eMTC系统中一种基于时间离散的拥塞控制策略

赵 彦，王 菲

（西安交通工程学院，陕西 西安 710300）

1 eMTC系统基本技术概述

5G为人们带来万物互联的创新愿景，使得由人与人之间的通信扩展到万物互联互通通信。基于5G的高速、海量链接、超低能耗等优势特点，未来由5G构建的泛在信息网络必将是一个无所不在、万物互联的全联通网络世界，而eMTC、NB-IoT等低功耗广域网络必将是低功耗大连接的主力军。

eMTC是基于LTE演进的物联网技术，在R12中叫Low-Cost MTC，在R13中被称为LTE enhanced MTC，旨在基于现有的LTE载波满足物联网设备需求。LTE不断演进过程中，eMTC系统在控制成本的同时得以进一步优化，不仅增强了续航能力，还扩大了覆盖范围。此外，eMTC系统可采用蜂窝网络进行部署。eMTC终端可以直接接入已部署的LTE网络中，与WB-EUTRAN用户共站址，以支持智慧城市、环境监控、移动健康、远程跟踪、工业自动化以及安全智能化等多种垂直领域和细分市场。eMTC的商用远远超过人与人之间的通信需求，是实现运营商大连接目标的重要战略方向。

如果说LTE技术带给人们从3G飞跃到4G不断升级的用户体验，那么5G技术将带领我们进入通信的另一个世界，打开了人和物、物和物之间无处不在的互联互通的时空大门。首先，eMTC系统具有不容小视的性能指标，具备LPWA基本的四大能力——广覆盖、海量连接、更低成本以及超低功耗，使其在当前一些主流物联技术中脱颖而出。其次，eMTC支持连接态的移动性，物联用户可以无缝切换，保障用户体验。最后，eMTC可以基于现有LTE网络直接升级部署，大大降低了成本。同时，快速部署的优势可以助力运营商加速抢占物联市场先机，拓展商业边界，也可助力第三方垂直行业释放更多的行业需求[1]。

2 eMTC系统随机接入过程

eMTC技术是Rel13MTC的增强，WI主要包含三部分目标：低复杂度UE、覆盖增强和节能。3GPPTS22.368根据MTC在移动性、业务量特征等方面的不同，定义了低移动性、时延容忍度、优先告警、低功耗和小数据业务等14种优势特征，应用的典型场景有智能交通、智能电网、智慧社区以及智能环保等诸多领域。

此外，基于eMTC的应用场景，此类智能电子器件在某一小区的数量巨大，甚至达到海量连接。因此，eMTC系统需要具有支持短时间突发海量用户的小数据包业务特点。当eMTC终端从关闭状态恢复到开启状态，或者从一个基站切换到另一个基站，或当丢失上行定时同步信息时，都会首先发起随机接入。它的作用是完成eMTC终端和网络侧同步，解决冲突，获得基站给eMTC终端分配的上行通信资源。eMTC终端只有通过随机接入过程与基站建立上行同步后，基站才能实现对eMTC终端调度进行一系列上行资源的传输业务。理论上讲，无线通信系统基站侧可以将PRACH资源单独划分给eMTC终端，也可以和WB-EUTRAN用户采用资源复用（Resource Overlap，RO）。但是，无论基站侧的实现是否采用PRACH资源复用，海量eMTC终端在有限PRACH的资源发起随机接入时都有可能发生拥塞现象，即：（1）如果eMTC划分专用PRACH资源，一旦eMTC独享的PRACH资源发生拥塞，会导致网络服务对发起随机接入的eMTC终端不可用，势必大大降低服务质量；（2）如果eMTC采用与legacy LTE共享PRACH资源，那么eMTC终端连接发起随机接入时的“信令风暴”很有可能导致WB-EUTRAN用户无法正常接入。

由此可见，由于随机接入的信道资源有限，且eTMC业务特点是海量连接，在任意时刻极有可能存在多个甚至大量的eMTC终端需要通过随机接入信道向基站发起随机接入过程。因此，无法避免由此引发的冲突问题。同时，向所在基站请求RRC连接建立时，极有可能导致随机接入信道发生拥塞，引起严重的访问碰撞和时延问题，甚至导致网络瘫痪，大大降低网络服务质量，影响用户体验。因此，研究eTMC系统中有效的拥塞控制策略，对于整个网络服务质量显得尤为重要。

3 eTMC系统基于时间离散的拥塞控制策略

为了解决上述问题，更好地保障eMTC终端的服务质量，提出了一种基于时间离散的拥塞控制策略，以实现对随机接入过程的优化，减少eMTC终端所在网络发生拥塞的概率，提高终端接入网络的成功率，降低eMTC能耗，同时减少由于eMTC终端发起海量连接而影响WB-EUTRAN用户的正常接入情况，达到提升服务质量的需求。

第一步：在eMTC终端内设置一个定时器（Timer）。该定时器最大时长记作T，单位为微秒。它的值可根据eMTC终端所属类别即不同类别终端承载的业务可能会对接入时延有不同要求进行软件配置。

第二步：eMTC终端每次自主发起随机接入或者当从IDLE态接收Paging（寻呼）消息时，首先在该Timer的最大时长T范围内（即0～T内），采用均匀分布函数随机生成一个时间种子Δt（Δt的值可向上或向下取整），单位为微秒。

第三步：eMTC终端在获得该随机时间种子Δt的同时启动Timer，Timer开始计时并处于激活态。

第四步：eMTC终端需要在Timer启动开始计时并延迟Δt时长后，发起随机接入。可以使得需要发起随机接入的eMTC终端在同一时刻向PRACH信道发起RRC信令，在时间上呈离散化，且采用均匀分布函数来随机生成时间种子。因此，在0～T内计算得到任一随机时间种子Δt的概率都相同，保证了不同eMTC终端均可获得公平发起随机接入的机会。

第五步：当eMTC终端执行发起随机接入后，Timer清零，返回非激活态。

第六步：既然是随机接入过程，有可能接入成功，也有可能接入失败。对于eMTC终端本次随机接入失败的情况，eMTC终端需要判断是否即刻再次发起随机接入请求。它主要从两种情况来分析：

（1）若需要即可再次发起请求，则重新在0～T内生成一个新的随机时间种子后同时启动Timer，在Timer开始计时并延迟后，在对应的物理资源上采用功率攀升再次发起随机接入；

（2）若不需要即可再次发起请求，即eMTC终端接收到基站回复的RAR（Random Access Reponse）信息中的BI（Backoff Indicator）指示，则表示终端发生碰撞而接入失败，需要该eMTC终端避让，等待一定时长后重新出发随机接入，在0～T内生成一个新的随机时间种子并启动Timer，在Timer开始计时并延迟后，在对应的物理资源上采用功率攀升再次发起随机接入。

4 结 论

物联网场景将是一个多种网络技术长期共存的态势，而作为5G技术重要分支场景的eMTC系统，具有小数据业务包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广、数量多，不仅要求网络具备海量连接的支持能力，还要保证终端的超低功耗和低成本。因此，利用对eMTC终端内置定时器完成时间离散的作用，实现拥塞控制的策略。所述方法对独立划分PRACH资源的eMTC系统来说，可减少对海量eMTC终端同时发起RRC信令导致“信令风暴”的概率，同时有效降低网络拥塞，提高eMTC的终端接入成功率。而对与Legacy LTE共享PRACH资源的eMTC系统来说，可降低由于eMTC终端连接引发的PRACH信道拥塞，保证WB-EUTRAN用户正常接入的功能。因此，基于时间离散的eMTC系统的拥塞控制策略具有实现复杂度低、可行性较强的显著特点，大大增强了eMTC系统终端随机接入的成功率，降低了由此引发的“信令风暴”等一系列相关问题。