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5G大规模机器类通信中的传输技术

信息社会的无线通信关键技术”（METIS）项目，之后又启动

了5G-PPP项目，中国和韩国分别成立了IMT-2020推进组和5G

论坛[2-4]。目前5G的愿景与需求已经完成，基本特征已经明确，

在不远的将来，物联网（IoT）、车联网、虚拟现实、增强现实、

高清视频等都将涵盖大量不同类型的行业用户，这将会是5G所

必须要面对的挑战[5-6]。由国际电信联盟（ITU）定义的5G三大

场景分别为增强移动宽带（eMBB）、大规模机器类通信（mMTC），

以及低时延高可靠通信（URLLC），其中的eMBB场景可以看作

是4G移动宽带技术的演进。

机器类通信（MTC）一直是IoT业务的潜在挑战，为IoT的

场景之一，对带宽和通信的实时性、可靠性要求较高。在第3代

合作伙伴计划（3GPP）对MTC的定义中，MTC是一种数据通信

形式，它涉及到一个或多个不需要人机交互的实体，与传统的移

动网络通信相比，MTC拥有更低的开销，并且还能够满足海量链

接。MTC涉及到了两种主要通信场景：一种是MTC设备与一个

或多个MTC服务器进行通信；另一种是MTC设备与设备之间进

行通信。如图1所示为3GPP所定义的MTC场景架构，其中，

网络算子提供到MTC服务器的网络连接，这适用于受网络算子

控制的MTC服务器，也适用于不受网络算子控制的MTC服务

器，这就是说，在MTC设备与服务器之间的通信分为服务器在

算子空间内与在算子空间外两种。

另外，爱立信将MTC按5G需求分为mMTC和关键MTC

（cMTC），其中mMTC用于满足海量数据连接，cMTC主要用于

实现低时延、高可靠的MTC业务。mMTC作为5G三大场景之

一，拥有可扩展和灵活的带宽，属于低速率传输，主要面向以传

感器和数据采集为目标的应用场景。表1所示为mMTC主要的

应用场景及特点。在mMTC场景中往往需要采集和处理海量数

据，压缩感知（CS）理论是一种能够成功恢复稀疏信号的采样方

法，又因为mMTC用户具有稀疏特性，因此将CS应用于mMTC

场景中能够有效地提升传输性能。同样CS技术也应用于车联网

（V2V）的数据采集，而V2V即是5G中URLLC场景的典型应

用。

1mMTC主要传输技术

大规模部署的IoT以少量数据和低速率为主，无线传输技术

能够将遍布IoT的传感器全部连接起来，而IoT对无线传输技术

的需求主要体现在距离范围、数据速率、带宽、安全和成本等方

面，其对能耗方面的要求也非常严格。目前IoT中的无线传输技

术正在向低功耗广域网（LPWAN）方向发展，而LPWAN在MTC

通信中的发展十分迅速，其主要特征体现在了覆盖范围广、低功

耗和大容量等方面，这些特征也迎合了mMTC对无线传输的需

求。5GmMTC场景为了满足海量连接及数据采集的服务需求，

诞生了许多种无线传输技术，如表2所示。

在mMTC中的备选多址接入技术有15种之多，非正交多址

接入技术（NOMA）和稀疏码多址接入技术（SCMA）主要应用

在mMTC场景中的上行传输，由于mMTC用户具有稀疏特性，

所以SCMA主要应用于mMTC场景。同时，基于蜂窝技术的MTC

将成为5G的主流，基于蜂窝的典型IoT技术为窄带物联网（NB-

IoT），窄带频率仅为180kHz，北京星河亮点公司已经研发出了

NB-IoT专用测试仪器。LoRa是一种基于线性扩频（CSS）机制

的专有扩频方法，适合远距离传输。NB-IoT和LoRa技术主要适

用于智能电表、智能家