劉牧寅，馬瑞濤

（中訊郵電咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)院有限公司 北京100048）

1 概述

國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）在2005年的ITU 互聯(lián)網(wǎng)報(bào)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(bào)告中，物聯(lián)網(wǎng)指視頻識(shí)別技術(shù)設(shè)備、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)（GPS）、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，通過(guò)一定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理等功能的一種網(wǎng)絡(luò)[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)和應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)制定向試驗(yàn)和商用部署階段發(fā)展，同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)作為電信運(yùn)營(yíng)商新的價(jià)值藍(lán)海，已經(jīng)受到了廣泛的關(guān)注，并展開(kāi)了多層次多方位的研究工作。

根據(jù)ETSI TR102.069 標(biāo)準(zhǔn)的定義，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)從下到上分為3 層：感知延伸層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[2]。

感知延伸層主要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端和用戶(hù)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(luò)層主要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)信息的控制和傳送，網(wǎng)絡(luò)層功能由通信運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供，主要包括接入網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)。接入網(wǎng)絡(luò)包括xDSL、GERAN、UTRAN、EUTRAN、WLAN、WiMAX 等接入技術(shù)；核心網(wǎng)絡(luò)主要對(duì)信息傳送進(jìn)行全面的管理和控制。

應(yīng)用層主要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、解析、集成和分析，并對(duì)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行處理。

2 物聯(lián)網(wǎng)擁塞控制

2.1 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特征

（1）終端和用戶(hù)類(lèi)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(yīng)用必將帶來(lái)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(yù)測(cè)，未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將有500 億連接，未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的通信量將是當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)的30 倍，成為未來(lái)IP 網(wǎng)絡(luò)流量的重要組成部分。

（2）業(yè)務(wù)種類(lèi)和應(yīng)用場(chǎng)景的多樣性、復(fù)雜性

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)具有更為復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景及業(yè)務(wù)特性，如智能抄表、智能農(nóng)業(yè)等應(yīng)用具有低移動(dòng)性、業(yè)務(wù)與時(shí)間相關(guān)性強(qiáng)、業(yè)務(wù)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(yīng)用具有永遠(yuǎn)在線(xiàn)、大量小數(shù)據(jù)傳輸，通信數(shù)據(jù)量隨時(shí)間、位置分布不均衡等特性。

（3）業(yè)務(wù)模型與人人通信不同

除以上物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)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(shí)，物聯(lián)網(wǎng)還要求具備基于組群進(jìn)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(duì)于電信運(yùn)營(yíng)商而言，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用必將對(duì)傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)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(luò)以及智能化的處理控制機(jī)制，即要求網(wǎng)絡(luò)能夠處理由于海量通信數(shù)據(jù)造成的擁塞或超負(fù)荷和由于海量并發(fā)形成的信令風(fēng)暴；能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海量終端的管理控制和認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)側(cè)大量簽約信息與用戶(hù)數(shù)據(jù)處理，識(shí)別并阻止物聯(lián)網(wǎng)終端的非法使用；同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同類(lèi)型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)資源占用進(jìn)行控制和調(diào)配，實(shí)現(xiàn)對(duì)組群用戶(hù)和業(yè)務(wù)進(jìn)行管理、控制與計(jì)費(fèi)等。

2.2 擁塞控制需求

為了確保物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的正常使用，需要采用特定的擁塞控制機(jī)制對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施擁塞控制，應(yīng)對(duì)海量終端、數(shù)據(jù)沖擊以及外部事件或周期性業(yè)務(wù)應(yīng)用引發(fā)信令風(fēng)暴對(duì)網(wǎng)絡(luò)的沖擊，避免網(wǎng)絡(luò)設(shè)備過(guò)載或死機(jī)，保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全。

通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)終端和應(yīng)用流程進(jìn)行優(yōu)化，運(yùn)營(yíng)商能夠避免某些特定業(yè)務(wù)引起的網(wǎng)絡(luò)信令擁塞問(wèn)題，但由于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜多樣，網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制仍是運(yùn)營(yíng)商必須要解決的問(wèn)題，其關(guān)系到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行與否。

信令擁塞的影響節(jié)點(diǎn)包括運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)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(lái)的大規(guī)模附著請(qǐng)求主要沖擊SGSN/MME；大規(guī)模連接請(qǐng)求不僅沖擊SGSN/MME，還會(huì)沖擊GGSN/PGW；信令風(fēng)暴將耗費(fèi)大量無(wú)線(xiàn)側(cè)資源與鏈路資源。在部分場(chǎng)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(duì)性地控制信令擁塞，網(wǎng)絡(luò)需要支持對(duì)附著請(qǐng)求和連接請(qǐng)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(jī)制，即既能阻止引發(fā)擁塞的某特定物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)流，又不影響其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)及非物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸，且能夠準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)引發(fā)信令擁塞的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，能夠?qū)μ囟▍^(qū)域和鏈路上的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行控制。這要求網(wǎng)絡(luò)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(fù)載進(jìn)行管控，同時(shí)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(luò)負(fù)荷進(jìn)行管控，進(jìn)行部分或全部拒絕及注銷(xiāo)。

此外，網(wǎng)絡(luò)需要指示物聯(lián)網(wǎng)終端在過(guò)載場(chǎng)景下或被拒絕之后不能立即或同時(shí)重發(fā)，以防止海量終端同時(shí)發(fā)起重請(qǐng)求導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載二次加重問(wèn)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(guò)對(duì)SGSN/MME 及GGSN/SGW/PGW 等網(wǎng)元啟動(dòng)擁塞控制功能，針對(duì)區(qū)域性和全局性的擁塞控制設(shè)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(hù)組、基于A(yíng)PN 和基于終端優(yōu)先級(jí)的擁塞控制。

對(duì)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(wù)的組標(biāo)識(shí)，或在物聯(lián)網(wǎng)終端發(fā)出的連接請(qǐng)求和附著請(qǐng)求中攜帶新增的組標(biāo)識(shí)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，SGSN/MME或GGSN/PGW 識(shí)別引起擁塞的組或APN，并檢測(cè)某一發(fā)起請(qǐng)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(guò)負(fù)荷的某一APN 或組所有終端發(fā)起的附著和連接請(qǐng)求，并在拒絕消息中攜帶拒絕原因和等待時(shí)間。等待時(shí)間用于防止大量終端在被拒絕后立即發(fā)起重請(qǐng)求導(dǎo)致的并發(fā)擁塞，SGSN/MME 將該等待時(shí)間發(fā)給被拒絕的物聯(lián)網(wǎng)終端，由物聯(lián)網(wǎng)終端對(duì)該時(shí)間進(jìn)行隨機(jī)化。拒絕的原因包括SGSN/MME 擁塞、GGSN/PGW 過(guò)負(fù)載、APN 接入限制、請(qǐng)求PDN 連接的QoS 不滿(mǎn)足等，終端可根據(jù)該拒絕指示決定后續(xù)操作如何進(jìn)行。

圖1 基于組/APN的核心網(wǎng)擁塞控制機(jī)制

如圖2 所示，基于終端優(yōu)選級(jí)的擁塞控制方案主要用于：當(dāng)MME/SGSN 過(guò)載時(shí)，限制低優(yōu)先級(jí)物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流，同時(shí)，允許其他數(shù)據(jù)流（話(huà)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(jí)別，定義網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷所允許接入的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，則拒絕低優(yōu)先級(jí)終端的附著和連接請(qǐng)求，在SGSN/MME 上設(shè)置信令負(fù)載閾值；當(dāng)開(kāi)始過(guò)載時(shí)（負(fù)載超過(guò)預(yù)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(shí)長(zhǎng)，SGW 根據(jù)接收到的控制參數(shù)和控制時(shí)長(zhǎng)開(kāi)始對(duì)相應(yīng)低優(yōu)先級(jí)物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)生的下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行控制，以減少SGSN 或MME的負(fù)載；當(dāng)控制時(shí)長(zhǎng)到期或負(fù)載減輕時(shí)，SGSN/MME 發(fā)送消息通知，SGW 停止控制低優(yōu)先級(jí)物聯(lián)網(wǎng)終端業(yè)務(wù)流，恢復(fù)正常操作。

3.2 無(wú)線(xiàn)接入側(cè)擁塞控制方法

無(wú)線(xiàn)接入側(cè)擁塞控制的機(jī)制主要包括2 種機(jī)制：無(wú)線(xiàn)側(cè)拒絕接入請(qǐng)求和無(wú)線(xiàn)側(cè)廣播控制。

如圖3 所示，在無(wú)線(xiàn)接入側(cè)準(zhǔn)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(wú)線(xiàn)側(cè)到核心網(wǎng)側(cè)的資源消耗，而無(wú)線(xiàn)接入側(cè)無(wú)法識(shí)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(shí)，無(wú)線(xiàn)接入側(cè)eNode B/RNC/BSS 設(shè)備根據(jù)收到的物聯(lián)網(wǎng)終端接入優(yōu)先級(jí)指示進(jìn)行判斷，拒絕所有低優(yōu)先級(jí)物聯(lián)網(wǎng)終端接入，并在拒絕消息中攜帶等待時(shí)間。該方案通過(guò)拒絕低優(yōu)先級(jí)終端發(fā)出的第一個(gè)RRC 信息減輕負(fù)載。在大量連接請(qǐng)求并發(fā)的情況下，該方案的優(yōu)勢(shì)在于能夠在接入過(guò)程中盡可能早地拒絕請(qǐng)求，以避免資源被占用。

圖2 基于終端優(yōu)先級(jí)的核心網(wǎng)擁塞控制

圖3 無(wú)線(xiàn)側(cè)廣播控制機(jī)制

表1 物聯(lián)網(wǎng)主要擁塞控制方法比較

無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)側(cè)廣播擁塞控制的原因主要包括：

①無(wú)線(xiàn)接入設(shè)備內(nèi)部擁塞引起的報(bào)警；

②無(wú)線(xiàn)網(wǎng)管平臺(tái)側(cè)發(fā)起接入控制要求；

③無(wú)線(xiàn)側(cè)設(shè)備受到核心網(wǎng)設(shè)備發(fā)送的OVERLOAD START 消息。

以上3 種場(chǎng)景都會(huì)觸發(fā)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)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(hù)的接入網(wǎng)絡(luò)。

無(wú)線(xiàn)側(cè)廣播控制的級(jí)別主要包含3 類(lèi)：基于低優(yōu)先級(jí)接入指示標(biāo)識(shí)、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(lèi)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(hù)根據(jù)收到的廣播信息判斷其連接請(qǐng)求是否會(huì)被拒絕。如果屬于接入控制類(lèi)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(luò)或不接入網(wǎng)絡(luò)。

3.3 方案評(píng)估

核心網(wǎng)側(cè)和無(wú)線(xiàn)接入側(cè)的擁塞控制方案是目前實(shí)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(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景配合使用。擁塞控制方案的優(yōu)劣勢(shì)比較見(jiàn)表1 所列。

無(wú)線(xiàn)側(cè)廣播機(jī)制是禁止物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)信令的同時(shí)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(guò)載隱患，但該機(jī)制的顆粒度比較粗，因此，需要同時(shí)采用請(qǐng)求拒絕機(jī)制以實(shí)現(xiàn)更細(xì)顆粒度的控制。當(dāng)廣播接入控制關(guān)閉時(shí)，因大量物聯(lián)網(wǎng)終端同時(shí)并發(fā)接入導(dǎo)致?lián)砣虼?，在無(wú)線(xiàn)側(cè)同時(shí)采用拒絕機(jī)制和廣播機(jī)制能夠有效地實(shí)現(xiàn)更好的負(fù)載控制。

無(wú)線(xiàn)接入側(cè)控制機(jī)制不適合基于用戶(hù)組或APN的控制，而核心網(wǎng)側(cè)拒絕機(jī)制則能夠很好地實(shí)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(dòng)通信網(wǎng)已具備基本的拒絕接入請(qǐng)求功能及廣播擁塞控制功能，其應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)擁塞控制的改造較少。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)某特定物聯(lián)網(wǎng)組或APN的識(shí)別，需要對(duì)核心網(wǎng)側(cè)SGSN、GGSN 進(jìn)行改造，增加對(duì)物聯(lián)網(wǎng)終端、組或APN的識(shí)別功能并發(fā)送擁塞控制通告和相關(guān)信息給無(wú)線(xiàn)側(cè)；同時(shí)，需要HLR/HSS 設(shè)備，增加用戶(hù)組標(biāo)識(shí)的處理功能、用戶(hù)優(yōu)先級(jí)的存儲(chǔ)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(duì)無(wú)線(xiàn)側(cè)及終端發(fā)送消息或標(biāo)識(shí)進(jìn)行改造，增加物聯(lián)網(wǎng)組或APN的標(biāo)識(shí)或級(jí)別，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)側(cè)直接基于物聯(lián)網(wǎng)組或APN 進(jìn)行請(qǐng)求識(shí)別和拒絕處理，但該方案涉及無(wú)線(xiàn)側(cè)網(wǎng)元的改造，可能產(chǎn)生較大投資。

4 結(jié)束語(yǔ)

面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的海量連接數(shù)及數(shù)據(jù)應(yīng)用，運(yùn)營(yíng)商對(duì)完善的擁塞過(guò)載控制需求更為迫切。就目前而言，擁塞控制需要重點(diǎn)從接入網(wǎng)絡(luò)側(cè)和核心網(wǎng)絡(luò)側(cè)入手，聯(lián)合進(jìn)行擁塞控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)全部或引發(fā)擁塞的特定終端進(jìn)行信令和流量的控制。同時(shí)，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，需要運(yùn)營(yíng)商不斷評(píng)估物聯(lián)網(wǎng)對(duì)移動(dòng)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(duì)現(xiàn)網(wǎng)影響的同時(shí)，為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。未來(lái)更需要加入業(yè)務(wù)平臺(tái)層和終端側(cè)控制機(jī)制，從端到端進(jìn)行用戶(hù)和終端的聯(lián)動(dòng)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