基于移动通信网的物联网拥塞控制方案研究

刘牧寅，马瑞涛

（中讯邮电咨询设计院有限公司 北京100048）

1 概述

国际电信联盟（ITU）在2005年的ITU 互联网报告中正式提出并明确了物联网的基本概念。在ITU 互联网报告中，物联网指视频识别技术设备、红外感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器等信息传感设备，通过一定的网络协议把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功能的一种网络[1]。随着物联网相关技术和应用的发展，物联网已逐步渗透到各行各业中，从概念研究和标准制定向试验和商用部署阶段发展，同时，物联网作为电信运营商新的价值蓝海，已经受到了广泛的关注，并展开了多层次多方位的研究工作。

根据ETSI TR102.069 标准的定义，物联网网络架构从下到上分为3 层：感知延伸层、网络层和应用层[2]。

感知延伸层主要实现物联网终端和用户的信息采集和基本处理，涉及的关键技术和网元主要包括RFID、传感器、二维码、执行器、智能装置、物联网网关、通信模组等。

网络层主要实现物联网信息的控制和传送，网络层功能由通信运营商的网络来提供，主要包括接入网络和核心网络。接入网络包括xDSL、GERAN、UTRAN、EUTRAN、WLAN、WiMAX 等接入技术；核心网络主要对信息传送进行全面的管理和控制。

应用层主要对物联网数据信息进行存储、解析、集成和分析，并对物联网业务逻辑进行处理。

2 物联网拥塞控制

2.1 物联网业务特征

（1）终端和用户类型多样、海量连接数

区别于传统人与人的通信模式，物联网提供任意物与物之间的互联，其广泛应用必将带来大量的智能感知终端，并由此产生海量的通信数据。据预测，未来物联网时代将有500 亿连接，未来物联网的通信量将是当前互联网的30 倍，成为未来IP 网络流量的重要组成部分。

（2）业务种类和应用场景的多样性、复杂性

物联网业务具有更为复杂的应用场景及业务特性，如智能抄表、智能农业等应用具有低移动性、业务与时间相关性强、业务触发与终端位置相关、终端低功耗等特性；智能交通、环境监控等应用具有永远在线、大量小数据传输，通信数据量随时间、位置分布不均衡等特性。

（3）业务模型与人人通信不同

除以上物联网业务和终端特性外，物联网终端普遍要求低功耗以及特殊的安全性保证，同时，物联网还要求具备基于组群进行管理的特性等，这些物联网的新特征将产生新的通信模型及通信需求。

对于电信运营商而言，物联网的应用必将对传统移动通信网络产生很大影响并提出更高的要求。物联网的部署需要能够支持海量数据传输的大带宽网络以及智能化的处理控制机制，即要求网络能够处理由于海量通信数据造成的拥塞或超负荷和由于海量并发形成的信令风暴；能够实现对海量终端的管理控制和认证，实现网络侧大量签约信息与用户数据处理，识别并阻止物联网终端的非法使用；同时，能够实现对不同类型物联网应用的网络资源占用进行控制和调配，实现对组群用户和业务进行管理、控制与计费等。

2.2 拥塞控制需求

为了确保物联网业务和网络的正常使用，需要采用特定的拥塞控制机制对网络实施拥塞控制，应对海量终端、数据冲击以及外部事件或周期性业务应用引发信令风暴对网络的冲击，避免网络设备过载或死机，保证网络设备安全。

通过对物联网终端和应用流程进行优化，运营商能够避免某些特定业务引起的网络信令拥塞问题，但由于物联网业务应用场景复杂多样，网络的拥塞控制仍是运营商必须要解决的问题，其关系到物联网网络的正常运行与否。

信令拥塞的影响节点包括运营商网络中所有核心网分组域控制面网元及网关。物联网海量终端带来的大规模附着请求主要冲击SGSN/MME；大规模连接请求不仅冲击SGSN/MME，还会冲击GGSN/PGW；信令风暴将耗费大量无线侧资源与链路资源。在部分场景中，物联网终端的并发信令具有区域性，即信令拥塞在某一条或几条信令链路上发生。

为了有针对性地控制信令拥塞，网络需要支持对附着请求和连接请求等信令的拒绝及阻止功能，并区别提供区域性和全网性拥塞控制机制，即既能阻止引发拥塞的某特定物联网应用数据流，又不影响其他物联网应用数据及非物联网应用数据传输，且能够准确标识引发信令拥塞的物联网业务应用，能够对特定区域和链路上的物联网应用进行控制。这要求网络能够对某特定物联网终端组及（或）某特定APN 产生的负载进行管控，同时能够对所有物联网终端（区别于其他终端）产生的网络负荷进行管控，进行部分或全部拒绝及注销。

此外，网络需要指示物联网终端在过载场景下或被拒绝之后不能立即或同时重发，以防止海量终端同时发起重请求导致的网络负载二次加重问题。

3 物联网拥塞控制方法

3.1 核心网侧拥塞控制方法

在核心网侧，通过对SGSN/MME 及GGSN/SGW/PGW 等网元启动拥塞控制功能，针对区域性和全局性的拥塞控制设置不同的控制方法。核心网侧拥塞控制方法主要包括基于用户组、基于APN 和基于终端优先级的拥塞控制。

对于基于组或APN的拥塞控制方案，如图1 所示，由SGSN/MME 从HLR/HSS 获取某一物联网业务的组标识，或在物联网终端发出的连接请求和附着请求中携带新增的组标识。当网络发生拥塞时，SGSN/MME或GGSN/PGW 识别引起拥塞的组或APN，并检测某一发起请求的物联网终端是否属于引发拥塞的组或APN，然后，SGSN/MME 或GGSN/PGW 将拒绝引起拥塞/过负荷的某一APN 或组所有终端发起的附着和连接请求，并在拒绝消息中携带拒绝原因和等待时间。等待时间用于防止大量终端在被拒绝后立即发起重请求导致的并发拥塞，SGSN/MME 将该等待时间发给被拒绝的物联网终端，由物联网终端对该时间进行随机化。拒绝的原因包括SGSN/MME 拥塞、GGSN/PGW 过负载、APN 接入限制、请求PDN 连接的QoS 不满足等，终端可根据该拒绝指示决定后续操作如何进行。

图1 基于组/APN的核心网拥塞控制机制

如图2 所示，基于终端优选级的拥塞控制方案主要用于：当MME/SGSN 过载时，限制低优先级物联网终端产生的数据流，同时，允许其他数据流（话音、数据、信令）的正常操作。由SGSN/MME 从HLR/HSS 获取物联网终端签约的接入级别，定义网络负荷所允许接入的优先级。当网络拥塞时，则拒绝低优先级终端的附着和连接请求，在SGSN/MME 上设置信令负载阈值；当开始过载时（负载超过预先定义的阈值），则发送消息给SGW，携带流量控制参数和控制时长，SGW 根据接收到的控制参数和控制时长开始对相应低优先级物联网终端产生的下行业务数据流进行控制，以减少SGSN 或MME的负载；当控制时长到期或负载减轻时，SGSN/MME 发送消息通知，SGW 停止控制低优先级物联网终端业务流，恢复正常操作。

3.2 无线接入侧拥塞控制方法

无线接入侧拥塞控制的机制主要包括2 种机制：无线侧拒绝接入请求和无线侧广播控制。

如图3 所示，在无线接入侧准确控制拥塞源是最直接、有效的拥塞控制方法，能够避免由无线侧到核心网侧的资源消耗，而无线接入侧无法识别拥塞产生源，因此，需要根据收到的指示消息执行拥塞控制。发生拥塞时，无线接入侧eNode B/RNC/BSS 设备根据收到的物联网终端接入优先级指示进行判断，拒绝所有低优先级物联网终端接入，并在拒绝消息中携带等待时间。该方案通过拒绝低优先级终端发出的第一个RRC 信息减轻负载。在大量连接请求并发的情况下，该方案的优势在于能够在接入过程中尽可能早地拒绝请求，以避免资源被占用。

图2 基于终端优先级的核心网拥塞控制

图3 无线侧广播控制机制

表1 物联网主要拥塞控制方法比较

无线侧广播控制需要由核心网侧网元配合使用。触发无线侧广播拥塞控制的原因主要包括：

①无线接入设备内部拥塞引起的报警；

②无线网管平台侧发起接入控制要求；

③无线侧设备受到核心网设备发送的OVERLOAD START 消息。

以上3 种场景都会触发物联网无线侧的接入控制广播，用于禁止后续物联网终端和用户的接入网络。

无线侧广播控制的级别主要包含3 类：基于低优先级接入指示标识、基于物联网组/APN 相关的接入控制信息、基于特定PLMN 类型（如非归属地物联网终端，未在PLMN 选择列表中的物联网终端等）。

物联网终端或用户根据收到的广播信息判断其连接请求是否会被拒绝。如果属于接入控制类别，则物联网终端根据广播消息要求将延迟接入网络或不接入网络。

3.3 方案评估

核心网侧和无线接入侧的拥塞控制方案是目前实现物联网拥塞控制最主要的方法，但均不完善，须根据实际应用场景配合使用。拥塞控制方案的优劣势比较见表1 所列。

无线侧广播机制是禁止物联网业务信令的同时又不产生额外信令的唯一方法，且能够有效地控制潜在的拥塞和过载隐患，但该机制的颗粒度比较粗，因此，需要同时采用请求拒绝机制以实现更细颗粒度的控制。当广播接入控制关闭时，因大量物联网终端同时并发接入导致拥塞，因此，在无线侧同时采用拒绝机制和广播机制能够有效地实现更好的负载控制。

无线接入侧控制机制不适合基于用户组或APN的控制，而核心网侧拒绝机制则能够很好地实现这一功能。

因此，为了提供完整、快速、有效的方案，需要综合采用上述各种拥塞控制方案。

目前，移动通信网已具备基本的拒绝接入请求功能及广播拥塞控制功能，其应用于物联网拥塞控制的改造较少。为了实现对某特定物联网组或APN的识别，需要对核心网侧SGSN、GGSN 进行改造，增加对物联网终端、组或APN的识别功能并发送拥塞控制通告和相关信息给无线侧；同时，需要HLR/HSS 设备，增加用户组标识的处理功能、用户优先级的存储及与物联网终端的映射功能。

此外，在上述方案的基础上，可考虑对无线侧及终端发送消息或标识进行改造，增加物联网组或APN的标识或级别，以实现无线侧直接基于物联网组或APN 进行请求识别和拒绝处理，但该方案涉及无线侧网元的改造，可能产生较大投资。

4 结束语

面对物联网的海量连接数及数据应用，运营商对完善的拥塞过载控制需求更为迫切。就目前而言，拥塞控制需要重点从接入网络侧和核心网络侧入手，联合进行拥塞控制，实现对全部或引发拥塞的特定终端进行信令和流量的控制。同时，随着物联网的发展，需要运营商不断评估物联网对移动通信网的影响，并优化相关控制和解决方案，在减少对现网影响的同时，为物联网业务的应用提供网络基础。未来更需要加入业务平台层和终端侧控制机制，从端到端进行用户和终端的联动拥塞控制，才能从根本上解决物联网的拥塞控制难题。

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