基于LTE技術的物聯網過載控制機制的研究*

余 翔,易丹丹

(重慶郵電大學通信與信息工程學院,重慶400065)

基于LTE技術的物聯網過載控制機制的研究*

余 翔,易丹丹

(重慶郵電大學通信與信息工程學院,重慶400065)

首先簡要介紹了3GPP中基于LTE的物聯網體系結構,進而分析了物聯網中存在的過載問題,然后重點研究了接入類別限制ACB(Access Class Barring)與擴展訪問限制EAB(Extended Access Barring),最后針對這兩種機制的不足,提出了改進限制方案IBS(Improved Barring Scheme)機制,該機制通過接收端向發送端發送錯誤重傳請求允許,來避免過載情況中數據頻繁重發的問題。

物聯網 長期演進 機械式通信 過載控制

0 引 言

物聯網是通過采集需要通信的設備之間的信息,結合智能感知、識別技術與計算機技術,在互聯網的基礎上形成的使各種設備實現相聯的網絡。

3GPP研究的物聯網通信是通過蜂窩網進行數據傳輸的物與物的通信,即機械式通信(MTC)[1]。3GPP的研究表明,為了使移動網絡具有競爭性,未來網絡必將掛載有大量的MTC設備。LTE是3GPP主導的通用移動通信系統技術的長期演進,運用LTE可以改善蜂窩網邊緣用戶的性能,提高小區容量和降低系統延遲。物聯網與LTE技術結合具有可能性,現實性和未來性[2]。LTE采用的正交頻分多址(OFDMA)技術,該技術將MTC設備產生的數據流變為多個低速子數據流在OFDM子信道中傳輸,提高了網絡的承載容量和速率[3]。而且,LTE運用混合自動重傳請求(HARQ)技術,MTC設備可以根據網絡參數進行自適應調度,促使物聯網數據傳輸處于最佳狀態。

但是,當大量的MTC設備同時連接到網絡并傳輸數據時,仍然會導致接入網訪問過載,解決此問題將會對物聯網的發展有推動作用[4]。

文中討論了物聯網中控制網絡過載的方法ACB和EAB機制[5],同時針對上述兩種方法的局限性,提出了IBS這種機制作為訪問過載控制方法的補充。

1 物聯網體系結構

基于LTE技術的物聯網架構可分為三部分:物聯網傳感部分、LTE網絡傳輸部分和物聯網服務應用部分。3GPP LTE在互聯網的基礎上新增結構增強點來促進MTC設備通信,功能化新的網絡元素來支持設備觸發、分組交換訂閱、短消息傳輸等新特性[6]。例如,如圖1所示,互連功能實體MTC-IWF是基于LTE物聯網特有的功能化實體,它通過S6m接口詢問HLR/HSS來規劃國際移動用戶識別碼的外部身份授權,然后通過S6n接口記賬、授權、認證。在3GPP Rel-11中,T5a、T5b、T5c決定MTC設備觸發的優先路徑以及提供小數據傳輸等其他服務。

圖1 基于LTE的物聯網網絡體系結構Fig.1 3GPP architecture for M2M network

由于MTC設備成功建立連接的時序不是文中研究重點,圖2就部分功能簡要介紹MTC設備數據傳輸流程。用戶設備通過LTE-Uu接口接入LTE無線網絡,接著數據在MME安全控制下通過SGSN節點轉發到MTC-IWF實體,通過Tsp端口中的中繼和翻譯信號協議來觸發控制面板中的服務能力服務器SCS,從而MTC設備中的應用被應用服務器AS管理,最后使得SGSN/MME節點能夠通過MTC -IWF實體進行上行數據傳輸。

圖2 MTC設備有效數據傳輸時序Fig.2 Time sequence of efficient data tansmission for MTC

文中主要分析研究LTE網絡傳輸部分數據傳輸過程中出現的某些問題以及解決辦法。

2 物聯網過載控制問題分析

物聯網的復雜性使得其過載情況比較復雜,一般情況下有兩種過載情況:一種情況是大量MTC設備緊急訪問網絡,會使訪問量會在短時間內迅速增長,達到網絡的最大容量后持續很長時間;另一種情況是基站服務器發生故障,MTC設備請求的資源減少,從而網絡會發生過載。

根據3GPP RAN2會議3GPP TR 37.868V11.0.0報告中引入的三種接入場景來評估MTC負載的過載情況,具體如表1所示。

對于智能電網場景,半徑2 km的范圍內,35 670個MTC設備接入,對于一般的5 MHz帶寬系統的用戶來說其密集度必然造成網絡的過載;對于車輛管理場景,一個基站需要每秒處理800/27=29.62次切換程序,考慮一個非活性MTC設備在空閑模式下雖然沒有數據傳輸,但當它從服務基站覆蓋的區域到目標基站覆蓋區域時,仍然要處理每秒29.62次切換程序;對于第三種過載場景,考慮典型的地震面波速度為4 km/s,那么需要波1 s穿過整個小區,這意味著在小區內的隨機接入密度將是126 cell/s,對于目前存在的限制機制應用在地震監測中還是不夠的。

表1 接入網過載場景Table 1 Overload scene of access network

所以,如果沒有合適的網絡過載控制機制,當網絡請求超過其處理能力時,過載點會拒絕設備的業務請求,這將導致其有效吞吐量進一步降低,甚至會遭到拒絕服務的攻擊,整個系統無法正常處理請求而癱瘓。基于LTE技術對過載控制機制的需求,文中系統討論了兩種過載控制機制ACB和EAB,并提出IBS過載控制,進一步遏制訪問過載的情況。

3 基于LTE中物聯網過載控制機制

目前國內外相關標準化組織、研究機構對物聯網過載機制進行了大量的研究,并取得了一定的成果[7-10]。下面就ACB與EAB過載控制機制進行介紹。

3.1 接入類別限制(ACB)

在LTE中,MTC設備分為普通MTC設備和允許時間延遲的MTC設備。普通MTC設備的接入控制可以采用ACB機制。圖3為有數據傳輸的普通MTC設備的數據傳輸流程。

圖3 普通MTC設備數據傳輸流程Fig.3 Data transfer process of ordinary MTC devices

在ACB中,普通MTC設備分為不同的類,每個設備可以屬于一個或多個接入類。ACB控制的信息存儲在LTE系統系統信息塊(SIB)中,接入類的狀態有允許和禁止兩類,其中SIB中存儲了禁止接入類的兩部分信息:ac_BarringFactor和ac_BarringTime,設備是否接入PRACH取決于ac_Barring-Factor和ac_BarringTime,ac_BarringFactor表示允許接入的可能性,ac_BarringTime決定了如果設備沒有被允許接入PRACH,則在下一次接入的退避時間。ACB過載控制機制詳細流程圖如圖4所示。

圖4 ACB控制機制流程Fig.4 Flow chart of ACB control mechanism

3.2 擴展訪問限制(EAB)

對于時間不敏感設備來說,真實性和接入成功率更重要,這些設備允許數據在傳輸過程中有幾秒甚至幾分鐘的延遲。如圖5所示,在LTE中,當容忍較大時延的MTC設備發送數據時,設備需要先進行EAB檢查。

圖5 允許時間延遲的MTC設備數據傳輸流程Fig.5 Data transfer process of delay-tolerrant MTC devices

在Rel-11中,EAB方案的原理為:將允許時間延遲的MTC設備設定為0～9個常規接入等級中的某種,網絡可以根據當前的過載狀況開啟或限制具有某個接入等級的MTC設備隨機接入。在SI廣播中包含針對MTC設備的接入限制等級,設備從廣播中獲得該信息并結合自身的接入等級決定是否發起隨機接入。當EAB有效時,蜂窩網將SI中的EAB設置參數周期信息廣播給MTC設備。為了防止突發情況下大量MTC設備同時接入到系統,需要網絡及時更新EAB信息,當網絡為EAB選擇更新方案時,所有用戶通過尋呼指示通知SI即將到來的改變,SI根據這個改變修改預先規定的接入容量邊界。

近期,3GPP會議確定EAB SI更新機制采用與地震海嘯預警系統(ETWS)類似的方案,在發送數據的同時偵測系統。

ACB與EAB機制雖然對過載有一定程度的遏制作用,但是仍然不能最大限度的減小過載。根據MTC設備的業務特性,提出了IBS控制機制,來補充ACB與EAB機制的不足。

3.3 改進限制方案(IBS)

IBS運用的是一種基于時間競爭的主動Pull機制,這種基于時間競爭的控制機制簡要原理為:由發送端MTC設備向接收端MTC服務器發送消息,當某一消息發送失敗,無需頻繁的發送再次請求接入消息,而是接收端服務器發現某一數據未到達并且在信道有空閑時,會主動向發送端設備發出可以再次接入請求的信息,推動發送端MTC設備接入網絡。

例如,智能電網計量系統中,用戶需要每個月向電站報告電能的使用情況,這樣在月末就會出現每個智能電表同時向網絡服務器發出接入請求。當智能電表向基站發送接入請求時,由于過多的設備接入導致網絡過載,某些電表向基站發送請求接入的消息可能會中斷,若此時網絡采用IBS方式,基站服務器監測網絡狀態,當網絡容量有空閑時,基站向電表發出此時網絡處于空閑狀態信息,未發送數據成功的電表可以發出重新接入請求,電表就可以接入網絡了。

IBS機制作為ACB與EAB機制的補充,可以針對所有類型的MTC設備。如圖6所示,IBS過載控制方案始終在網絡中起作用。

圖6 IBS過載控制機制下的MTC數據傳輸流程Fig.6 Data transfer process of MTC based on IBS

IBS機制的傳輸模式如圖7所示,其中N1代表接收端的基站服務器,N2,N3,N4代表發送端MTC設備,N2,N3和N4接收N1下行載波的廣播信息塊(MIB)消息,獲取下行載波所在帶寬的大小,在MTC設備的下行同步后,進行上行數據的傳輸。圖7(a)表示N2,N3和N4在ACB或EAB控制下發送隨機接入前導發起上行隨機接入過程,進行上行同步,與基站N1建立連接,此時網絡出現過載,N3在連接出現中斷;圖7(b)表示N2和N4接收到N1在檢測到隨機接入碼后發送的隨機接入響應消息,完成用戶設備到基站的上行隨機接入。此時N3建立連接失敗,但此時無需頻繁的發送重新接入請求,而是當N1監測接入網絡有空閑了,開始向N3發出接入允許命令;圖7(c)表示N2、N4開始傳輸數據,此時在IBS控制下,N1監測到網絡有空閑,推動N3再次發送接入請求;圖7(d)表示N2和N4與N1傳輸完數據斷開連接了,此時N3與N1開始按照上述方式建立連接并傳輸數據。

圖7 IBS機制下過程邏輯狀態Fig.7 Logic state process of MTC based on IBS

由IBS過載控制機制的傳輸模式得出,相比ACB和EAB機制,IBS的優點是它能夠避免連接失敗的設備嘗試重新向網絡頻繁的發送接入請求,而且在系統中能動態的選擇需要傳輸數據的設備,避免不必要的設備的閑置和資源浪費,使數據能夠及時有效的到達需求端服務器,縮短MTC設備的接入周期,減少了額外的信令開銷。

4 結 語

文中研究了基于LTE技術的物聯網傳輸部分體系結構,并簡要的分析了隨機接入中過載情況及討論了過載的產生的影響,具體研究了3GPP LTE Rel-11中ACB和EAB機制來控制接入造成的過載,提出了IBS過載控制方案,分析了這種控制方法的簡要思想,進而指出了IBS機制對于控制過載的意義。通過對物聯網中訪問過載問題的研究,可以提高MTC設備的接入率,這對于物聯網的大規模應用十分重要。

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余 翔(1964—),男,教授,重慶郵電大學國防辦主任,主要研究方向為無線定位、集群移動通信等;

YU Xiang(1964-),male,professor,the Dean of National Defense Scientific Research Office in CQUPT,mainly engaged in wireless positioning,collective and mobile communications.

易丹丹(1989—),女,碩士研究生,主要研究方向為移動通信研究、嵌入式軟件開發。

YI Dan-dan(1989-),female,graduate student,majoring in mobile communication and embedded software development.

Overload Control Mechanism in Machine-to-Machine Network based on LTE Technology

YU Xiang,YI Dan-dan
(College of Communication and Information Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

This paper first describes the architecture of M2M based on LTE technology in 3GPP,and discusses the network overload problems in IoT.Then this paper focuses on ACB(Access Class Barring)and ECB(Extended Access Barring).And finally,aiming at the remedy of these two shortages,IBS(Improved Barring Scheme)is proposed.This mechanism may avoid frequent data-retransmission problem in overload situation by sending error retransmission request permission packets from the receiver to the sender.

M2M;LTE;MTC;overload control

TN915

A

1002-0802(2014)01-0050-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.01.010

國家科技重大專項“新一代寬帶移動通信網”課題(No.2012ZX0300600203)

Foundation Item：National Science and Technology Major Project,Next-Generation Broadband Moblie Cmmunications Network(No. 2012zx0300600203)