基于移動通信網的物聯網擁塞控制方案研究

劉牧寅，馬瑞濤

（中訊郵電咨詢設計院有限公司 北京100048）

1 概述

國際電信聯盟（ITU）在2005年的ITU 互聯網報告中正式提出并明確了物聯網的基本概念。在ITU 互聯網報告中，物聯網指視頻識別技術設備、紅外感應器、全球定位系統（GPS）、激光掃描器等信息傳感設備，通過一定的網絡協議把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理等功能的一種網絡[1]。隨著物聯網相關技術和應用的發展，物聯網已逐步滲透到各行各業中，從概念研究和標準制定向試驗和商用部署階段發展，同時，物聯網作為電信運營商新的價值藍海，已經受到了廣泛的關注，并展開了多層次多方位的研究工作。

根據ETSI TR102.069 標準的定義，物聯網網絡架構從下到上分為3 層：感知延伸層、網絡層和應用層[2]。

感知延伸層主要實現物聯網終端和用戶的信息采集和基本處理，涉及的關鍵技術和網元主要包括RFID、傳感器、二維碼、執行器、智能裝置、物聯網網關、通信模組等。

網絡層主要實現物聯網信息的控制和傳送，網絡層功能由通信運營商的網絡來提供，主要包括接入網絡和核心網絡。接入網絡包括xDSL、GERAN、UTRAN、EUTRAN、WLAN、WiMAX 等接入技術；核心網絡主要對信息傳送進行全面的管理和控制。

應用層主要對物聯網數據信息進行存儲、解析、集成和分析，并對物聯網業務邏輯進行處理。

2 物聯網擁塞控制

2.1 物聯網業務特征

（1）終端和用戶類型多樣、海量連接數

區別于傳統人與人的通信模式，物聯網提供任意物與物之間的互聯，其廣泛應用必將帶來大量的智能感知終端，并由此產生海量的通信數據。據預測，未來物聯網時代將有500 億連接，未來物聯網的通信量將是當前互聯網的30 倍，成為未來IP 網絡流量的重要組成部分。

（2）業務種類和應用場景的多樣性、復雜性

物聯網業務具有更為復雜的應用場景及業務特性，如智能抄表、智能農業等應用具有低移動性、業務與時間相關性強、業務觸發與終端位置相關、終端低功耗等特性；智能交通、環境監控等應用具有永遠在線、大量小數據傳輸，通信數據量隨時間、位置分布不均衡等特性。

（3）業務模型與人人通信不同

除以上物聯網業務和終端特性外，物聯網終端普遍要求低功耗以及特殊的安全性保證，同時，物聯網還要求具備基于組群進行管理的特性等，這些物聯網的新特征將產生新的通信模型及通信需求。

對于電信運營商而言，物聯網的應用必將對傳統移動通信網絡產生很大影響并提出更高的要求。物聯網的部署需要能夠支持海量數據傳輸的大帶寬網絡以及智能化的處理控制機制，即要求網絡能夠處理由于海量通信數據造成的擁塞或超負荷和由于海量并發形成的信令風暴；能夠實現對海量終端的管理控制和認證，實現網絡側大量簽約信息與用戶數據處理，識別并阻止物聯網終端的非法使用；同時，能夠實現對不同類型物聯網應用的網絡資源占用進行控制和調配，實現對組群用戶和業務進行管理、控制與計費等。

2.2 擁塞控制需求

為了確保物聯網業務和網絡的正常使用，需要采用特定的擁塞控制機制對網絡實施擁塞控制，應對海量終端、數據沖擊以及外部事件或周期性業務應用引發信令風暴對網絡的沖擊，避免網絡設備過載或死機，保證網絡設備安全。

通過對物聯網終端和應用流程進行優化，運營商能夠避免某些特定業務引起的網絡信令擁塞問題，但由于物聯網業務應用場景復雜多樣，網絡的擁塞控制仍是運營商必須要解決的問題，其關系到物聯網網絡的正常運行與否。

信令擁塞的影響節點包括運營商網絡中所有核心網分組域控制面網元及網關。物聯網海量終端帶來的大規模附著請求主要沖擊SGSN/MME；大規模連接請求不僅沖擊SGSN/MME，還會沖擊GGSN/PGW；信令風暴將耗費大量無線側資源與鏈路資源。在部分場景中，物聯網終端的并發信令具有區域性，即信令擁塞在某一條或幾條信令鏈路上發生。

為了有針對性地控制信令擁塞，網絡需要支持對附著請求和連接請求等信令的拒絕及阻止功能，并區別提供區域性和全網性擁塞控制機制，即既能阻止引發擁塞的某特定物聯網應用數據流，又不影響其他物聯網應用數據及非物聯網應用數據傳輸，且能夠準確標識引發信令擁塞的物聯網業務應用，能夠對特定區域和鏈路上的物聯網應用進行控制。這要求網絡能夠對某特定物聯網終端組及（或）某特定APN 產生的負載進行管控，同時能夠對所有物聯網終端（區別于其他終端）產生的網絡負荷進行管控，進行部分或全部拒絕及注銷。

此外，網絡需要指示物聯網終端在過載場景下或被拒絕之后不能立即或同時重發，以防止海量終端同時發起重請求導致的網絡負載二次加重問題。

3 物聯網擁塞控制方法

3.1 核心網側擁塞控制方法

在核心網側，通過對SGSN/MME 及GGSN/SGW/PGW 等網元啟動擁塞控制功能，針對區域性和全局性的擁塞控制設置不同的控制方法。核心網側擁塞控制方法主要包括基于用戶組、基于APN 和基于終端優先級的擁塞控制。

對于基于組或APN的擁塞控制方案，如圖1 所示，由SGSN/MME 從HLR/HSS 獲取某一物聯網業務的組標識，或在物聯網終端發出的連接請求和附著請求中攜帶新增的組標識。當網絡發生擁塞時，SGSN/MME或GGSN/PGW 識別引起擁塞的組或APN，并檢測某一發起請求的物聯網終端是否屬于引發擁塞的組或APN，然后，SGSN/MME 或GGSN/PGW 將拒絕引起擁塞/過負荷的某一APN 或組所有終端發起的附著和連接請求，并在拒絕消息中攜帶拒絕原因和等待時間。等待時間用于防止大量終端在被拒絕后立即發起重請求導致的并發擁塞，SGSN/MME 將該等待時間發給被拒絕的物聯網終端，由物聯網終端對該時間進行隨機化。拒絕的原因包括SGSN/MME 擁塞、GGSN/PGW 過負載、APN 接入限制、請求PDN 連接的QoS 不滿足等，終端可根據該拒絕指示決定后續操作如何進行。

圖1 基于組/APN的核心網擁塞控制機制

如圖2 所示，基于終端優選級的擁塞控制方案主要用于：當MME/SGSN 過載時，限制低優先級物聯網終端產生的數據流，同時，允許其他數據流（話音、數據、信令）的正常操作。由SGSN/MME 從HLR/HSS 獲取物聯網終端簽約的接入級別，定義網絡負荷所允許接入的優先級。當網絡擁塞時，則拒絕低優先級終端的附著和連接請求，在SGSN/MME 上設置信令負載閾值；當開始過載時（負載超過預先定義的閾值），則發送消息給SGW，攜帶流量控制參數和控制時長，SGW 根據接收到的控制參數和控制時長開始對相應低優先級物聯網終端產生的下行業務數據流進行控制，以減少SGSN 或MME的負載；當控制時長到期或負載減輕時，SGSN/MME 發送消息通知，SGW 停止控制低優先級物聯網終端業務流，恢復正常操作。

3.2 無線接入側擁塞控制方法

無線接入側擁塞控制的機制主要包括2 種機制：無線側拒絕接入請求和無線側廣播控制。

如圖3 所示，在無線接入側準確控制擁塞源是最直接、有效的擁塞控制方法，能夠避免由無線側到核心網側的資源消耗，而無線接入側無法識別擁塞產生源，因此，需要根據收到的指示消息執行擁塞控制。發生擁塞時，無線接入側eNode B/RNC/BSS 設備根據收到的物聯網終端接入優先級指示進行判斷，拒絕所有低優先級物聯網終端接入，并在拒絕消息中攜帶等待時間。該方案通過拒絕低優先級終端發出的第一個RRC 信息減輕負載。在大量連接請求并發的情況下，該方案的優勢在于能夠在接入過程中盡可能早地拒絕請求，以避免資源被占用。

圖2 基于終端優先級的核心網擁塞控制

圖3 無線側廣播控制機制

表1 物聯網主要擁塞控制方法比較

無線側廣播控制需要由核心網側網元配合使用。觸發無線側廣播擁塞控制的原因主要包括：

①無線接入設備內部擁塞引起的報警；

②無線網管平臺側發起接入控制要求；

③無線側設備受到核心網設備發送的OVERLOAD START 消息。

以上3 種場景都會觸發物聯網無線側的接入控制廣播，用于禁止后續物聯網終端和用戶的接入網絡。

無線側廣播控制的級別主要包含3 類：基于低優先級接入指示標識、基于物聯網組/APN 相關的接入控制信息、基于特定PLMN 類型（如非歸屬地物聯網終端，未在PLMN 選擇列表中的物聯網終端等）。

物聯網終端或用戶根據收到的廣播信息判斷其連接請求是否會被拒絕。如果屬于接入控制類別，則物聯網終端根據廣播消息要求將延遲接入網絡或不接入網絡。

3.3 方案評估

核心網側和無線接入側的擁塞控制方案是目前實現物聯網擁塞控制最主要的方法，但均不完善，須根據實際應用場景配合使用。擁塞控制方案的優劣勢比較見表1 所列。

無線側廣播機制是禁止物聯網業務信令的同時又不產生額外信令的唯一方法，且能夠有效地控制潛在的擁塞和過載隱患，但該機制的顆粒度比較粗，因此，需要同時采用請求拒絕機制以實現更細顆粒度的控制。當廣播接入控制關閉時，因大量物聯網終端同時并發接入導致擁塞，因此，在無線側同時采用拒絕機制和廣播機制能夠有效地實現更好的負載控制。

無線接入側控制機制不適合基于用戶組或APN的控制，而核心網側拒絕機制則能夠很好地實現這一功能。

因此，為了提供完整、快速、有效的方案，需要綜合采用上述各種擁塞控制方案。

目前，移動通信網已具備基本的拒絕接入請求功能及廣播擁塞控制功能，其應用于物聯網擁塞控制的改造較少。為了實現對某特定物聯網組或APN的識別，需要對核心網側SGSN、GGSN 進行改造，增加對物聯網終端、組或APN的識別功能并發送擁塞控制通告和相關信息給無線側；同時，需要HLR/HSS 設備，增加用戶組標識的處理功能、用戶優先級的存儲及與物聯網終端的映射功能。

此外，在上述方案的基礎上，可考慮對無線側及終端發送消息或標識進行改造，增加物聯網組或APN的標識或級別，以實現無線側直接基于物聯網組或APN 進行請求識別和拒絕處理，但該方案涉及無線側網元的改造，可能產生較大投資。

4 結束語

面對物聯網的海量連接數及數據應用，運營商對完善的擁塞過載控制需求更為迫切。就目前而言，擁塞控制需要重點從接入網絡側和核心網絡側入手，聯合進行擁塞控制，實現對全部或引發擁塞的特定終端進行信令和流量的控制。同時，隨著物聯網的發展，需要運營商不斷評估物聯網對移動通信網的影響，并優化相關控制和解決方案，在減少對現網影響的同時，為物聯網業務的應用提供網絡基礎。未來更需要加入業務平臺層和終端側控制機制，從端到端進行用戶和終端的聯動擁塞控制，才能從根本上解決物聯網的擁塞控制難題。

1 ITU Internet Reports 2005:The Internet of Things.ITU,2005

2 Machine-to-Machine Communications(M2M);Functional Architecture Technical Specification.ETSI,2011

3 3GPP TR 23.888.System Improvements for Machine-Type Commu nications,2011