eMTC系統中一種基于時間離散的擁塞控制策略

趙 彥，王 菲

（西安交通工程學院，陜西 西安 710300）

1 eMTC系統基本技術概述

5G為人們帶來萬物互聯的創新愿景，使得由人與人之間的通信擴展到萬物互聯互通通信?；?G的高速、海量鏈接、超低能耗等優勢特點，未來由5G構建的泛在信息網絡必將是一個無所不在、萬物互聯的全聯通網絡世界，而eMTC、NB-IoT等低功耗廣域網絡必將是低功耗大連接的主力軍。

eMTC是基于LTE演進的物聯網技術，在R12中叫Low-Cost MTC，在R13中被稱為LTE enhanced MTC，旨在基于現有的LTE載波滿足物聯網設備需求。LTE不斷演進過程中，eMTC系統在控制成本的同時得以進一步優化，不僅增強了續航能力，還擴大了覆蓋范圍。此外，eMTC系統可采用蜂窩網絡進行部署。eMTC終端可以直接接入已部署的LTE網絡中，與WB-EUTRAN用戶共站址，以支持智慧城市、環境監控、移動健康、遠程跟蹤、工業自動化以及安全智能化等多種垂直領域和細分市場。eMTC的商用遠遠超過人與人之間的通信需求，是實現運營商大連接目標的重要戰略方向。

如果說LTE技術帶給人們從3G飛躍到4G不斷升級的用戶體驗，那么5G技術將帶領我們進入通信的另一個世界，打開了人和物、物和物之間無處不在的互聯互通的時空大門。首先，eMTC系統具有不容小視的性能指標，具備LPWA基本的四大能力——廣覆蓋、海量連接、更低成本以及超低功耗，使其在當前一些主流物聯技術中脫穎而出。其次，eMTC支持連接態的移動性，物聯用戶可以無縫切換，保障用戶體驗。最后，eMTC可以基于現有LTE網絡直接升級部署，大大降低了成本。同時，快速部署的優勢可以助力運營商加速搶占物聯市場先機，拓展商業邊界，也可助力第三方垂直行業釋放更多的行業需求[1]。

2 eMTC系統隨機接入過程

eMTC技術是Rel13MTC的增強，WI主要包含三部分目標：低復雜度UE、覆蓋增強和節能。3GPPTS22.368根據MTC在移動性、業務量特征等方面的不同，定義了低移動性、時延容忍度、優先告警、低功耗和小數據業務等14種優勢特征，應用的典型場景有智能交通、智能電網、智慧社區以及智能環保等諸多領域。

此外，基于eMTC的應用場景，此類智能電子器件在某一小區的數量巨大，甚至達到海量連接。因此，eMTC系統需要具有支持短時間突發海量用戶的小數據包業務特點。當eMTC終端從關閉狀態恢復到開啟狀態，或者從一個基站切換到另一個基站，或當丟失上行定時同步信息時，都會首先發起隨機接入。它的作用是完成eMTC終端和網絡側同步，解決沖突，獲得基站給eMTC終端分配的上行通信資源。eMTC終端只有通過隨機接入過程與基站建立上行同步后，基站才能實現對eMTC終端調度進行一系列上行資源的傳輸業務。理論上講，無線通信系統基站側可以將PRACH資源單獨劃分給eMTC終端，也可以和WB-EUTRAN用戶采用資源復用（Resource Overlap，RO）。但是，無論基站側的實現是否采用PRACH資源復用，海量eMTC終端在有限PRACH的資源發起隨機接入時都有可能發生擁塞現象，即：（1）如果eMTC劃分專用PRACH資源，一旦eMTC獨享的PRACH資源發生擁塞，會導致網絡服務對發起隨機接入的eMTC終端不可用，勢必大大降低服務質量；（2）如果eMTC采用與legacy LTE共享PRACH資源，那么eMTC終端連接發起隨機接入時的“信令風暴”很有可能導致WB-EUTRAN用戶無法正常接入。

由此可見，由于隨機接入的信道資源有限，且eTMC業務特點是海量連接，在任意時刻極有可能存在多個甚至大量的eMTC終端需要通過隨機接入信道向基站發起隨機接入過程。因此，無法避免由此引發的沖突問題。同時，向所在基站請求RRC連接建立時，極有可能導致隨機接入信道發生擁塞，引起嚴重的訪問碰撞和時延問題，甚至導致網絡癱瘓，大大降低網絡服務質量，影響用戶體驗。因此，研究eTMC系統中有效的擁塞控制策略，對于整個網絡服務質量顯得尤為重要。

3 eTMC系統基于時間離散的擁塞控制策略

為了解決上述問題，更好地保障eMTC終端的服務質量，提出了一種基于時間離散的擁塞控制策略，以實現對隨機接入過程的優化，減少eMTC終端所在網絡發生擁塞的概率，提高終端接入網絡的成功率，降低eMTC能耗，同時減少由于eMTC終端發起海量連接而影響WB-EUTRAN用戶的正常接入情況，達到提升服務質量的需求。

第一步：在eMTC終端內設置一個定時器（Timer）。該定時器最大時長記作T，單位為微秒。它的值可根據eMTC終端所屬類別即不同類別終端承載的業務可能會對接入時延有不同要求進行軟件配置。

第二步：eMTC終端每次自主發起隨機接入或者當從IDLE態接收Paging（尋呼）消息時，首先在該Timer的最大時長T范圍內（即0～T內），采用均勻分布函數隨機生成一個時間種子Δt（Δt的值可向上或向下取整），單位為微秒。

第三步：eMTC終端在獲得該隨機時間種子Δt的同時啟動Timer，Timer開始計時并處于激活態。

第四步：eMTC終端需要在Timer啟動開始計時并延遲Δt時長后，發起隨機接入?？梢允沟眯枰l起隨機接入的eMTC終端在同一時刻向PRACH信道發起RRC信令，在時間上呈離散化，且采用均勻分布函數來隨機生成時間種子。因此，在0～T內計算得到任一隨機時間種子Δt的概率都相同，保證了不同eMTC終端均可獲得公平發起隨機接入的機會。

第五步：當eMTC終端執行發起隨機接入后，Timer清零，返回非激活態。

第六步：既然是隨機接入過程，有可能接入成功，也有可能接入失敗。對于eMTC終端本次隨機接入失敗的情況，eMTC終端需要判斷是否即刻再次發起隨機接入請求。它主要從兩種情況來分析：

（1）若需要即可再次發起請求，則重新在0～T內生成一個新的隨機時間種子后同時啟動Timer，在Timer開始計時并延遲后，在對應的物理資源上采用功率攀升再次發起隨機接入；

（2）若不需要即可再次發起請求，即eMTC終端接收到基站回復的RAR（Random Access Reponse）信息中的BI（Backoff Indicator）指示，則表示終端發生碰撞而接入失敗，需要該eMTC終端避讓，等待一定時長后重新出發隨機接入，在0～T內生成一個新的隨機時間種子并啟動Timer，在Timer開始計時并延遲后，在對應的物理資源上采用功率攀升再次發起隨機接入。

4 結 論

物聯網場景將是一個多種網絡技術長期共存的態勢，而作為5G技術重要分支場景的eMTC系統，具有小數據業務包、低功耗、海量連接等特點。這類終端分布范圍廣、數量多，不僅要求網絡具備海量連接的支持能力，還要保證終端的超低功耗和低成本。因此，利用對eMTC終端內置定時器完成時間離散的作用，實現擁塞控制的策略。所述方法對獨立劃分PRACH資源的eMTC系統來說，可減少對海量eMTC終端同時發起RRC信令導致“信令風暴”的概率，同時有效降低網絡擁塞，提高eMTC的終端接入成功率。而對與Legacy LTE共享PRACH資源的eMTC系統來說，可降低由于eMTC終端連接引發的PRACH信道擁塞，保證WB-EUTRAN用戶正常接入的功能。因此，基于時間離散的eMTC系統的擁塞控制策略具有實現復雜度低、可行性較強的顯著特點，大大增強了eMTC系統終端隨機接入的成功率，降低了由此引發的“信令風暴”等一系列相關問題。