M2M在3GPP SA2的研究进展

摘要：随着物联网的快速发展，M2M成为各个标准化组织研究和标准制定的工作重点。3GPP作为移动通信技术的主要研究和标准制定者，对M2M的相关研究和标准制定也在加紧进行。本文在介绍3GPP各个工作组的工作情况的基础上，重点介绍了M2M在3GPP在SA2的研究和标准化进展情况。

1 引言

3GPP各个工作组对M2M的研究范围和重点各有不同，它们通过分工合作来实现对M2M技术的需求、功能、架构、安全、信令流程等的研究和标准制定。具体来说SA1工作组主要负责M2M业务需求和特性的分析，制定相关的需求规范TS.22.368，从而为其他各组奠定研究基础；SA2基于SA1提出的需求进行M2M总体网络优化方案的设计，包括基本网络架构、主要功能和基本流程等，并输入到研究报告TR.23.888中；SA3主要负责分析M2M通信潜在的安全威胁及安全需求，并提供可行的解决方案；CT工作组主要基于SA2的架构和功能设计，进行终端及核心网方面M2M各种优化技术的具体实现；TSG GERAN和TSG RAN中各工作组负责M2M通信在无线接入网络中的优化。本文主要对3GPP SA2在R10和R11阶段M2M的标准化工作进行梳理和总结。

2 R10阶段M2M工作

未来MTC终端的数量与现有传统终端相比，将呈数量级的增长。虽然这些终端可能相对静止同时产生的业务数据流量也比较小，但每个终端却产生与传统终端几乎相同的信令数量，因此，当将来大量的MTC终端与网络进行信令交互时，势必会对网络产生巨大的冲击，致使网络产生过载和拥塞。为了应对这一变化，3GPP SA2在SA1对MTC优化需求研究和标准化的基础上，在2009年9月SA #45全会启动了R10阶段SI项目Network Improvements for Machine-Type Communications (NIMTC)来深入研究MTC通信对3GPP网络的影响及网络实现MTC通信的优化方案。

虽然在SA1定义了多种M2M优化Feature，但由于时间和工作量等原因，3GPP在R10阶段主要对MTC引起的网络过载和拥塞进行研究。NIMTC工作组主要基于以下两种场景来考虑网络过载和拥塞：

(1)运行在终端上的应用可能会使大量终端同时做某事。

(2)当拥有大量漫游终端，且它们服务网络出现故障，会同时重新附着到新的网络中，使网络产生拥塞。

在R10阶段，就是基于以上两种场景的考虑，对网络过载和拥塞处理控制机制进行优化，以应对未来海量MTC终端对网络的冲击。

SA2主要采用以下机制来应对MTC终端对网络的冲击。

2.1 对UE配置和使用标识

通过对UE配置和使用不同的标识，使MTC终端能够使用与传统终端相比进行优化的信令过程，同时也可以使网络针对不同标识的终端根据运营商策略和网络状态采取不同的管理策略。具体的配置和标识如下：

(1)配置UE使用Low Access Priority。

(2)配置UE在PLMN更换时，使用IMSI附着。

(3)配置UE使用长时间的PLMN Search Time。

(4)配置UE对特定的无效USIM状态进行处理，如"Forbidden PLMN List"，"Forbidden PLMNs for Attach in S1mode List"，"Forbidden PLMNs for GPRS Service List"。

配置使用Low Access Priority的终端将通过NAS信令将Low Access Priority Indicator传递给MME，并在RRC连接建立过程中将相应的Low Access Priority(无线侧具体Indicator的名称及形式需参照RAN工作组的规定)传递给E-UTRAN，传递Indicator是便于网络决定是否接受这个NAS信令，或者进行RRC连接的建立。Low Access Priority不适用于以下场景：

(1)紧急业务。

(2)接入等级为11~15用户(如MulTimedia Priority Services)。

(3)对于响应Page而建立RRC连接的场景。

(4)TS 24.301中描述的其他特殊场景。

如果NAS信令中包含a Low Access Priority Indication，MME应将此Indication传递给S-GW/PGW，这个Indication和其建立的PDN连接相关联。

Low Access Priority Indicator存储在MME EPS Bearer Contexts中是为了计费需要，而无其他用途。

2.2 优化周期性RAU/TAU

终端在Idle态下，会进行周期性位置更新，为了降低海量MTC终端周期性位置更新TAU/RAU给网络带来的网络负载，需要将TAU/RAU的周期延长。

Periodic RAU/TAU Timer Value可以在MME中配置也可以作为用户签约的一部分放在HSS。MME根据运营商策略、UE的Low Access Priority Indication和签约信息来决定是否给UE分配长周期的TAU/RAU。签约中TAU Timer优先级高于MME本地配置。

2.3 采用Overload控制机制

对于Overload的控制总体可以分为对上行和下行数据及信令的控制机制，对于下行的拥塞和过载控制主要通过Downlink Data Notification Requests限制机制来实现，而对于上行的拥塞和过载控制主要通过NAS Level拥塞控制机制来实现，Overload控制机制的主要原理是通过有效阻止或降低低优先级业务来达到缓解网络拥塞的目的。

2.3.1 Downlink Data Notification Requests限制机制

对于下行数据和信令控制主要采用对Downlink Data Notification Requests进行限制来实现。

(1)MME可以拒绝S-GW的低优先级业务的Downlink Data Notification Requests，MME根据ARP和运营商策略来确定业务是否为低优先级。

(2)S-GW根据ARP和运营商策略来确定业务是否为低优先级业务，从而确定是否发起Downlink Data Notification Requests，达到降低Downlink Data Notification Requests的数量。

(3)MME和S-GW会保存Throttling Factor和Throttling Delay的限制比例和限制时间。

2.3.2 NAS Level拥塞控制机制

在NAS Level Congestion Control包含两个机制：基于APN的拥塞控制和通用NAS移动性管理控制。基于APN拥塞控制主要是对连接特定APN的终端进行EMM和ESM信令拥塞控制；而通用NAS移动性管理控制主要用在在通用拥塞条件下，对终端的NAS层移动性管理信令消息进行控制管理。

2.3.2.1 APN Based Congestion Control

为了避免连接特定APN的UE产生的EMM和ESM信令给网络带来拥塞，UE和网络应支持对特定基于APN的EMM和ESM拥塞控制。

(1)基于APN Session管理的拥塞控制

当某个APN被检测出拥塞，MME应运行Session Management back-off Timer，并拒绝来自UE的对于此APN的ESM请求消息(包括PDN连接，承载资源分配或正在资源修改请求等)。MME中的Session Management back-off Timer是基于每个UE和APN的。当MME发送Session管理请求消息给UE前，应该清除Session Management back-off Timer。

当从EPS Session Management reject消息中得到Session Management back-offer Timer后，UE应采取以下措施：

●如果在拒绝消息中带已知APN，则UE将不会发起对此APN业务管理流程。

●如果在拒绝消息中没带APN，则UE将不会发起不带APN的业务管理流程。

●在Cell/TA/PLMN/RAT切换时，Session Management back-off Timer继续运行。

●在Session Management back-off Timer运行时，UE允许发起Service User，紧急业务，Mobile Terminated Services。

●如果UE接收到网络初始的对拥塞APN的EPS Session管理请求消息，UE应终止Session Management back-off Timer。

●Session Management back-off Timer运行时，UE可以发起PDN 拆除过程。

●UE应支持对UE激活的每个APN分布设置Session Management back-off Timer。

(2)基于APN移动性管理的拥塞控制

当对某APN进行拥塞控制时，MME存储Mobility Management back-off Timer，并拒绝来自UE对此APN的移动性管理流程。如果MME中含有UE的Context，MME可以对每个UE存储back-off Timer。当back-off Timer运行时，UE将不会发起任何针对此APN的移动性管理流程的NAS信令。

2.3.2.2 General NAS Level Mobility

产生MM back-off Timer，并放在UE Context中，对EMM信令进行控制。但是对于处于Connected状态下的TAU不应该拒绝。如在切换过程中产生的TAU。

●在通用拥塞场景下，MME产生并运行back-off Timer，并拒绝来自终端的移动性管理信令请求。除了Service User，Emergency Services，Mobile Terminated Services业务外，UE不应发起其他业务的移动性管理消息。当UE收到Paging Request消息时，UE应停止Mobility Management back-off Timer并可以发出业务请求流程。

●Mobility Management back-off Timer应不影响Cell/RAT和PLMN切换。Cell/RAT和TA切换时，Mobility Management back-off Timer不应该停止。只有在新的PLMN不是Equivalent PLMN时，back-off Timer 才停止。

●在Connected Mode下，MME不应该拒绝TAU。而在Idle模式下，MME可以拒绝TAU，并在拒绝消息中包含back-off Timer。

●如果Mobility Management back-off Timer时间超过UE周期TAU+Implicit Detach Timer，MME应调整终端可达时间和Implicit Detach Timer，已保证MME在back-off Timer运行时间，MME不会Implicit Detach 终端。

目前3GPP R10已在2010年9月冻结，目前的主要工作是R10阶段对Congestion和Overload Control特性的澄清工作。在SA2#86次会议上，主要对back-off Timer的一些问题进行澄清。

3 R11阶段M2M工作

2010年6月，在SA#48全会上，SA2启动了R11 SI及Stage 2 WI项目System Improvements for Machine-type Communications(SIMTC)，计划在2012年3月完成全部MTC特性的研究。目前，R11阶段MTC网络架构方面的研究工作已开始起步，由于M2M需要研究的Feature比较多，因此SA2基于SA1对Feature的优先级逻辑分组，对相关的M2M Feature进行了分块，分成了8个Buliding Blocks。SA2希望在R11阶段能够优先完成前三个Blocks，即Reachability Aspects，Signaling Optimizations，CN-based and Power Considerations。在2011年10月举行的SA2#87次会议上，SA2将在R11阶段完成的Feature主要限定在Reachability Aspects这个Blocks中，即主要完成Addressing Aspects，Identifiers，MSISDN-less Aspects and PS-only和on-line Device Trigger Aspects，并根据优化方案对SIMTC的网络架构和结构进行相应的更新。

3.1 On-line device Trigger Aspects

对于Trigger的讨论，主要集中在两个方面，第一是采用什么样的Trigger方案，第二是Trigger方案在什么地方有谁来确定。根据目前讨论的结论来看，基于MT-SMS方案由于对网络影响较小，而被作为基础方案被各个公司所接受，而对于其他的Trigger方案，各个公司提出的方案较多，争议也比较大，目前还没有达成一致意见。

3.2 Identifier

对于标识的研究，主要研究使用什么样的内部标识和外部标识，内外部标识在什么地方进行映射以及内部标识如何与外部标识进行映射。

对于内部标识，3GPP认为在R11阶段IMSI应能满足需求，因此将IMSI做为内部标识。并要求网络支持IMSI与外部标识的映射。对于外部标识的讨论，各家公司争论较多，在SA2 #87次会议上，大家达成了初步的意向，主要对外部标识中应该具有的功能和应包含哪些信息达成了初步的共识：外部标识应包含以下功能：

(1)应支持一个或多个外部标识向同一个内部标识的映射。

(2)标识MTC终端的外部标识应全球惟一，并可全球可达。

(3)应支持运营商制定特定外部标识，这种标识仅在运营商网络内部可达。

基于这些功能需求，MTC的外部标识应有两部分组成，即Llocal-identifier和MNO-identifier。Local-identifier主要在运营商网络内部标识终端设备，在运营商网络内惟一，而MNO-identifier主要用来标识网络运营商，以便MTC-IWF用来选择HLR/HSS。外部标识为External Identifier = 。

3.3 Addressing Aspects

对于Addressing的研究，SA2认为未来MTC终端数量巨大，因此首先推荐使用IPv6作为IP地址的主要解决方案，但是考虑到目前IPv4网络仍是主流，且在将来也长时期存在，因此也在SIMTC的研究中考虑IPv4的解决方案，但是主要考虑的是基于IPv4的过渡方案，目前对于使用哪种IPv4解决方案，还没有确定，从目前的讨论来看，过渡方案重点还是NAT以及各种衍生版本的NAT，如Managed-NAT和Non-Managed-NAT等解决方案。

3.4 MSISDN-less Aspects and PS-only

主要讨论的是在没有MSISDN的条件下，如何实现对终端的寻址，目前讨论比较多的是短消息如何实现无MSISDN的寻址。目前各公司提出的解决方案较多，争论也比较大，尚未达成共识。

4 结束语

M2M技术已成为3GPP标准化组织在R11阶段主要研究内容，在最近韩国召开的SA2第87次会议上M2M的讨论占用了较多的时间。由于R11冻结时间限制，在R11阶段并不能完成所有M2M Feature的优化，其余的Feature将会放在以后的Release版本中继续讨论。随着物联网技术和应用的兴起，可以想象M2M技术将会成为未来3GPP技术发展趋势之一。

作者：杜加懂 来源：电信网技术

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