摘要：隨著物聯網的快速發展，M2M成為各個標準化組織研究和標準制定的工作重點。3GPP作為移動通信技術的主要研究和標準制定者，對M2M的相關研究和標準制定也在加緊進行。本文在介紹3GPP各個工作組的工作情況的基礎上，重點介紹了M2M在3GPP在SA2的研究和標準化進展情況。
1 引言
3GPP各個工作組對M2M的研究范圍和重點各有不同，它們通過分工合作來實現對M2M技術的需求、功能、架構、安全、信令流程等的研究和標準制定。具體來說SA1工作組主要負責M2M業務需求和特性的分析，制定相關的需求規范TS.22.368，從而為其他各組奠定研究基礎；SA2基于SA1提出的需求進行M2M總體網絡優化方案的設計，包括基本網絡架構、主要功能和基本流程等，并輸入到研究報告TR.23.888中；SA3主要負責分析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的架構和功能設計，進行終端及核心網方面M2M各種優化技術的具體實現；TSG GERAN和TSG RAN中各工作組負責M2M通信在無線接入網絡中的優化。本文主要對3GPP SA2在R10和R11階段M2M的標準化工作進行梳理和總結。
2 R10階段M2M工作
未來MTC終端的數量與現有傳統終端相比，將呈數量級的增長。雖然這些終端可能相對靜止同時產生的業務數據流量也比較小，但每個終端卻產生與傳統終端幾乎相同的信令數量，因此，當將來大量的MTC終端與網絡進行信令交互時，勢必會對網絡產生巨大的沖擊，致使網絡產生過載和擁塞。為了應對這一變化，3GPP SA2在SA1對MTC優化需求研究和標準化的基礎上，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網絡的影響及網絡實現MTC通信的優化方案。
雖然在SA1定義了多種M2M優化Feature，但由于時間和工作量等原因，3GPP在R10階段主要對MTC引起的網絡過載和擁塞進行研究。NIMTC工作組主要基于以下兩種場景來考慮網絡過載和擁塞：
(1)運行在終端上的應用可能會使大量終端同時做某事。
(2)當擁有大量漫游終端，且它們服務網絡出現故障，會同時重新附著到新的網絡中，使網絡產生擁塞。
在R10階段，就是基于以上兩種場景的考慮，對網絡過載和擁塞處理控制機制進行優化，以應對未來海量MTC終端對網絡的沖擊。
SA2主要采用以下機制來應對MTC終端對網絡的沖擊。
2.1 對UE配置和使用標識
通過對UE配置和使用不同的標識，使MTC終端能夠使用與傳統終端相比進行優化的信令過程，同時也可以使網絡針對不同標識的終端根據運營商策略和網絡狀態采取不同的管理策略。具體的配置和標識如下：
(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狀態進行處理，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的Low Access Priority(無線側具體Indicator的名稱及形式需參照RAN工作組的規定)傳遞給E-UTRAN，傳遞Indicator是便于網絡決定是否接受這個NAS信令，或者進行RRC連接的建立。Low Access Priority不適用于以下場景：
(1)緊急業務。
(2)接入等級為11~15用戶(如MulTimedia Priority Services)。
(3)對于響應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應將此Indication傳遞給S-GW/PGW，這個Indication和其建立的PDN連接相關聯。
Low Access Priority Indicator存儲在MME EPS Bearer Contexts中是為了計費需要，而無其他用途。
2.2 優化周期性RAU/TAU
終端在Idle態下，會進行周期性位置更新，為了降低海量MTC終端周期性位置更新TAU/RAU給網絡帶來的網絡負載，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根據運營商策略、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優先級高于MME本地配置。
2.3 采用Overload控制機制
對于Overload的控制總體可以分為對上行和下行數據及信令的控制機制，對于下行的擁塞和過載控制主要通過Downlink Data Notification Requests限制機制來實現，而對于上行的擁塞和過載控制主要通過NAS Level擁塞控制機制來實現，Overload控制機制的主要原理是通過有效阻止或降低低優先級業務來達到緩解網絡擁塞的目的。
2.3.1 Downlink Data Notification Requests限制機制
對于下行數據和信令控制主要采用對Downlink Data Notification Requests進行限制來實現。
(1)MME可以拒絕S-GW的低優先級業務的Downlink Data Notification Requests，MME根據ARP和運營商策略來確定業務是否為低優先級。
(2)S-GW根據ARP和運營商策略來確定業務是否為低優先級業務，從而確定是否發起Downlink Data Notification Requests，達到降低Downlink Data Notification Requests的數量。
(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擁塞控制機制
在NAS Level Congestion Control包含兩個機制：基于APN的擁塞控制和通用NAS移動性管理控制。基于APN擁塞控制主要是對連接特定APN的終端進行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產生的EMM和ESM信令給網絡帶來擁塞，UE和網絡應支持對特定基于APN的EMM和ESM擁塞控制。
(1)基于APN Session管理的擁塞控制
當某個APN被檢測出擁塞，MME應運行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MME發送Session管理請求消息給UE前，應該清除Session Management back-off Timer。
當從EPS Session Management reject消息中得到Session Management back-offer Timer后，UE應采取以下措施：
●如果在拒絕消息中帶已知APN，則UE將不會發起對此APN業務管理流程。
●如果在拒絕消息中沒帶APN，則UE將不會發起不帶APN的業務管理流程。
●在Cell/TA/PLMN/RAT切換時，Session Management back-off Timer繼續運行。
●在Session Management back-off Timer運行時，UE允許發起Service User，緊急業務，Mobile Terminated Services。
●如果UE接收到網絡初始的對擁塞APN的EPS Session管理請求消息，UE應終止Session Management back-off Timer。
●Session Management back-off Timer運行時，UE可以發起PDN 拆除過程。
●UE應支持對UE激活的每個APN分布設置Session Management back-off Timer。
(2)基于APN移動性管理的擁塞控制
當對某APN進行擁塞控制時，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back-off Timer運行時，UE將不會發起任何針對此APN的移動性管理流程的NAS信令。
2.3.2.2 General NAS Level Mobility
產生MM back-off Timer，并放在UE Context中，對EMM信令進行控制。但是對于處于Connected狀態下的TAU不應該拒絕。如在切換過程中產生的TAU。
●在通用擁塞場景下，MME產生并運行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業務外，UE不應發起其他業務的移動性管理消息。當UE收到Paging Request消息時，UE應停止Mobility Management back-off Timer并可以發出業務請求流程。
●Mobility Management back-off Timer應不影響Cell/RAT和PLMN切換。Cell/RAT和TA切換時，Mobility Management back-off Timer不應該停止。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應調整終端可達時間和Implicit Detach Timer，已保證MME在back-off Timer運行時間，MME不會Implicit Detach 終端。
目前3GPP R10已在2010年9月凍結，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網絡架構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的優先級邏輯分組，對相關的M2M Feature進行了分塊，分成了8個Buliding Blocks。SA2希望在R11階段能夠優先完成前三個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，并根據優化方案對SIMTC的網絡架構和結構進行相應的更新。
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。根據目前討論的結論來看，基于MT-SMS方案由于對網絡影響較小，而被作為基礎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，目前還沒有達成一致意見。
3.2 Identifier
對于標識的研究，主要研究使用什么樣的內部標識和外部標識，內外部標識在什么地方進行映射以及內部標識如何與外部標識進行映射。
對于內部標識，3GPP認為在R11階段IMSI應能滿足需求，因此將IMSI做為內部標識。并要求網絡支持IMSI與外部標識的映射。對于外部標識的討論，各家公司爭論較多，在SA2 #87次會議上，大家達成了初步的意向，主要對外部標識中應該具有的功能和應包含哪些信息達成了初步的共識：外部標識應包含以下功能：
(1)應支持一個或多個外部標識向同一個內部標識的映射。
(2)標識MTC終端的外部標識應全球惟一，并可全球可達。
(3)應支持運營商制定特定外部標識，這種標識僅在運營商網絡內部可達。
基于這些功能需求，MTC的外部標識應有兩部分組成，即Llocal-identifier和MNO-identifier。Local-identifier主要在運營商網絡內部標識終端設備，在運營商網絡內惟一，而MNO-identifier主要用來標識網絡運營商，以便MTC-IWF用來選擇HLR/HSS。外部標識為External Identifier = <Local-Identifier><MNO-Identifier>。
3.3 Addressing Aspects
對于Addressing的研究，SA2認為未來MTC終端數量巨大，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網絡仍是主流，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，如何實現對終端的尋址，目前討論比較多的是短消息如何實現無MSISDN的尋址。目前各公司提出的解決方案較多，爭論也比較大，尚未達成共識。
4 結束語
M2M技術已成為3GPP標準化組織在R11階段主要研究內容，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凍結時間限制，在R11階段并不能完成所有M2M Feature的優化，其余的Feature將會放在以后的Release版本中繼續討論。隨著物聯網技術和應用的興起，可以想象M2M技術將會成為未來3GPP技術發展趨勢之一。
