基于LTE技术的物联网过载控制机制的研究*

余 翔,易丹丹

(重庆邮电大学通信与信息工程学院,重庆400065)

基于LTE技术的物联网过载控制机制的研究*

余 翔,易丹丹

(重庆邮电大学通信与信息工程学院,重庆400065)

首先简要介绍了3GPP中基于LTE的物联网体系结构,进而分析了物联网中存在的过载问题,然后重点研究了接入类别限制ACB(Access Class Barring)与扩展访问限制EAB(Extended Access Barring),最后针对这两种机制的不足,提出了改进限制方案IBS(Improved Barring Scheme)机制,该机制通过接收端向发送端发送错误重传请求允许,来避免过载情况中数据频繁重发的问题。

物联网 长期演进 机械式通信 过载控制

0 引 言

物联网是通过采集需要通信的设备之间的信息,结合智能感知、识别技术与计算机技术,在互联网的基础上形成的使各种设备实现相联的网络。

3GPP研究的物联网通信是通过蜂窝网进行数据传输的物与物的通信,即机械式通信(MTC)[1]。3GPP的研究表明,为了使移动网络具有竞争性,未来网络必将挂载有大量的MTC设备。LTE是3GPP主导的通用移动通信系统技术的长期演进,运用LTE可以改善蜂窝网边缘用户的性能,提高小区容量和降低系统延迟。物联网与LTE技术结合具有可能性,现实性和未来性[2]。LTE采用的正交频分多址(OFDMA)技术,该技术将MTC设备产生的数据流变为多个低速子数据流在OFDM子信道中传输,提高了网络的承载容量和速率[3]。而且,LTE运用混合自动重传请求(HARQ)技术,MTC设备可以根据网络参数进行自适应调度,促使物联网数据传输处于最佳状态。

但是,当大量的MTC设备同时连接到网络并传输数据时,仍然会导致接入网访问过载,解决此问题将会对物联网的发展有推动作用[4]。

文中讨论了物联网中控制网络过载的方法ACB和EAB机制[5],同时针对上述两种方法的局限性,提出了IBS这种机制作为访问过载控制方法的补充。

1 物联网体系结构

基于LTE技术的物联网架构可分为三部分:物联网传感部分、LTE网络传输部分和物联网服务应用部分。3GPP LTE在互联网的基础上新增结构增强点来促进MTC设备通信,功能化新的网络元素来支持设备触发、分组交换订阅、短消息传输等新特性[6]。例如,如图1所示,互连功能实体MTC-IWF是基于LTE物联网特有的功能化实体,它通过S6m接口询问HLR/HSS来规划国际移动用户识别码的外部身份授权,然后通过S6n接口记账、授权、认证。在3GPP Rel-11中,T5a、T5b、T5c决定MTC设备触发的优先路径以及提供小数据传输等其他服务。

图1 基于LTE的物联网网络体系结构Fig.1 3GPP architecture for M2M network

由于MTC设备成功建立连接的时序不是文中研究重点,图2就部分功能简要介绍MTC设备数据传输流程。用户设备通过LTE-Uu接口接入LTE无线网络,接着数据在MME安全控制下通过SGSN节点转发到MTC-IWF实体,通过Tsp端口中的中继和翻译信号协议来触发控制面板中的服务能力服务器SCS,从而MTC设备中的应用被应用服务器AS管理,最后使得SGSN/MME节点能够通过MTC -IWF实体进行上行数据传输。

图2 MTC设备有效数据传输时序Fig.2 Time sequence of efficient data tansmission for MTC

文中主要分析研究LTE网络传输部分数据传输过程中出现的某些问题以及解决办法。

2 物联网过载控制问题分析

物联网的复杂性使得其过载情况比较复杂,一般情况下有两种过载情况:一种情况是大量MTC设备紧急访问网络,会使访问量会在短时间内迅速增长,达到网络的最大容量后持续很长时间;另一种情况是基站服务器发生故障,MTC设备请求的资源减少,从而网络会发生过载。

根据3GPP RAN2会议3GPP TR 37.868V11.0.0报告中引入的三种接入场景来评估MTC负载的过载情况,具体如表1所示。

对于智能电网场景,半径2 km的范围内,35 670个MTC设备接入,对于一般的5 MHz带宽系统的用户来说其密集度必然造成网络的过载;对于车辆管理场景,一个基站需要每秒处理800/27=29.62次切换程序,考虑一个非活性MTC设备在空闲模式下虽然没有数据传输,但当它从服务基站覆盖的区域到目标基站覆盖区域时,仍然要处理每秒29.62次切换程序;对于第三种过载场景,考虑典型的地震面波速度为4 km/s,那么需要波1 s穿过整个小区,这意味着在小区内的随机接入密度将是126 cell/s,对于目前存在的限制机制应用在地震监测中还是不够的。

表1 接入网过载场景Table 1 Overload scene of access network

所以,如果没有合适的网络过载控制机制,当网络请求超过其处理能力时,过载点会拒绝设备的业务请求,这将导致其有效吞吐量进一步降低,甚至会遭到拒绝服务的攻击,整个系统无法正常处理请求而瘫痪。基于LTE技术对过载控制机制的需求,文中系统讨论了两种过载控制机制ACB和EAB,并提出IBS过载控制,进一步遏制访问过载的情况。

3 基于LTE中物联网过载控制机制

目前国内外相关标准化组织、研究机构对物联网过载机制进行了大量的研究,并取得了一定的成果[7-10]。下面就ACB与EAB过载控制机制进行介绍。

3.1 接入类别限制(ACB)

在LTE中,MTC设备分为普通MTC设备和允许时间延迟的MTC设备。普通MTC设备的接入控制可以采用ACB机制。图3为有数据传输的普通MTC设备的数据传输流程。

图3 普通MTC设备数据传输流程Fig.3 Data transfer process of ordinary MTC devices

在ACB中,普通MTC设备分为不同的类,每个设备可以属于一个或多个接入类。ACB控制的信息存储在LTE系统系统信息块(SIB)中,接入类的状态有允许和禁止两类,其中SIB中存储了禁止接入类的两部分信息:ac_BarringFactor和ac_BarringTime,设备是否接入PRACH取决于ac_Barring-Factor和ac_BarringTime,ac_BarringFactor表示允许接入的可能性,ac_BarringTime决定了如果设备没有被允许接入PRACH,则在下一次接入的退避时间。ACB过载控制机制详细流程图如图4所示。

图4 ACB控制机制流程Fig.4 Flow chart of ACB control mechanism

3.2 扩展访问限制(EAB)

对于时间不敏感设备来说,真实性和接入成功率更重要,这些设备允许数据在传输过程中有几秒甚至几分钟的延迟。如图5所示,在LTE中,当容忍较大时延的MTC设备发送数据时,设备需要先进行EAB检查。

图5 允许时间延迟的MTC设备数据传输流程Fig.5 Data transfer process of delay-tolerrant MTC devices

在Rel-11中,EAB方案的原理为:将允许时间延迟的MTC设备设定为0～9个常规接入等级中的某种,网络可以根据当前的过载状况开启或限制具有某个接入等级的MTC设备随机接入。在SI广播中包含针对MTC设备的接入限制等级,设备从广播中获得该信息并结合自身的接入等级决定是否发起随机接入。当EAB有效时,蜂窝网将SI中的EAB设置参数周期信息广播给MTC设备。为了防止突发情况下大量MTC设备同时接入到系统,需要网络及时更新EAB信息,当网络为EAB选择更新方案时,所有用户通过寻呼指示通知SI即将到来的改变,SI根据这个改变修改预先规定的接入容量边界。

近期,3GPP会议确定EAB SI更新机制采用与地震海啸预警系统(ETWS)类似的方案,在发送数据的同时侦测系统。

ACB与EAB机制虽然对过载有一定程度的遏制作用,但是仍然不能最大限度的减小过载。根据MTC设备的业务特性,提出了IBS控制机制,来补充ACB与EAB机制的不足。

3.3 改进限制方案(IBS)

IBS运用的是一种基于时间竞争的主动Pull机制,这种基于时间竞争的控制机制简要原理为:由发送端MTC设备向接收端MTC服务器发送消息,当某一消息发送失败,无需频繁的发送再次请求接入消息,而是接收端服务器发现某一数据未到达并且在信道有空闲时,会主动向发送端设备发出可以再次接入请求的信息,推动发送端MTC设备接入网络。

例如,智能电网计量系统中,用户需要每个月向电站报告电能的使用情况,这样在月末就会出现每个智能电表同时向网络服务器发出接入请求。当智能电表向基站发送接入请求时,由于过多的设备接入导致网络过载,某些电表向基站发送请求接入的消息可能会中断,若此时网络采用IBS方式,基站服务器监测网络状态,当网络容量有空闲时,基站向电表发出此时网络处于空闲状态信息,未发送数据成功的电表可以发出重新接入请求,电表就可以接入网络了。

IBS机制作为ACB与EAB机制的补充,可以针对所有类型的MTC设备。如图6所示,IBS过载控制方案始终在网络中起作用。

图6 IBS过载控制机制下的MTC数据传输流程Fig.6 Data transfer process of MTC based on IBS

IBS机制的传输模式如图7所示,其中N1代表接收端的基站服务器,N2,N3,N4代表发送端MTC设备,N2,N3和N4接收N1下行载波的广播信息块(MIB)消息,获取下行载波所在带宽的大小,在MTC设备的下行同步后,进行上行数据的传输。图7(a)表示N2,N3和N4在ACB或EAB控制下发送随机接入前导发起上行随机接入过程,进行上行同步,与基站N1建立连接,此时网络出现过载,N3在连接出现中断;图7(b)表示N2和N4接收到N1在检测到随机接入码后发送的随机接入响应消息,完成用户设备到基站的上行随机接入。此时N3建立连接失败,但此时无需频繁的发送重新接入请求,而是当N1监测接入网络有空闲了,开始向N3发出接入允许命令;图7(c)表示N2、N4开始传输数据,此时在IBS控制下,N1监测到网络有空闲,推动N3再次发送接入请求;图7(d)表示N2和N4与N1传输完数据断开连接了,此时N3与N1开始按照上述方式建立连接并传输数据。

图7 IBS机制下过程逻辑状态Fig.7 Logic state process of MTC based on IBS

由IBS过载控制机制的传输模式得出,相比ACB和EAB机制,IBS的优点是它能够避免连接失败的设备尝试重新向网络频繁的发送接入请求,而且在系统中能动态的选择需要传输数据的设备,避免不必要的设备的闲置和资源浪费,使数据能够及时有效的到达需求端服务器,缩短MTC设备的接入周期,减少了额外的信令开销。

4 结 语

文中研究了基于LTE技术的物联网传输部分体系结构,并简要的分析了随机接入中过载情况及讨论了过载的产生的影响,具体研究了3GPP LTE Rel-11中ACB和EAB机制来控制接入造成的过载,提出了IBS过载控制方案,分析了这种控制方法的简要思想,进而指出了IBS机制对于控制过载的意义。通过对物联网中访问过载问题的研究,可以提高MTC设备的接入率,这对于物联网的大规模应用十分重要。

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余 翔(1964—),男,教授,重庆邮电大学国防办主任,主要研究方向为无线定位、集群移动通信等;

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,硕士研究生,主要研究方向为移动通信研究、嵌入式软件开发。

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

国家科技重大专项“新一代宽带移动通信网”课题(No.2012ZX0300600203)

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