M2M的移動通信優(yōu)化技術(shù)

圖4 3GPP MTC R10標(biāo)準(zhǔn)化項目進程

5.1 隨機接入擁塞解決方案

在3GPP討論中，首先統(tǒng)一了LTE及UMTS系統(tǒng)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MTC應(yīng)用、車隊管理類MTC應(yīng)用以及地震監(jiān)測類MTC應(yīng)用的隨機接入分析。

關(guān)于如何解決大量MTC設(shè)備同時接入引起的隨機接入擁塞問題，可以通過在應(yīng)用層控制MTC設(shè)備的接入時間來解決，比如：在智能抄表類的業(yè)務(wù)中，可以通過在應(yīng)用層設(shè)置不同的上報時間來避免大量智能水/電表同時觸發(fā)業(yè)務(wù)上報。然而，在未來的M2M用戶中，存在著大量的行業(yè)用戶，這些行業(yè)用戶可能并不完全受運營商的控制，也不了解蜂窩網(wǎng)絡(luò)的特性，因而不會從網(wǎng)絡(luò)利用的角度出發(fā)來考慮設(shè)置應(yīng)用層的接入時間控制。在某些場景中，比如地震預(yù)報，大量的傳感器必須在極短的時間內(nèi)上報告警信息，網(wǎng)絡(luò)必須能夠同時處理大量的信息上報。因而也應(yīng)該尋找無線側(cè)針對MTC設(shè)備接入時間的控制方法，這些方案對于應(yīng)用層是透明的，即使應(yīng)用層沒有設(shè)置相應(yīng)的接入時間控制，網(wǎng)絡(luò)也可以從容應(yīng)付大量MTC設(shè)備的同時接入。

在3GPP的討論中，確認(rèn)了以下幾種解決隨機接入擁塞的無線側(cè)候選方案：

(1)接入控制方案

在E-UTRAN中，接入控制是由Access Class Barring功能實現(xiàn)的，用來抑制過多的流量，避免擁塞。當(dāng)終端要求建立一個連接時，終端應(yīng)當(dāng)首先執(zhí)行Access Class Barring檢查。如果檢查成功，終端才會發(fā)送RACH前導(dǎo)，開始RRC連接建立過程。E-UTRAN執(zhí)行Access Class Barring的方法是：通過小區(qū)廣播一個Barring因子和AC Barring Time。當(dāng)終端啟動層3接入時，終端抽取一個隨機數(shù)，將這個隨機數(shù)和Barring因子做比較。如果這個隨機數(shù)小于Barring因子，終端開始隨機接入過程，否則，終端會在AC Barring Time內(nèi)被阻止接入。因此，可以為MTC設(shè)備引入新的Barring因子，實現(xiàn)對MTC終端的接入控制。

(2)資源劃分方案

大量MTC設(shè)備的同時接入會增大RACH信道的負載，以及RACH前導(dǎo)碰撞的概率，同時也會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^為MTC設(shè)備動態(tài)地分配RACH資源來解決此問題：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影響正常終端，RACH資源分配可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)而動態(tài)調(diào)整并在系統(tǒng)信息中廣播。

(3)動態(tài)RACH資源分配方案

此方案主要是“開源”，即增加RACH資源：首先，可以在時間域上增加，即當(dāng)eNodeB檢測到隨機接入的高峰正在到來時(如Preambles利用率超過了預(yù)定義的門限)，可以通過Paging或者新的SIB來暫時增加一個或多個子幀作為PRACH資源，當(dāng)高峰過去以后，可以取消暫時增加的配置。其次，也可以在頻率域上增加。目前的LTE標(biāo)準(zhǔn)中，用于RACH接入的資源是6個RB。當(dāng)eNB檢測到隨機接入的高峰正在到來時，其可以通過Paging或者新的SIB來暫時增加另外的6個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的回退值設(shè)為零，當(dāng)初次接入沒有成功，eNB會通知終端一個具體的回退時間，終端在零和此回退時間內(nèi)產(chǎn)生一個隨機值，經(jīng)過此隨機值的時間，終端才可以重新發(fā)起接入。此方案的主要思想是為MTC引入一個與普通終端不同的回退方案，比如：初始接入時即有一個非零的回退值，另外，回退值的范圍也可以比普通終端更廣。

(5)MTC特定時隙接入方案

此方案為MTC設(shè)備定義一個接入周期/時隙(與尋呼周期/時隙的概念相似)，每個MTC設(shè)備只能在特定的接入時隙內(nèi)接入，其具體的接入時隙可以通過其ID(IMSI)來決定。

(6)Pull方案

對于某些MTC應(yīng)用，如智能抄表，可以不允許它們進行類似于普通終端的Mobile Originating 呼叫。而是通過MTC Server控制的方法，即讓MTC Server觸發(fā)MME來尋呼相應(yīng)的MTC設(shè)備，只有被尋呼的設(shè)備才能接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)送它們的數(shù)據(jù)。目前的尋呼消息必須包含每個被尋呼終端的ID，只有符合終端ID的終端設(shè)備會回應(yīng)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)送這個組ID，所有屬于這個組ID的MTC設(shè)備都會回應(yīng)這個Paging消息。通過使用組ID，極大地減少了尋呼開銷。另外，可以通過設(shè)置組的大小，來控制同時接入無線網(wǎng)的MTC設(shè)備數(shù)量。

5.2 針對核心網(wǎng)擁塞的無線側(cè)解決方案

當(dāng)核心網(wǎng)擁塞時，E-UTRAN應(yīng)當(dāng)識別并及時拒絕掉一些低優(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“Delay Tolerant”指示，當(dāng)終端使用此指示時，表明其可以在網(wǎng)絡(luò)擁塞時忍受較長的延遲。

值得注意的是，MTC應(yīng)用也千差萬別，并不是所有的MTC應(yīng)用都可以忍受較長的延遲，比如，用于地震預(yù)警的傳感網(wǎng)絡(luò)，即使在網(wǎng)絡(luò)擁塞時，也必須盡快地讓其接入并傳送數(shù)據(jù)。因此是否將MTC應(yīng)用映射到“Delay Tolerant”上，由運營商在NAS層配置。

當(dāng)核心網(wǎng)處于擁塞狀態(tài)時，eNB可以通過拒絕或釋放掉那些對時延容忍度比較高的連接，并反饋一個等待時間值(最大值為1800s)。當(dāng)終端收到上述消息后，會在終端側(cè)按照這個等待時間啟動一個計時器，在計時器到期前，相應(yīng)的MTC應(yīng)用不再發(fā)起RRC連接。

6 結(jié)束語

對面向M2M的移動通信系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)的研究才剛剛開始，由于這些優(yōu)化技術(shù)不可避免地會改變現(xiàn)有移動通信標(biāo)準(zhǔn)，3GPP對這些技術(shù)方案的態(tài)度都是十分謹(jǐn)慎的，到目前為止標(biāo)準(zhǔn)化了針對核心網(wǎng)擁塞的無線側(cè)解決方案，核心原因是因為目前M2M業(yè)務(wù)還不是移動運營商的核心業(yè)務(wù)。隨著M2M業(yè)務(wù)在運營商營收中的比例提高，產(chǎn)業(yè)界會給與這些優(yōu)化技術(shù)更多的重視，移動通信技術(shù)也終將會迎來更大的變革。