面向M2M的移动通信系统优化技术研究

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图4 3GPP MTC R10标准化项目进程

　　5.1 随机接入拥塞解决方案

　　在3GPP讨论中，首先统一了LTE及UMTS系统的随机接入拥塞的仿真评估。另外，TR 37.868还收录了对智能抄表类MTC应用、车队管理类MTC应用以及地震监测类MTC应用的随机接入分析。

　　关于如何解决大量MTC设备同时接入引起的随机接入拥塞问题，可以通过在应用层控制MTC设备的接入时间来解决，比如：在智能抄表类的业务中，可以通过在应用层设置不同的上报时间来避免大量智能水/电表同时触发业务上报。然而，在未来的M2M用户中，存在着大量的行业用户，这些行业用户可能并不完全受运营商的控制，也不了解蜂窝网络的特性，因而不会从网络利用的角度出发来考虑设置应用层的接入时间控制。在某些场景中，比如地震预报，大量的传感器必须在极短的时间内上报告警信息，网络必须能够同时处理大量的信息上报。因而也应该寻找无线侧针对MTC设备接入时间的控制方法，这些方案对于应用层是透明的，即使应用层没有设置相应的接入时间控制，网络也可以从容应付大量MTC设备的同时接入。

　　在3GPP的讨论中，确认了以下几种解决随机接入拥塞的无线侧候选方案：

　　（1）接入控制方案

　　在E-UTRAN中，接入控制是由Access Class Barring功能实现的，用来抑制过多的流量，避免拥塞。当终端要求建立一个连接时，终端应当首先执行Access Class Barring检查。如果检查成功，终端才会发送RACH前导，开始RRC连接建立过程。E-UTRAN执行Access Class Barring的方法是：通过小区广播一个Barring因子和AC Barring Time。当终端启动层3接入时，终端抽取一个随机数，将这个随机数和Barring因子做比较。如果这个随机数小于Barring 因子，终端开始随机接入过程，否则，终端会在AC Barring Time内被阻止接入。因此，可以为MTC设备引入新的Barring因子，实现对MTC终端的接入控制。

　　（2）资源划分方案

　　大量MTC设备的同时接入会增大RACH信道的负载，以及RACH前导碰撞的概率，同时也会影响正常终端的工作，使正常终端的碰撞概率也增加。可以通过为MTC设备动态地分配RACH资源来解决此问题：将一些RACH资源用于MTC，其他RACH资源用于正常终端，这样，MTC冲突概率的增加不会影响正常终端，RACH资源分配可以根据网络状态而动态调整并在系统信息中广播。

　　（3）动态RACH资源分配方案

　　此方案主要是“开源”，即增加RACH资源：首先，可以在时间域上增加，即当eNodeB检测到随机接入的高峰正在到来时（如Preambles利用率超过了预定义的门限），可以通过Paging或者新的SIB来暂时增加一个或多个子帧作为PRACH资源，当高峰过去以后，可以取消暂时增加的配置。其次，也可以在频率域上增加。目前的LTE标准中，用于RACH接入的资源是6个RB。当eNB检测到随机接入的高峰正在到来时，其可以通过Paging或者新的SIB来暂时增加另外的6个RB作为RACH资源。

　　（4）MTC特定的随机接入回退（Backoff）方案

　　在目前的LTE中，普通终端在初始接入时的回退值设为零，当初次接入没有成功，eNB会通知终端一个具体的回退时间，终端在零和此回退时间内产生一个随机值，经过此随机值的时间，终端才可以重新发起接入。此方案的主要思想是为MTC引入一个与普通终端不同的回退方案，比如：初始接入时即有一个非零的回退值，另外，回退值的范围也可以比普通终端更广。

　　（5）MTC特定时隙接入方案

　　此方案为MTC设备定义一个接入周期/时隙（与寻呼周期/时隙的概念相似），每个MTC设备只能在特定的接入时隙内接入，其具体的接入时隙可以通过其ID（IMSI）来决定。

　　（6）Pull方案

　　对于某些MTC应用，如智能抄表，可以不允许它们进行类似于普通终端的Mobile Originating 呼叫。而是通过MTC Server控制的方法，即让MTC Server触发MME来寻呼相应的MTC设备，只有被寻呼的设备才能接入网络发送它们的数据。目前的寻呼消息必须包含每个被寻呼终端的ID，只有符合终端ID的终端设备会回应寻呼消息。此方案引入了组ID的概念，可以在寻呼消息中发送这个组ID，所有属于这个组ID的MTC设备都会回应这个Paging消息。通过使用组ID，极大地减少了寻呼开销。另外，可以通过设置组的大小，来控制同时接入无线网的MTC设备数量。

　　5.2 针对核心网拥塞的无线侧解决方案

　　当核心网拥塞时，E-UTRAN应当识别并及时拒绝掉一些低优先级MTC终端的接入，以保证高优先级终端（包括高优先级MTC终端）的传输。为此，3GPP决定为终端引入一个“Delay Tolerant”指示，当终端使用此指示时，表明其可以在网络拥塞时忍受较长的延迟。

　　值得注意的是，MTC应用也千差万别，并不是所有的MTC应用都可以忍受较长的延迟，比如，用于地震预警的传感网络，即使在网络拥塞时，也必须尽快地让其接入并传送数据。因此是否将MTC应用映射到“Delay Tolerant”上，由运营商在NAS层配置。

　　当核心网处于拥塞状态时，eNB可以通过拒绝或释放掉那些对时延容忍度比较高的连接，并反馈一个等待时间值（最大值为1800s）。当终端收到上述消息后，会在终端侧按照这个等待时间启动一个计时器，在计时器到期前，相应的MTC应用不再发起RRC连接。

　　

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