基于移動通信網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)擁塞控制方案研究

劉牧寅，馬瑞濤

（中訊郵電咨詢設計院有限公司 北京100048）

1 概述

國際電信聯(lián)盟（ITU）在2005年的ITU 互聯(lián)網(wǎng)報告中正式提出并明確了物聯(lián)網(wǎng)的基本概念。在ITU 互聯(lián)網(wǎng)報告中，物聯(lián)網(wǎng)指視頻識別技術(shù)設備、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)（GPS）、激光掃描器等信息傳感設備，通過一定的網(wǎng)絡協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理等功能的一種網(wǎng)絡[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)和應用的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已逐步滲透到各行各業(yè)中，從概念研究和標準制定向試驗和商用部署階段發(fā)展，同時，物聯(lián)網(wǎng)作為電信運營商新的價值藍海，已經(jīng)受到了廣泛的關(guān)注，并展開了多層次多方位的研究工作。

根據(jù)ETSI TR102.069 標準的定義，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡架構(gòu)從下到上分為3 層：感知延伸層、網(wǎng)絡層和應用層[2]。

感知延伸層主要實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端和用戶的信息采集和基本處理，涉及的關(guān)鍵技術(shù)和網(wǎng)元主要包括RFID、傳感器、二維碼、執(zhí)行器、智能裝置、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、通信模組等。

網(wǎng)絡層主要實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)信息的控制和傳送，網(wǎng)絡層功能由通信運營商的網(wǎng)絡來提供，主要包括接入網(wǎng)絡和核心網(wǎng)絡。接入網(wǎng)絡包括xDSL、GERAN、UTRAN、EUTRAN、WLAN、WiMAX 等接入技術(shù)；核心網(wǎng)絡主要對信息傳送進行全面的管理和控制。

應用層主要對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息進行存儲、解析、集成和分析，并對物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務邏輯進行處理。

2 物聯(lián)網(wǎng)擁塞控制

2.1 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務特征

（1）終端和用戶類型多樣、海量連接數(shù)

區(qū)別于傳統(tǒng)人與人的通信模式，物聯(lián)網(wǎng)提供任意物與物之間的互聯(lián)，其廣泛應用必將帶來大量的智能感知終端，并由此產(chǎn)生海量的通信數(shù)據(jù)。據(jù)預測，未來物聯(lián)網(wǎng)時代將有500 億連接，未來物聯(lián)網(wǎng)的通信量將是當前互聯(lián)網(wǎng)的30 倍，成為未來IP 網(wǎng)絡流量的重要組成部分。

（2）業(yè)務種類和應用場景的多樣性、復雜性

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務具有更為復雜的應用場景及業(yè)務特性，如智能抄表、智能農(nóng)業(yè)等應用具有低移動性、業(yè)務與時間相關(guān)性強、業(yè)務觸發(fā)與終端位置相關(guān)、終端低功耗等特性；智能交通、環(huán)境監(jiān)控等應用具有永遠在線、大量小數(shù)據(jù)傳輸，通信數(shù)據(jù)量隨時間、位置分布不均衡等特性。

（3）業(yè)務模型與人人通信不同

除以上物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務和終端特性外，物聯(lián)網(wǎng)終端普遍要求低功耗以及特殊的安全性保證，同時，物聯(lián)網(wǎng)還要求具備基于組群進行管理的特性等，這些物聯(lián)網(wǎng)的新特征將產(chǎn)生新的通信模型及通信需求。

對于電信運營商而言，物聯(lián)網(wǎng)的應用必將對傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡產(chǎn)生很大影響并提出更高的要求。物聯(lián)網(wǎng)的部署需要能夠支持海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇髱捑W(wǎng)絡以及智能化的處理控制機制，即要求網(wǎng)絡能夠處理由于海量通信數(shù)據(jù)造成的擁塞或超負荷和由于海量并發(fā)形成的信令風暴；能夠?qū)崿F(xiàn)對海量終端的管理控制和認證，實現(xiàn)網(wǎng)絡側(cè)大量簽約信息與用戶數(shù)據(jù)處理，識別并阻止物聯(lián)網(wǎng)終端的非法使用；同時，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同類型物聯(lián)網(wǎng)應用的網(wǎng)絡資源占用進行控制和調(diào)配，實現(xiàn)對組群用戶和業(yè)務進行管理、控制與計費等。

2.2 擁塞控制需求

為了確保物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務和網(wǎng)絡的正常使用，需要采用特定的擁塞控制機制對網(wǎng)絡實施擁塞控制，應對海量終端、數(shù)據(jù)沖擊以及外部事件或周期性業(yè)務應用引發(fā)信令風暴對網(wǎng)絡的沖擊，避免網(wǎng)絡設備過載或死機，保證網(wǎng)絡設備安全。

通過對物聯(lián)網(wǎng)終端和應用流程進行優(yōu)化，運營商能夠避免某些特定業(yè)務引起的網(wǎng)絡信令擁塞問題，但由于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務應用場景復雜多樣，網(wǎng)絡的擁塞控制仍是運營商必須要解決的問題，其關(guān)系到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的正常運行與否。

信令擁塞的影響節(jié)點包括運營商網(wǎng)絡中所有核心網(wǎng)分組域控制面網(wǎng)元及網(wǎng)關(guān)。物聯(lián)網(wǎng)海量終端帶來的大規(guī)模附著請求主要沖擊SGSN/MME；大規(guī)模連接請求不僅沖擊SGSN/MME，還會沖擊GGSN/PGW；信令風暴將耗費大量無線側(cè)資源與鏈路資源。在部分場景中，物聯(lián)網(wǎng)終端的并發(fā)信令具有區(qū)域性，即信令擁塞在某一條或幾條信令鏈路上發(fā)生。

為了有針對性地控制信令擁塞，網(wǎng)絡需要支持對附著請求和連接請求等信令的拒絕及阻止功能，并區(qū)別提供區(qū)域性和全網(wǎng)性擁塞控制機制，即既能阻止引發(fā)擁塞的某特定物聯(lián)網(wǎng)應用數(shù)據(jù)流，又不影響其他物聯(lián)網(wǎng)應用數(shù)據(jù)及非物聯(lián)網(wǎng)應用數(shù)據(jù)傳輸，且能夠準確標識引發(fā)信令擁塞的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務應用，能夠?qū)μ囟▍^(qū)域和鏈路上的物聯(lián)網(wǎng)應用進行控制。這要求網(wǎng)絡能夠?qū)δ程囟ㄎ锫?lián)網(wǎng)終端組及（或）某特定APN 產(chǎn)生的負載進行管控，同時能夠?qū)λ形锫?lián)網(wǎng)終端（區(qū)別于其他終端）產(chǎn)生的網(wǎng)絡負荷進行管控，進行部分或全部拒絕及注銷。

此外，網(wǎng)絡需要指示物聯(lián)網(wǎng)終端在過載場景下或被拒絕之后不能立即或同時重發(fā)，以防止海量終端同時發(fā)起重請求導致的網(wǎng)絡負載二次加重問題。

3 物聯(lián)網(wǎng)擁塞控制方法

3.1 核心網(wǎng)側(cè)擁塞控制方法

在核心網(wǎng)側(cè)，通過對SGSN/MME 及GGSN/SGW/PGW 等網(wǎng)元啟動擁塞控制功能，針對區(qū)域性和全局性的擁塞控制設置不同的控制方法。核心網(wǎng)側(cè)擁塞控制方法主要包括基于用戶組、基于APN 和基于終端優(yōu)先級的擁塞控制。

對于基于組或APN的擁塞控制方案，如圖1 所示，由SGSN/MME 從HLR/HSS 獲取某一物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的組標識，或在物聯(lián)網(wǎng)終端發(fā)出的連接請求和附著請求中攜帶新增的組標識。當網(wǎng)絡發(fā)生擁塞時，SGSN/MME或GGSN/PGW 識別引起擁塞的組或APN，并檢測某一發(fā)起請求的物聯(lián)網(wǎng)終端是否屬于引發(fā)擁塞的組或APN，然后，SGSN/MME 或GGSN/PGW 將拒絕引起擁塞/過負荷的某一APN 或組所有終端發(fā)起的附著和連接請求，并在拒絕消息中攜帶拒絕原因和等待時間。等待時間用于防止大量終端在被拒絕后立即發(fā)起重請求導致的并發(fā)擁塞，SGSN/MME 將該等待時間發(fā)給被拒絕的物聯(lián)網(wǎng)終端，由物聯(lián)網(wǎng)終端對該時間進行隨機化。拒絕的原因包括SGSN/MME 擁塞、GGSN/PGW 過負載、APN 接入限制、請求PDN 連接的QoS 不滿足等，終端可根據(jù)該拒絕指示決定后續(xù)操作如何進行。

圖1 基于組/APN的核心網(wǎng)擁塞控制機制

如圖2 所示，基于終端優(yōu)選級的擁塞控制方案主要用于：當MME/SGSN 過載時，限制低優(yōu)先級物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流，同時，允許其他數(shù)據(jù)流（話音、數(shù)據(jù)、信令）的正常操作。由SGSN/MME 從HLR/HSS 獲取物聯(lián)網(wǎng)終端簽約的接入級別，定義網(wǎng)絡負荷所允許接入的優(yōu)先級。當網(wǎng)絡擁塞時，則拒絕低優(yōu)先級終端的附著和連接請求，在SGSN/MME 上設置信令負載閾值；當開始過載時（負載超過預先定義的閾值），則發(fā)送消息給SGW，攜帶流量控制參數(shù)和控制時長，SGW 根據(jù)接收到的控制參數(shù)和控制時長開始對相應低優(yōu)先級物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)生的下行業(yè)務數(shù)據(jù)流進行控制，以減少SGSN 或MME的負載；當控制時長到期或負載減輕時，SGSN/MME 發(fā)送消息通知，SGW 停止控制低優(yōu)先級物聯(lián)網(wǎng)終端業(yè)務流，恢復正常操作。

3.2 無線接入側(cè)擁塞控制方法

無線接入側(cè)擁塞控制的機制主要包括2 種機制：無線側(cè)拒絕接入請求和無線側(cè)廣播控制。

如圖3 所示，在無線接入側(cè)準確控制擁塞源是最直接、有效的擁塞控制方法，能夠避免由無線側(cè)到核心網(wǎng)側(cè)的資源消耗，而無線接入側(cè)無法識別擁塞產(chǎn)生源，因此，需要根據(jù)收到的指示消息執(zhí)行擁塞控制。發(fā)生擁塞時，無線接入側(cè)eNode B/RNC/BSS 設備根據(jù)收到的物聯(lián)網(wǎng)終端接入優(yōu)先級指示進行判斷，拒絕所有低優(yōu)先級物聯(lián)網(wǎng)終端接入，并在拒絕消息中攜帶等待時間。該方案通過拒絕低優(yōu)先級終端發(fā)出的第一個RRC 信息減輕負載。在大量連接請求并發(fā)的情況下，該方案的優(yōu)勢在于能夠在接入過程中盡可能早地拒絕請求，以避免資源被占用。

圖2 基于終端優(yōu)先級的核心網(wǎng)擁塞控制

圖3 無線側(cè)廣播控制機制

表1 物聯(lián)網(wǎng)主要擁塞控制方法比較

無線側(cè)廣播控制需要由核心網(wǎng)側(cè)網(wǎng)元配合使用。觸發(fā)無線側(cè)廣播擁塞控制的原因主要包括：

①無線接入設備內(nèi)部擁塞引起的報警；

②無線網(wǎng)管平臺側(cè)發(fā)起接入控制要求；

③無線側(cè)設備受到核心網(wǎng)設備發(fā)送的OVERLOAD START 消息。

以上3 種場景都會觸發(fā)物聯(lián)網(wǎng)無線側(cè)的接入控制廣播，用于禁止后續(xù)物聯(lián)網(wǎng)終端和用戶的接入網(wǎng)絡。

無線側(cè)廣播控制的級別主要包含3 類：基于低優(yōu)先級接入指示標識、基于物聯(lián)網(wǎng)組/APN 相關(guān)的接入控制信息、基于特定PLMN 類型（如非歸屬地物聯(lián)網(wǎng)終端，未在PLMN 選擇列表中的物聯(lián)網(wǎng)終端等）。

物聯(lián)網(wǎng)終端或用戶根據(jù)收到的廣播信息判斷其連接請求是否會被拒絕。如果屬于接入控制類別，則物聯(lián)網(wǎng)終端根據(jù)廣播消息要求將延遲接入網(wǎng)絡或不接入網(wǎng)絡。

3.3 方案評估

核心網(wǎng)側(cè)和無線接入側(cè)的擁塞控制方案是目前實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)擁塞控制最主要的方法，但均不完善，須根據(jù)實際應用場景配合使用。擁塞控制方案的優(yōu)劣勢比較見表1 所列。

無線側(cè)廣播機制是禁止物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務信令的同時又不產(chǎn)生額外信令的唯一方法，且能夠有效地控制潛在的擁塞和過載隱患，但該機制的顆粒度比較粗，因此，需要同時采用請求拒絕機制以實現(xiàn)更細顆粒度的控制。當廣播接入控制關(guān)閉時，因大量物聯(lián)網(wǎng)終端同時并發(fā)接入導致?lián)砣?，因此，在無線側(cè)同時采用拒絕機制和廣播機制能夠有效地實現(xiàn)更好的負載控制。

無線接入側(cè)控制機制不適合基于用戶組或APN的控制，而核心網(wǎng)側(cè)拒絕機制則能夠很好地實現(xiàn)這一功能。

因此，為了提供完整、快速、有效的方案，需要綜合采用上述各種擁塞控制方案。

目前，移動通信網(wǎng)已具備基本的拒絕接入請求功能及廣播擁塞控制功能，其應用于物聯(lián)網(wǎng)擁塞控制的改造較少。為了實現(xiàn)對某特定物聯(lián)網(wǎng)組或APN的識別，需要對核心網(wǎng)側(cè)SGSN、GGSN 進行改造，增加對物聯(lián)網(wǎng)終端、組或APN的識別功能并發(fā)送擁塞控制通告和相關(guān)信息給無線側(cè)；同時，需要HLR/HSS 設備，增加用戶組標識的處理功能、用戶優(yōu)先級的存儲及與物聯(lián)網(wǎng)終端的映射功能。

此外，在上述方案的基礎(chǔ)上，可考慮對無線側(cè)及終端發(fā)送消息或標識進行改造，增加物聯(lián)網(wǎng)組或APN的標識或級別，以實現(xiàn)無線側(cè)直接基于物聯(lián)網(wǎng)組或APN 進行請求識別和拒絕處理，但該方案涉及無線側(cè)網(wǎng)元的改造，可能產(chǎn)生較大投資。

4 結(jié)束語

面對物聯(lián)網(wǎng)的海量連接數(shù)及數(shù)據(jù)應用，運營商對完善的擁塞過載控制需求更為迫切。就目前而言，擁塞控制需要重點從接入網(wǎng)絡側(cè)和核心網(wǎng)絡側(cè)入手，聯(lián)合進行擁塞控制，實現(xiàn)對全部或引發(fā)擁塞的特定終端進行信令和流量的控制。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，需要運營商不斷評估物聯(lián)網(wǎng)對移動通信網(wǎng)的影響，并優(yōu)化相關(guān)控制和解決方案，在減少對現(xiàn)網(wǎng)影響的同時，為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的應用提供網(wǎng)絡基礎(chǔ)。未來更需要加入業(yè)務平臺層和終端側(cè)控制機制，從端到端進行用戶和終端的聯(lián)動擁塞控制，才能從根本上解決物聯(lián)網(wǎng)的擁塞控制難題。

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