M2M系统的一个特点是需要支持海量的小数据率终端的资源分配和接入，直接缩小资源分配粒度并增大终端接入数量，需要对系统的设计做很大改动，而采用分层设计可以只对系统做小幅度修改而取得相似的效果。

    这种方法的思想是将终端分成若干组，每个终端组采用一个终端组ID，一个终端组内部的终端再采用终端ID来进一步区分。这种方式可以用较短的ID来实现，可以节省ID，节省寻址复杂度。

    M2M终端和H2H终端不同，其行为不是完全随意的，一组M2M终端（如一组相似类型的传感器）行为相似，就可以将多个总是保持相同状态（接入、附着、释放）的M2M终端分为一组，共享1个终端ID。从资源分配的角度，可以将具有相同的业务流量模型（包括相同的数据率、时延要求等）和资源需求量的多个终端分为一组，使终端组内所有终端的资源需求之和相当于一个传统H2H终端的资源需求量。

终端组内有一个终端充当“组长终端”，组长终端负责代表组内所有终端和网络的链路层保持连接，“组员终端”对于系统链路层是“透明的”。通过高层ID（如IP地址）进一步区分这个终端组内的各个终端。同时，“组长终端”代表整个终端组向系统请求无线资源，其他“组员终端”，不直接向系统申请资源。而是在组内所有终端之间形成固定的、预定义的资源分配。这样，系统分配给“组长终端”一个资源块，就相当于将这个资源块分给了这个终端组。系统的资源指示信令相当于在终端组内进行广播，组内的所有终端接收到系统的资源指示信令后，根据终端组的分配组员块和自己在组内的具体资源位置发送信息。基于此分层终端ID结构的终端接入和资源分配流程如图3所示：

    图3 基于分层终端ID的接入和资源分配流程

    （1）在网络部署过程中，对一个终端组内各终端的资源分配方法进行预定义，即组内各个终端占用分配给该终端组的资源的哪一部分。

    （2）终端接收网络侧设备接入层发出的系统同步和广播信息，组长终端和组员终端都接收此信息。

    （3）组长终端代表整个终端组向网络侧设备接入层发起接入。

    （4）组长终端和各组员终端分别向网络侧设备非接入层进行注册。

    （5）组长终端代表整个终端组向网络侧设备接入层发出资源请求。

    （6）网络侧设备接入层向组长终端发布分配给该终端组的无线资源。

    （7）组内各终端根据第1步中预定义的组内资源分配方法，计算出自己应该使用网络侧设备分配给本组的资源的哪一部分。

    （8）各终端在计算出的资源位置开始和网络侧设备进行通信。

    由于可以选择RRC状态相似的M2M终端（如相似类型的传感器）形成一组，一个组内的多个终端可以总是保持相同RRC配置，可通过同一个RRC连接来配置整个组的终端。由于M2M终端的信令较少，一个组的多个终端还可以采用时分、码分的方式共享一个控制信道。另外，M2M资源分配需要支持小颗粒的资源分配，可能采用的方式包括：

    ●码分方案：即将一个资源块分给多个终端，终端之间进一步采用扩频码复用，采用码复用使多个M2M终端共享一个最小资源颗粒。这种情况下，只要将M2M终端采用的扩频码和终端ID绑定就可以。

    ●时分方案：即将几个M2M终端分为一组，共享一个资源块，在一个资源块内的不同符号协同传输。终端间采用“预定义分配”避免额外信令，但需要考虑如何进行信道估计。

    ●频分方案：即仍保持频率资源分配，只是将每个用户的频带宽度减小，如将每个信道的带宽缩小到数kHz。这种方案可以直观地实现小数据率M2M传输，将改变标准，无法保持后向兼容性。

5 3GPP对M2M优化技术的研究进展

    3GPP并不研究所有的机器通信，只研究具有蜂窝通信模块、通过蜂窝网络进行数据传输的机器通信，称之为MTC（Machine Type Communication）。

    在2009年9月份的RAN #45次会议上，3GPP决定在R10启动一个研究针对MTC应用的无线网优化的Study Item（SI）：“RAN Improvements for Machine-type Communications”，相应成果收集在TR 37.868中。此SI的主要研究工作在RAN2进行，项目首先对MTC典型应用、业务模型和优化对象等进行研究。经过研究，RAN2将无线网拥塞确定为首要工作重点，包括RAN网络拥塞（尤其是随机接入的拥塞问题和信令网络拥塞）。

    在2010年9月的RAN #49次全会上，在SA的推动下，RAN全会决定成立一个关于MTC的新的WI，用来解决避免大量MTC设备接入导致的核心网过载问题。2011年3月份，RAN2完成了此WI并在RAN全会上通过。图4所示的是3GPP MTC R10标准化项目进程情况。

    图4 3GPP MTC R10标准化项目进程

    5.1 随机接入拥塞解决方案

    在3GPP讨论中，首先统一了LTE及UMTS系统的随机接入拥塞的仿真评估。另外，TR 37.868还收录了对智能抄表类MTC应用、车队管理类MTC应用以及地震监测类MTC应用的随机接入分析。

    关于如何解决大量MTC设备同时接入引起的随机接入拥塞问题，可以通过在应用层控制MTC设备的接入时间来解决，比如：在智能抄表类的业务中，可以通过在应用层设置不同的上报时间来避免大量智能水/电表同时触发业务上报。然而，在未来的M2M用户中，存在着大量的行业用户，这些行业用户可能并不完全受运营商的控制，也不了解蜂窝网络的特性，因而不会从网络利用的角度出发来考虑设置应用层的接入时间控制。在某些场景中，比如地震预报，大量的传感器必须在极短的时间内上报告警信息，网络必须能够同时处理大量的信息上报。因而也应该寻找无线侧针对MTC设备接入时间的控制方法，这些方案对于应用层是透明的，即使应用层没有设置相应的接入时间控制，网络也可以从容应付大量MTC设备的同时接入。

    在3GPP的讨论中，确认了以下几种解决随机接入拥塞的无线侧候选方案：

    （1）接入控制方案

    在E-UTRAN中，接入控制是由Access Class Barring功能实现的，用来抑制过多的流量，避免拥塞。当终端要求建立一个连接时，终端应当首先执行Access Class Barring检查。如果检查成功，终端才会发送RACH前导，开始RRC连接建立过程。E-UTRAN执行Access Class Barring的方法是：通过小区广播一个Barring因子和AC Barring Time。当终端启动层3接入时，终端抽取一个随机数，将这个随机数和Barring因子做比较。如果这个随机数小于Barring因子，终端开始随机接入过程，否则，终端会在AC Barring Time内被阻止接入。因此，可以为MTC设备引入新的Barring因子，实现对MTC终端的接入控制。

    （2）资源划分方案

    大量MTC设备的同时接入会增大RACH信道的负载，以及RACH前导碰撞的概率，同时也会影响正常终端的工作，使正常终端的碰撞概率也增加。可以通过为MTC设备动态地分配RACH资源来解决此问题：将一些RACH资源用于MTC，其他RACH资源用于正常终端，这样，MTC冲突概率的增加不会影响正常终端，RACH资源分配可以根据网络状态而动态调整并在系统信息中广播。

（3）动态RACH资源分配方案

    此方案主要是“开源”，即增加RACH资源：首先，可以在时间域上增加，即当eNodeB检测到随机接入的高峰正在到来时（如Preambles利用率超过了预定义的门限），可以通过Paging或者新的SIB来暂时增加一个或多个子帧作为PRACH资源，当高峰过去以后，可以取消暂时增加的配置。其次，也可以在频率域上增加。目前的LTE标准中，用于RACH接入的资源是6个RB。当eNB检测到随机接入的高峰正在到来时，其可以通过Paging或者新的SIB来暂时增加另外的6个RB作为RACH资源。