3GPP/IEEE 802.16標準撐腰
M2M技術發展前景可期

隨著M2M通訊技術發展成熟，M2M應用技術結合無線通訊網路如長程演進計畫(LTE)、全球行動通訊系統(UMTS)、IEEE 802.16e、IEEE 802.16m等，則為創新的服務概念帶來廣大的商機。因應著市場殷切的需求，國際標準組織3GPP與IEEE 802.16皆如火如荼地展開M2M相關的技術討論。

以下將依序介紹M2M目前在標準組織中所討論的應用場景，接著再介紹3GPP與IEEE 802.16通訊系統的M2M技術發展現況，希望透過本文的介紹，讓讀者對於未來M2M在3GPP/IEEE 802.16通訊網路技術發展有一個系統性的了解。

M2M應用無遠弗屆

在3GPP中主要提出下列不同場景來說明M2M結合3GPP/IEEE 802.16無線通訊網路的應用及使用模式。第一個場景是智慧電表。這個應用場景是目前3GPP最主要的討論範疇之一。M2M裝置主要應用在回報使用者的電表、天然氣、水表等使用狀況，藉此改善傳統人工抄表的工作。智慧電表不只具有遠端讀表的功能，更能依據電能或瓦斯單位價格的變動，管理家電的使用，增進能源使用效率。

智慧電表同時提供消費者與業者有效的協助，對消費者來說，智慧電表可支援負載控制程式如提供顧客需求回應與計價方式、淨計量法(Net Metering)、插入式充電汽車、智慧家電的監測與控制等。對業者而言，智慧電表可支援限電管理、負載預測與平衡、偷竊與竄改偵測以及資產管理等。

如圖1所示，具有M2M功能的智慧電表藉由短距離無線傳輸或家庭區域網路(Home Area Network, HAN)，蒐集來自家電用品的電能使用資訊，並透過核心網路(Core Network)傳送到M2M伺服器。另一方面，智慧電表也能經由電力線載波通訊、無線電等方式與M2M裝置聯繫，M2M裝置則整合智慧電表的資訊，再傳送給M2M伺服器處理。

資料來源：3GPP TS 22.368，作者整理繪製 圖1　智慧電表示意圖

在用路安全管理上，主要透過車載安裝M2M裝置來實現導航、車流監控管理與電子收費等緊急通報服務的相關應用。駕駛者更可透過M2M裝置所回報的地理位置資訊及其他資訊提前改道以避免遇到塞車的情況。

舉例來說，為了提供駕駛者導航服務，M2M伺服器必須能夠監控每一輛車或某一群車輛的狀態，配備M2M裝置的車輛透過3GPP或IEEE 802.16蜂巢網路，週期地傳送資訊如位置、速度等到M2M伺服器。M2M伺服器透過分析該接收資訊以提供駕駛導航、交通狀況。

其他的應用情境還包含運輸貨物、車隊追蹤等。廣域網路(WAN)M2M服務可以讓公司追蹤其車隊、得知道路的故障、分析行車速度等，最後將這些資訊回報給司機。M2M服務也能讓公司資產與管理系統彼此交換資訊，提供公司供應鏈各方面的能見度，報告公司資產的位置以協助航運管理。

資料來源：3GPP TS 22.368 圖2　車輛追蹤示意圖

圖2是車輛追蹤的應用實例，一輛裝載著高價值物品的車輛從倉庫向大型賣場移動時，該車輛裝備著IEEE 802.16 M2M功能的設備，此M2M裝置提供安全與送貨時間等考量，在這個應用情境中，M2M裝置透過IEEE 802.16 ASN與M2M伺服器聯繫，並隨時回報其最新的位置。另一方面，M2M伺服器也可要求M2M回報車輛的位置，或者回報感測器的狀態給車輛管理系統。

在保全與監測方面，則主要用來防止車輛竊盜與建築物非法入侵。通常建築物與車輛可以配備M2M裝置，當M2M裝置偵測到非法入侵時，M2M裝置可將偵測到的數據或影片即時傳送到M2M伺服器。M2M伺服器在蒐集這些資訊後，藉此判斷是否有車子移動或建築物侵入，M2M伺服器會發出警訊給M2M使用者，提醒使用者狀況正在發生。如果傳輸的是影像，更可以結合保全系統傳輸給在地的派出所，提供及時的防護措施。

若是健康照護，WAN M2M健康照護可以改善監控患者、健康紀錄及醫生的回應機制。因此能夠提供更精確、更快速的身體健康狀況變化數據，以及更即時的醫療診斷。例如，當患者穿著生物感測器，記錄血壓、體溫、心跳數、體重等健康數據時，感測器會將蒐集到的數據傳送給M2M裝置，並藉由M2M裝置將這些資料傳送給M2M伺服器，以便將數據儲存或作適當的反應。

資料來源：3GPP TS 22.368 圖3　健康照護示意圖

如圖3所示，M2M裝置與M2M伺服器(健康管理系統)透過3GPP或IEEE 802.16通訊系統彼此聯繫。M2M裝置會定期傳送患者的健康資訊給健康管理系統，而健康管理系統也會傳送設定資料給M2M裝置，甚而健康管理系統可將這些資料提供給醫生，以達到遠距離的診療效果。另一方面，M2M健康照護服務亦可提供患者的位置，以協助尋找老年失智症患者的下落。

在公共安全議題上，主要包含緊急事件回報、公共保全系統，以及環境監控如自然災害的監控。例如，M2M裝置被安裝在靠近河流或水壩的地方，定期回報水位給M2M伺服器，M2M伺服器分析整理後提供給負責管理的組織。此外，M2M伺服器也可以回報M2M裝置以啟動警報器，或依據水位來調整攔水壩的高度。在緊急回報系統方面，WAN M2M通訊允許公共保全系統傳輸即時影像給派出所、消防局或醫院，以結合整體救援系統，達到完善的公共安全處理。另外，WAN M2M服務也可使用於監控假釋的罪犯，達到個人安全的防衛。

對消費性電子產品來說，M2M技術主要結合一般的消費性電子產品，如數位相框、數位相機、電子書閱讀器、個人電腦、電話、電視等產品加以嵌入通訊模組，用以上傳或下載圖片、電子書、更新驅動程式、支援設備之間的數位內容分享等功能。

3GPP M2M技術受關注

在3GPP標準中，M2M也稱為MTC。因應市場需求，3GPP已熱烈展開MTC的討論。在系統架構(System Architecture, SA)列出MTC的服務需求後，2009年12月，無線存取網路(RAN)工作小組也啟動了MTC的研究階段(Study Item)，其主要討論RAN在支援MTC的各項應用時，對於現有無線存取協定的影響。因此，如何避免MTC對原本人到人(Human to Human, H2H)通訊造成影響，以及如何避免通訊節點超載(CN Overload)，則是各小組(Group)目前積極討論的技術議題。接下來，將依序介紹系統架構、現況與趨勢，以便讓讀者了解M2M在3GPP標準的技術發展。

3GPP M2M系統架構完善

M2M的系統架構主要分為MTC裝置與MTC伺服器通訊、MTC裝置直接與其他的MTC裝置通訊兩個部分。在MTC裝置與MTC伺服器間的端點對端點的應用架構中，3GPP通訊系統扮演著為其轉送與通訊服務的橋樑(圖4)，MTC裝置透過MTCu介面與3GPP網路如UMTS陸地無線存取網路(UTRAN)、發展的UTRAN(E-UTRAN)、GERAN(GSM EDGE Radio Access Network)、智慧型無線區域網路(I-WLAN)等網路連結，MTC裝置再利用3GPP通訊系統的承載服務(Bearer Service)、簡訊服務(SMS)、IP多媒體子系統(IMS)與MTC伺服器或其他的MTC裝置通訊。

資料來源：3GPP TS 23.888 圖4　3GPP M2M系統架構

而MTC伺服器則透過MTCi/MTCsms介面與3GPP網路連結，並得以傳送資料給MTC裝置，或是接收來自MTC裝置所回報的資料。另外，MTC裝置直接與其他的MTC裝置通訊的系統架構，則不在3GPP目前討論的技術範圍內。

優先處理CN Overload問題

圖5　後端網路過度負載示意圖

避免CN Overload是目前會議決議最優先處理的議題，3GPP各小組正積極針對CN Overload對其小組所造成的影響來討論相對應的解決方法。以RAN2而言，先前各大公司針對RAN超載控制(Overload Control)議題進行相關討論。當大量的MTC裝置布建於某一個區域時，大量的MTC控制訊號(Control Signaling)可能會造成移動管理實體(Mobility Management Entity, MME)過度負載，進而造成封包遺失、不可預期的延遲，甚至是網路無法提供服務(圖5)。因此，如何能保證類似MTC這樣的應用服務不致對網路的負載造成影響，便是3GPP目前所討論的技術重點。

以上行負載控制(UL Load Control)而言，應用層的時間分散機制可有效的避免同一時間有過多的MTC裝置欲進行上行(UL)資料的傳輸，然而，只靠應用層的存取管理是不夠的，因此3GPP RAN Group則提出在不影響H2H資料的傳送下，RAN層級(Level)的Overload Control機制如下：

‧	限制層級存取機制(Access Class Barring Schemes)
	除了其他裝置的存取控制外，網路應根據超過負載的標準來決定MTC裝置的存取層級，用以限制全部或部分的MTC裝置存取網路。而根據現有的UMTS與LTE系統，如何修改層級存取(Access Class)及修改限制層級存取要素(Access Class Barring Factor)以控制MTC裝置存取網路的機會，則是這個機制主要考慮的地方。

‧	分配MTC專有的競爭資源(Separate RACH Resources for MTC)
	當MTC與H2H裝置共享同樣的競爭資源(RACH Resources)時，它們則會有相同的存取碰撞機率。為了不影響H2H的資料傳送，這個機制著重在將競爭資源分配給H2H群組及MTC群組，讓各群組的裝置有各自專有的競爭資源以有效獲得資料傳送資源。

‧	動態配置競爭資源(Dynamic Allocation of RACH Resources)
	與上一個機制不同處在於，在某些場景下，網路系統可先行預估MTC裝置的存取負載，因此，網路系統可動態配置額外的競爭資源供MTC裝置使用。

‧	MTC特有的回退機制(MTC Specific Backoff Scheme)
	利用現有的回退機制，在MTC裝置欲重新存取網路時，配給MTC特有的回退時間，例如較長的回退時間可讓MTC裝置等待較久的回退時間才能存取網路。

‧	時段存取機制(Slotted Access)
	在時段存取機制中，定義MTC裝置存取的週期/時段(類似於尋呼週期/時段)，且每個MTC裝置只能在自己所屬的時段執行存取網路的動作。而存取的時段是與系統訊框同步的。每個MTC裝置可根據其身分(ID)如國際行動用戶識別碼(IMSI)，計算出其可存取的時段。抑或為簡化設計的方法，存取時段亦可做為尋呼(Page)MTC裝置的時段。

‧	詢問機制(Pull based scheme)
	有別於前述的機制都是MTC裝置根據配置的資訊來作為存取網路的依據，詢問機制則是由網路系統依序詢問MTC裝置是否要存取網路。也就是說，如果MTC伺服器可以得知MTC裝置欲在何時回報資料，或是MTC伺服器需要MTC裝置回報資料時，MTC伺服器可透過後端網路來尋呼MTC裝置。由於MTC裝置在收到尋呼訊息時，其會建立無線資源控制(RRC)連線，因此基地台(eNB)或無線網路控制器(RNC)會根據網路負載的條件來控制尋呼的方式。而為了降低eNB或RNC傳送尋呼訊息的訊號量，群呼(Group Paging)的方式則是目前討論的方法之一。

另外，為避免大量MTC裝置在收到尋呼訊息時，一同存取網路以建立RRC連線的情況發生，目前RAN2則討論在尋呼訊息中包含MTC的回退時間來分散MTC裝置存取網路的時間。

接下來，3GPP各Group將持續根據SA的決議，來討論避免CN Overload的機制，例如RAN層級指示(Level Indication)、非存取層層級指示(NAS Level Indication)、存取類別限制(Access Class Barring)、漫遊使用者管理(Roaming User Handling)等。而對於如何避免MTC裝置對H2H的通訊造成影響，以及如何提升MTC資源分配的效率等議題，將是未來MTC Work Item階段主要發展的方向。

IEEE 802.16 M2M發展如火如荼

IEEE 802.16標準觀察到M2M通訊的重要性，也準備成立任務小組(Task Group, TG)，積極推動M2M通訊標準。目前計畫籌畫委員會(Project Planning Committee)正在修訂需求規格書，待需求規格書通過IEEE執行委員會(EC)的審閱後，便會成立802.16p任務小組，負責執行M2M通訊標準的制訂工作。

IEEE 802.16 M2M系統架構分工細密

圖6～7是IEEE 802.16通訊系統下的M2M服務系統架構，M2M裝置是具備M2M功能的IEEE 802.16行動裝置，M2M伺服器與一或多個M2M裝置彼此聯繫，且後端與M2M使用者(M2M Service Consumer)介接。M2M伺服器可能存在於連結服務網路(Connectivity Service Network, CSN)內部或外部，提供M2M服務給M2M裝置，而M2M應用軟體則運作於M2M裝置與M2M伺服器之間

M2M服務基本架構(圖6)支援兩種類型的M2M通訊，第一是M2M裝置與M2M伺服器之間的通訊，第二是IEEE 802.16基地台與M2M裝置之間的通訊。值得注意的是，M2M裝置可用於非IEEE 802.16 M2M裝置的資料彙整。非IEEE 802.16 M2M裝置可使用不同的無線介面如IEEE 802.11、IEEE 802.15、電力線通訊(PLC)等，與IEEE 802.16 M2M裝置介接，這種架構下的IEEE 802.16的介面不需要調整。。

資料來源：3GPP TR 37.868 圖6　M2M服務系統架構--基本架構

M2M服務進階架構(圖7)進一步允許IEEE 802.16 M2M裝置可以整合IEEE 802.16 M2M裝置的資料流，進階架構下的IEEE 802.16介面須要略作調整，以區分IEEE 802.16 M2M裝置與非IEEE 802.16 M2M裝置。進階架構也支援IEEE 802.16 M2M裝置之間的點對點(P2P)通訊，其中P2P通訊可透過不同的存取介面如IEEE 802.16、IEEE 802.11、IEEE802.15或PLC等。

資料來源：3GPP TR 37.868 圖7　M2M服務系統架構--進階架構

為了能滿足各式各樣的M2M應用，IEEE 802.16p建議應從基本架構開始設計與實作，再考慮增加新的功能到進階架構中。同時也為了滿足標準訂定時程，IEEE 802.16p建議第一版的方案授權要求(Project Authorization Request, PAR)應就M2M個別需求，限制MAC設計上的延伸，並進一步限制正交分頻多重存取(OFDMA)實體層(PHY)架構的延伸，讓硬體實作的影響達到最小。

需求與特性因地制宜

以下將依據不同的應用或網路環境，列述各種M2M使用模式下的需求與特性，以便了解IEEE 802.16目前所討論的M2M狀態：

‧	極低的功率消耗
	可能因無法充電或數量龐大而使得充電成本過高等因素，有些M2M裝置只能靠電池提供電力，因此M2M裝置必須能夠在長時間的使用下維持極低的功率消耗。此特性適用於追蹤、保全與監測及公共安全等使用模式下的M2M裝置。

‧	高信賴度
	意指M2M裝置與M2M伺服器之間在任何時間、地點、通道品質傳輸資料應被保障。緊急事件或高敏感資料尤需高信賴度的M2M應用軟體。高信賴度的特性適用於保全與監測、健康照護與公共安全等使用模式。

‧	存取優先權
	M2M裝置應比其他設備擁有更高的網路存取優先權。對警報、緊急事件通報等系統來說，存取優先權是必須的。存取優先權的特性適用於保全與監測、健康照護與公共安全等使用模式。

‧	允許大量設備的存取傳輸
	M2M系統應能夠處理大量的M2M裝置同時的存取傳輸，包含為大量的M2M裝置定址、分類與群組。此特性尤適用於智慧電表、用路安全管理、保全與監測、健康照護與公共安全等使用模式。

‧	安全性
	M2M裝置應支援IEEE 802.16安全性功能，包含完整性與機密性的保護。一般使用情況下的 M2M系統使其容易受到物理性的威脅、硬體/軟體/ 韌體等的遠端攻擊、憑證/設定/網路等攻擊行為。WAN M2M系統應能夠提供M2M裝置或M2M閘道器應用層的認證，對於交換的資料也能提供驗證與驗收。

‧	小封包傳輸
	M2M系統應針對小封包傳輸提供更小的負擔，此特性適用於所有的使用模式。

‧	低移動性
	M2M裝置幾乎不會移動，或只在某一特定區域內移動，且移動頻率很低，因此系統可就移動相關運作達到簡化與最佳化的設定。此特性適用於智慧電表、保全與監測及公共安全等使用模式。

‧	傳輸時程控制
	傳輸時程控制意指系統能夠控制M2M裝置在特定時間傳送或接收資料。對於時間容忍性較高的M2M裝置，系統可給予其較低的存取優先權，或延遲其資料傳輸。大部分的使用模式都須要控制傳輸時程，避免大量M2M裝置傳輸時的碰撞。

‧	單方向資料流
	意指資料的傳輸只有單一方向，例如公共安全使用模式下的M2M裝置，會週期地傳送影像資料給M2M伺服器，屬於「M2M裝置起始」單方向資料流。電子書等消費性電子產品的更新，則屬於「M2M裝置結束」單方向資料流。

‧	極低延遲
	指盡可能降低M2M裝置的網路存取延遲，以及資料傳輸延遲。此特性適用於緊急狀況的警報短訊傳輸。

目前IEEE 8021.16正積極訂定M2M通訊的需求規格書，以求基本架構下的M2M通訊功能可以快速被市場採用，且在市場逐漸成熟的時刻，能提供最佳化與進階的M2M通訊功能。

廠商投入踴躍　前景一片看好

隨著消費者對於M2M應用服務的需求日益增加，營運商看準這塊市場大餅，憑藉著累積多年的M2M應用發展經驗，積極地在3GPP/IEEE 802.16無線通訊網路標準中，發展M2M相關技術。因此，許多國際知名大廠如英特爾(Intel)、沃達豐(Vodafone)、三星(Samsung)、華為、高通(Qualcomm)等也都相繼投入大量的資源，進行M2M的標準制定工作。包括3GPP、IEEE 802.16等組織，針對M2M裝置大量布建時可能面臨到的問題，分別從網路管理與無線存取方面著手，討論並制定讓營運商及製造商遵循的標準。未來，只要M2M應用服務規模化的發展，可以預見其有著繁榮的前景，這也將是廣大消費者的一大福音。

(本文作者任職於資策會網路多媒體研究所)