LTE下基于群组的MTC拥塞控制机制研究

王浩 刘涌 赵静雅

摘要：为了保证H2H（Human-to-Human）的通信质量以及M2M（Machine-to-Machine）通信的优化、同时解决MTC（Machine-Type-Communication）拥塞的问题，本文提出一种基于群组的并通过调整群组中的中继设备发起接入请求时消息队列长度的阈值的方法，来实现拥塞控制和节能的效果，最后通过仿真说明和验证了该方法拥有拥塞控制和节能的作用。

关键词：MTC；群组；消息队列；拥塞控制；节能

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）15-0051-02

随着大量的不同自动化系统的出现，机器与机器之间的通信越来越重要，M2M（Machine-to-Machine）通信或者MTC（Machine-Type-Communication）已经成为一种新的通信范例，比如在物联网，小型电网，环境监测中等等。因为原有的传统的人与人（Human-to-Human）通信和M2M通信在网络中共存，又由于MTC本身的特点，设备数量巨大，网络接入请求频繁，在随机接入网络时很容易造成拥塞，影响整个网络的效用和造成能源消耗，而且MTC业务种类的多样性导致现有的拥塞控制方法各有局限性，所以为了保证H2H的通信质量以及M2M通信的优化，解决MTC拥塞是一项非常重要的任务，而改进现有方法和提出新方法正是本文所要做的工作。

1 MTC接入拥塞场景

当海量的MTC设备承载在无线网络中时，由于无线网络在单位时间内承载的终端设备有限，因此很可能造成网络的过载，总的说来主要有大量MTC设备在接入网络时造成接入网的资源过载，还有大量MTC设备在接入网络时引发的信令拥塞，以及大量MTC设备成功接入网络后，与网络系统交互时引发的核心网拥塞。

其中网络拥塞主要包括：接入网（RAN）拥塞和核心网（CN）拥塞；RAN拥塞通常发生在特定的小区覆盖范围内，当大量设备同时接入到同一个基站时，就会在接入网产生拥塞。比如：灾害监测，当灾难发生时，该地区所有的M2M设备将会对收集到的数据上报，由于接入网的接入信道等相关资源是有限的，这种情况下极易造成接入网的拥塞。当一大群MTC设备以高度同步的方式接入到网络时，比如停电之后所有设备的重启，这种应用场景下，会使核心网CN产生严重的拥塞，从而可能造成不能容忍的延迟、包丢失，甚至服务中断等无法挽回的后果。

2 MTC基于群组的拥塞控制和节能实现

一种基于分群寻呼的M2M数据传输方法，这种方法主要是依据MTC终端的时延敏感度来对其进行分群，将具有相同时延容忍特性的MTC终端划分为一个群组。网络侧可对任意时刻的业务到达率做出估计，对当前时刻有业务需要上传的群组依照其时延敏感度进行接入排序，时延要求高的群组优先接入，时延要求低的群组排后，然后基站侧对网络当前剩余资源和某群所需资源进行比较，如果有足够资源的话，才向时延敏感度要求最高的匹配群组发送一条群寻呼触发消息，当M2M服务器在时延允许的范围内收到规定数量的上报信息时，则认为该群传输成功。若网络侧随机接入资源未超时，则网络依据上一次轮询的结果群组寻呼下一个时延敏感度未超时的MTC群组接入。若上次轮询结果中的所有群组的时延敏感度均超时，则M2M服务器等待下一个 M2M设备请求更新信息的到来，如此循环。当然上述的群组划分依据是多样的，除了时延容忍特性之外，可以根据MTC业务的优先级划分，然后对分组寻呼的顺序进行调整。

3 群组形成及阈值设置

首先对于群组的形成，我们根据MTC设备或者业务的特性进行分组，比如该组MTC设备对能量消耗有相当高的要求，或者该组MTC设备都服务于环境数据的监测。当群组形成后，对于每一个分组，它们都将有一个专门的MTC UE甚至一个网关，来负责接收分组内各个MTC设备的消息传输请求，并将请求中继到基站来进行下一步的网络连接，群组的优势就在于此。

假设原本有100个MTC设备同时请求接入网络，那么此时这100个MTC设备的随机接入会产生竞争，且成功接入的设备会被分配网络资源。但当这100个MTC设备组成一个分组时，若这个分组有一个特定的中继设备来为这么多设备中继请求，也就是当中继设备接收到这100个请求时，它用一次成功的随机接入可以将这100个请求一次发出（因为请求所产生的数据包较小，我们设定不论1个请求的数据包或者是100个请求的数据包均能在一次成功的随机接入内完成传输），那这样不仅减少了请求产生冲突的可能性和请求失败的概率，也节省了很多网络资源。

4仿真设计

设分组内MTC业务的到达率服从泊松分布，那么到达率就等于单位时间内分组内所有MTC设备请求接入网络的次数。这里首先提出绩效的概念，由单词Utility（效用，绩效）而来，用來度量事件对整体的贡献大小，贡献可正面，可负面，正面贡献加到整体绩效中，负面绩效从整体绩效中扣除。根据我们拥塞控制和节能的目的，本文提出这样一组公式：

[Ts=Q/λTd=Td+Tak=S/QU=S?q+k?Ts?ws-k?（Ta?wa+Td?w）] （1）

公式中，[Q]代表中继设备消息队列的阈值；[U]代表该分组整体的绩效，表示分组完成所有接入请求的中继传输产生的绩效；[S]表示分组内需要为MTC设备转发的的总接入请求数；[q]表示每完成一个MTC设备接入请求产生的绩效；[Ts]表示中继设备的消息队列在未达到触发中继的阈值之前，处于休眠状态的时间；[Ts]对应的[Ta]则恰好指中继设备触发中继后发起接入请求直到接入成功的时间，即激活的时间；与[Ts]，[Ta]分别相乘的[ws]和[wa]分别代表分组内中继设备在未激活和激活状态下的贡献权重，即在一种状态下贡献（正面或者负面的）越大，对应[ws]或[wa]越也越大，需注意[ws]、[wa]和为1；公式最后一项[Td?w]中，[Td]指分组内中继设备进入休眠后从收到第一个MTC设备请求开始，直到中继设备的消息队列达到阈值向eNodeB发起请求并完成接入再次进入休眠的时间，由休眠期间队列内MTC请求等待的平均时延[Td]和激活时间[Ta]加和得到；与[Td]相乘的[w]是该分组内MTC业务的时延敏感度，越敏感，[w]越大，能够忍受的时延越小。规定[w]值范围为（0，1）。另外，[k]表示为了完成所有接入请求的转发，中继设备需要中继的次数。对于整个公式的分析，绩效[U]为完成所有接入请求时的基础绩效加上中继设备节能的绩效，减去中继设备激活时和总延迟造成的负面绩效。

5结语

本文从群组内每个分组的中继设备特点开始介绍，着重解释消息队列的概念和设备工作时的状态以及中继转发消息的过程，然后正式提出基于群组，调整中继设备消息队列阈值来提高分组绩效的方法，并通过仿真说明和验证了该方法拥有拥塞控制和节能的作用。

不论是物联网，或是M2M通信的发展和H2H通信更紧密的融合，未来万物相联系的势态已经不可阻挡，为此要更认真地分析实际的网络形势，更有创造力地为解决网络问题提出解决方案。针对MTC的拥塞控制，现有方法自然有所用途，但它们一定能够再一步得到优化，本文提到的群组下调整消息队列的方法亦然，它对很多细节问题还可以更深层次地讨论，因此对于相关公式的设计和约束条件的设置都还需要很多优化改进。

参考文献：

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