M2M的移動(dòng)通信優(yōu)化技術(shù)

圖4 3GPP MTC R10標準化項目進(jìn)程

5.1 隨機接入擁塞解決方案

在3GPP討論中，首先統一了LTE及UMTS系統的隨機接入擁塞的仿真評估。另外，TR 37.868還收錄了對智能抄表類(lèi)MTC應用、車(chē)隊管理類(lèi)MTC應用以及地震監測類(lèi)MTC應用的隨機接入分析。

關(guān)于如何解決大量MTC設備同時(shí)接入引起的隨機接入擁塞問(wèn)題，可以通過(guò)在應用層控制MTC設備的接入時(shí)間來(lái)解決，比如：在智能抄表類(lèi)的業(yè)務(wù)中，可以通過(guò)在應用層設置不同的上報時(shí)間來(lái)避免大量智能水/電表同時(shí)觸發(fā)業(yè)務(wù)上報。然而，在未來(lái)的M2M用戶(hù)中，存在著(zhù)大量的行業(yè)用戶(hù)，這些行業(yè)用戶(hù)可能并不完全受運營(yíng)商的控制，也不了解蜂窩網(wǎng)絡(luò )的特性，因而不會(huì )從網(wǎng)絡(luò )利用的角度出發(fā)來(lái)考慮設置應用層的接入時(shí)間控制。在某些場(chǎng)景中，比如地震預報，大量的傳感器必須在極短的時(shí)間內上報告警信息，網(wǎng)絡(luò )必須能夠同時(shí)處理大量的信息上報。因而也應該尋找無(wú)線(xiàn)側針對MTC設備接入時(shí)間的控制方法，這些方案對于應用層是透明的，即使應用層沒(méi)有設置相應的接入時(shí)間控制，網(wǎng)絡(luò )也可以從容應付大量MTC設備的同時(shí)接入。

在3GPP的討論中，確認了以下幾種解決隨機接入擁塞的無(wú)線(xiàn)側候選方案：

(1)接入控制方案

在E-UTRAN中，接入控制是由Access Class Barring功能實(shí)現的，用來(lái)抑制過(guò)多的流量，避免擁塞。當終端要求建立一個(gè)連接時(shí)，終端應當首先執行Access Class Barring檢查。如果檢查成功，終端才會(huì )發(fā)送RACH前導，開(kāi)始RRC連接建立過(guò)程。E-UTRAN執行Access Class Barring的方法是：通過(guò)小區廣播一個(gè)Barring因子和AC Barring Time。當終端啟動(dòng)層3接入時(shí)，終端抽取一個(gè)隨機數，將這個(gè)隨機數和Barring因子做比較。如果這個(gè)隨機數小于Barring因子，終端開(kāi)始隨機接入過(guò)程，否則，終端會(huì )在A(yíng)C Barring Time內被阻止接入。因此，可以為MTC設備引入新的Barring因子，實(shí)現對MTC終端的接入控制。

(2)資源劃分方案

大量MTC設備的同時(shí)接入會(huì )增大RACH信道的負載，以及RACH前導碰撞的概率，同時(shí)也會(huì )影響正常終端的工作，使正常終端的碰撞概率也增加?？梢酝ㄟ^(guò)為MTC設備動(dòng)態(tài)地分配RACH資源來(lái)解決此問(wèn)題：將一些RACH資源用于MTC，其他RACH資源用于正常終端，這樣，MTC沖突概率的增加不會(huì )影響正常終端，RACH資源分配可以根據網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)而動(dòng)態(tài)調整并在系統信息中廣播。

(3)動(dòng)態(tài)RACH資源分配方案

此方案主要是“開(kāi)源”，即增加RACH資源：首先，可以在時(shí)間域上增加，即當eNodeB檢測到隨機接入的高峰正在到來(lái)時(shí)(如Preambles利用率超過(guò)了預定義的門(mén)限)，可以通過(guò)Paging或者新的SIB來(lái)暫時(shí)增加一個(gè)或多個(gè)子幀作為PRACH資源，當高峰過(guò)去以后，可以取消暫時(shí)增加的配置。其次，也可以在頻率域上增加。目前的LTE標準中，用于RACH接入的資源是6個(gè)RB。當eNB檢測到隨機接入的高峰正在到來(lái)時(shí)，其可以通過(guò)Paging或者新的SIB來(lái)暫時(shí)增加另外的6個(gè)RB作為RACH資源。

(4)MTC特定的隨機接入回退(Backoff)方案

在目前的LTE中，普通終端在初始接入時(shí)的回退值設為零，當初次接入沒(méi)有成功，eNB會(huì )通知終端一個(gè)具體的回退時(shí)間，終端在零和此回退時(shí)間內產(chǎn)生一個(gè)隨機值，經(jīng)過(guò)此隨機值的時(shí)間，終端才可以重新發(fā)起接入。此方案的主要思想是為MTC引入一個(gè)與普通終端不同的回退方案，比如：初始接入時(shí)即有一個(gè)非零的回退值，另外，回退值的范圍也可以比普通終端更廣。

(5)MTC特定時(shí)隙接入方案

此方案為MTC設備定義一個(gè)接入周期/時(shí)隙(與尋呼周期/時(shí)隙的概念相似)，每個(gè)MTC設備只能在特定的接入時(shí)隙內接入，其具體的接入時(shí)隙可以通過(guò)其ID(IMSI)來(lái)決定。

(6)Pull方案

對于某些MTC應用，如智能抄表，可以不允許它們進(jìn)行類(lèi)似于普通終端的Mobile Originating 呼叫。而是通過(guò)MTC Server控制的方法，即讓MTC Server觸發(fā)MME來(lái)尋呼相應的MTC設備，只有被尋呼的設備才能接入網(wǎng)絡(luò )發(fā)送它們的數據。目前的尋呼消息必須包含每個(gè)被尋呼終端的ID，只有符合終端ID的終端設備會(huì )回應尋呼消息。此方案引入了組ID的概念，可以在尋呼消息中發(fā)送這個(gè)組ID，所有屬于這個(gè)組ID的MTC設備都會(huì )回應這個(gè)Paging消息。通過(guò)使用組ID，極大地減少了尋呼開(kāi)銷(xiāo)。另外，可以通過(guò)設置組的大小，來(lái)控制同時(shí)接入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)的MTC設備數量。

5.2 針對核心網(wǎng)擁塞的無(wú)線(xiàn)側解決方案

當核心網(wǎng)擁塞時(shí)，E-UTRAN應當識別并及時(shí)拒絕掉一些低優(yōu)先級MTC終端的接入，以保證高優(yōu)先級終端(包括高優(yōu)先級MTC終端)的傳輸。為此，3GPP決定為終端引入一個(gè)“Delay Tolerant”指示，當終端使用此指示時(shí)，表明其可以在網(wǎng)絡(luò )擁塞時(shí)忍受較長(cháng)的延遲。

值得注意的是，MTC應用也千差萬(wàn)別，并不是所有的MTC應用都可以忍受較長(cháng)的延遲，比如，用于地震預警的傳感網(wǎng)絡(luò )，即使在網(wǎng)絡(luò )擁塞時(shí)，也必須盡快地讓其接入并傳送數據。因此是否將MTC應用映射到“Delay Tolerant”上，由運營(yíng)商在NAS層配置。

當核心網(wǎng)處于擁塞狀態(tài)時(shí)，eNB可以通過(guò)拒絕或釋放掉那些對時(shí)延容忍度比較高的連接，并反饋一個(gè)等待時(shí)間值(最大值為1800s)。當終端收到上述消息后，會(huì )在終端側按照這個(gè)等待時(shí)間啟動(dòng)一個(gè)計時(shí)器，在計時(shí)器到期前，相應的MTC應用不再發(fā)起RRC連接。

6 結束語(yǔ)

對面向M2M的移動(dòng)通信系統優(yōu)化技術(shù)的研究才剛剛開(kāi)始，由于這些優(yōu)化技術(shù)不可避免地會(huì )改變現有移動(dòng)通信標準，3GPP對這些技術(shù)方案的態(tài)度都是十分謹慎的，到目前為止標準化了針對核心網(wǎng)擁塞的無(wú)線(xiàn)側解決方案，核心原因是因為目前M2M業(yè)務(wù)還不是移動(dòng)運營(yíng)商的核心業(yè)務(wù)。隨著(zhù)M2M業(yè)務(wù)在運營(yíng)商營(yíng)收中的比例提高，產(chǎn)業(yè)界會(huì )給與這些優(yōu)化技術(shù)更多的重視，移動(dòng)通信技術(shù)也終將會(huì )迎來(lái)更大的變革。