子载波上，该信号下降30 dB左右，以此类推的每个子载波上该信号的下降如图6所示。

4.1  仿真网络拓扑和仿真假设

    在该仿真中，M2M系统与LTE系统采用1:1共站方式共存，在4x4的LTE部署基站方式下，使用Wrap-around方式部署16个三扇区的基站，同比例的M2M系统共站部署，如图7所示。即在每一个LTE小区的系统带宽内，都可能会存在以GSM波形传输的M2M信号，因此，评估两种信号相互影响对系统频谱效率等指标的影响，是本文重点需要达成的目标，以便于为系统设计时考虑部署的可能性以及部署的约束条件等，提供指导意义。

仿真研究中所使用的其他配置和仿真假设见表1。

4.2 M2M业务对LTE频谱效率的影响

    假设在LTE系统带宽中部署M2M业务后，对LTE的现有设备不做任何改动，LTE仍然按照原来的方式使用频谱，只是其中部分频谱上存在M2M业务的干扰，研究LTE受影响的大小二其中YI2M使用频谱的方式按照如下约束。

    ·按GSM 3x4复用的方式使用整个5 MHz的频谱，也即每个小区相邻两个M2M业务窄带信道之间间隔11个200 kHz的载波。

    ·M2M按一定规则适用每一个载波上的资源，每个小区都按最靠近一端的载波上尽可能多的使用完频域资源，一个载波的时频资源完全使用后再使用相邻的第二个载波的资源，从而对LTE的干扰影响尽量集中。

    为了更全面地观察M2M业务对LTE现有系统的影响，设置不同的M2M业务负载，分别设置M2M业务负载为：25%、50%、75%，观察LTE系统的频谱效率下降情况。事实上大于25%的负载已经是很激进的配置。

    如图8所示，随着M2M业务负载的增加，LTE用户的吞吐率分布显著下降，这是由于M2M业务对LTE系统带宽内的频谱造成了干扰，导致LTE用户的频谱效率下降。但从图9的LTE系统容量下降来看，在M2M业务负载在75%的时候，LTE仍然有30%的系统容量剩余：而在M2M业务负载较小，如25%的时候．LTE更是有接近75%的系统容量剩余。这是因为，M2M是以频率复用的形式占用频谱，在100%负载的时候，每个小区仍然只是占用1/12的频谱资源，LTE并非所有频谱都被干扰。

尽管如此，仿真结果表明，M2M业务的存在对LTE系统是有干扰导致的容量下降的，并且负载越高，对LTE的干扰越大，LTE的容量下降越大。但同时也可以看出，在M2M系统处在较小负载下，LTE仍然能够提供足够的容量，受异系统干扰的影响较小。

4.3增强的系统内干扰协调优化方法

    在第4.2节中评估的场景是LTE完全不对存在的M2M业务做任何适配的动作，即全盘接受M2M对LTE的干扰。虽然证明LTE的系统容量下降在可接受的范围内，但是仍然存在进一步优化的空间。

    M2M系统部署在LTE的系统带宽内，并且很可能是来自同一个运营商，并且两个系统部署在相同的站点，甚至相同的机柜，两个系统的资源使用信息是可以完全共享的。那么，当LTE系统完全实时知道M2M系统的资源使用情况，也即可能会产生的干扰情况下，通过异系统的干扰协调，应该可以降低M2M干扰对LTE的影响。本节进一步评估M2M和LTE通过干扰的协调，降低对LTE的干扰影响的结果。

    在增强方案中，考虑两种增强方案。

    ·在M2M侧，为每一个M2M窄带载波增强滤波效果，使得M2M干扰对外泄露量降低。

    ·LTE预先获知M2M业务所使用的时频资源，在调度时主动避开受损物理资源。

    从图10的LTE用户吞吐率累积概率分布曲线可以看出，当采用M2M短约束干扰泄露的方法，并不能有效降低对LTE的干扰影响，原因在于LTE在带宽内进行FFT变换时始终会导入M2M的干扰，而不管该干扰在子带内的泄露如何；而采用异系统干扰协调的方法时，可以有效地提升LTE用户的吞吐率，从而显著降低M2M业务对LTE系统的影响。

5  结束语

    从本文的研究结果可以发现，当采用M2M系统和LTE系统带内共存、共享频谱时，虽然M2M业务的存在会显著影响LTE系统的频谱效率，但当M2M业务负载较低时，对LTE系统的影响在可接受的范围内；进一步的，当M2M系统和LTE系统共站部署，通过站内的系统间干扰协调方式，可以显著降低对LTE系统的频谱效率影响。考虑到LTE小区大部分都是在较低的负载工作，并且M2M业务和MBB业务的错峰现象明显．LTE完全可以容纳M2M业务频谱共享需求。

另外，虽然M2M业务窄带功率谱相比LTE功率谱高很多，M2M对LTE的影响是主要方面，但进一步评估LTE业务的存在对M2M的覆盖和容量的影响，同样是有重要意义的，这部分内容是本文后续的主要工作。

6摘要：

长期演进(LTE)网络是3GPP定义的移动宽带(MBB)，满足人类通信的宽带需求，但随着机器类通信(M2M)的快速发展，如何快速高效、低成本地部署M2M网络是业界的重要方向。提出了复用GSM的基本模块，可以快速部署低成本的M2M网络，并且与现有MBB系统LTE网络共享频谱，进一步降低部署成本。仿真结果表明，对于LTE系统来说，完全有能力容纳M2M系统的频谱共享和共存的需求，证明该方案是具有现实可行性的。