趙 彥，王 菲

（西安交通工程學(xué)院，陜西 西安 710300）

1 eMTC系統(tǒng)基本技術(shù)概述

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

eMTC是基于LTE演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在R12中叫Low-Cost MTC，在R13中被稱為LTE enhanced MTC，旨在基于現(xiàn)有的LTE載波滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需求。LTE不斷演進(jìn)過程中，eMTC系統(tǒng)在控制成本的同時得以進(jìn)一步優(yōu)化，不僅增強了續(xù)航能力，還擴大了覆蓋范圍。此外，eMTC系統(tǒng)可采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行部署。eMTC終端可以直接接入已部署的LTE網(wǎng)絡(luò)中，與WB-EUTRAN用戶共站址，以支持智慧城市、環(huán)境監(jiān)控、移動健康、遠(yuǎn)程跟蹤、工業(yè)自動化以及安全智能化等多種垂直領(lǐng)域和細(xì)分市場。eMTC的商用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人與人之間的通信需求，是實現(xiàn)運營商大連接目標(biāo)的重要戰(zhàn)略方向。

如果說LTE技術(shù)帶給人們從3G飛躍到4G不斷升級的用戶體驗，那么5G技術(shù)將帶領(lǐng)我們進(jìn)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(lián)互通的時空大門。首先，eMTC系統(tǒng)具有不容小視的性能指標(biāo)，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(dāng)前一些主流物聯(lián)技術(shù)中脫穎而出。其次，eMTC支持連接態(tài)的移動性，物聯(lián)用戶可以無縫切換，保障用戶體驗。最后，eMTC可以基于現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)直接升級部署，大大降低了成本。同時，快速部署的優(yōu)勢可以助力運營商加速搶占物聯(lián)市場先機，拓展商業(yè)邊界，也可助力第三方垂直行業(yè)釋放更多的行業(yè)需求[1]。

2 eMTC系統(tǒng)隨機接入過程

eMTC技術(shù)是Rel13MTC的增強，WI主要包含三部分目標(biāo)：低復(fù)雜度UE、覆蓋增強和節(jié)能。3GPPTS22.368根據(jù)MTC在移動性、業(yè)務(wù)量特征等方面的不同，定義了低移動性、時延容忍度、優(yōu)先告警、低功耗和小數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等14種優(yōu)勢特征，應(yīng)用的典型場景有智能交通、智能電網(wǎng)、智慧社區(qū)以及智能環(huán)保等諸多領(lǐng)域。

此外，基于eMTC的應(yīng)用場景，此類智能電子器件在某一小區(qū)的數(shù)量巨大，甚至達(dá)到海量連接。因此，eMTC系統(tǒng)需要具有支持短時間突發(fā)海量用戶的小數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)特點。當(dāng)eMTC終端從關(guān)閉狀態(tài)恢復(fù)到開啟狀態(tài)，或者從一個基站切換到另一個基站，或當(dāng)丟失上行定時同步信息時，都會首先發(fā)起隨機接入。它的作用是完成eMTC終端和網(wǎng)絡(luò)側(cè)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(xiàn)對eMTC終端調(diào)度進(jìn)行一系列上行資源的傳輸業(yè)務(wù)。理論上講，無線通信系統(tǒng)基站側(cè)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(fù)用（Resource Overlap，RO）。但是，無論基站側(cè)的實現(xiàn)是否采用PRACH資源復(fù)用，海量eMTC終端在有限PRACH的資源發(fā)起隨機接入時都有可能發(fā)生擁塞現(xiàn)象，即：（1）如果eMTC劃分專用PRACH資源，一旦eMTC獨享的PRACH資源發(fā)生擁塞，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)服務(wù)對發(fā)起隨機接入的eMTC終端不可用，勢必大大降低服務(wù)質(zhì)量；（2）如果eMTC采用與legacy LTE共享PRACH資源，那么eMTC終端連接發(fā)起隨機接入時的“信令風(fēng)暴”很有可能導(dǎo)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(yè)務(wù)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(fā)起隨機接入過程。因此，無法避免由此引發(fā)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(dǎo)致隨機接入信道發(fā)生擁塞，引起嚴(yán)重的訪問碰撞和時延問題，甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，大大降低網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，影響用戶體驗。因此，研究eTMC系統(tǒng)中有效的擁塞控制策略，對于整個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量顯得尤為重要。

3 eTMC系統(tǒng)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(wù)質(zhì)量，提出了一種基于時間離散的擁塞控制策略，以實現(xiàn)對隨機接入過程的優(yōu)化，減少eMTC終端所在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞的概率，提高終端接入網(wǎng)絡(luò)的成功率，降低eMTC能耗，同時減少由于eMTC終端發(fā)起海量連接而影響WB-EUTRAN用戶的正常接入情況，達(dá)到提升服務(wù)質(zhì)量的需求。

第一步：在eMTC終端內(nèi)設(shè)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(jù)eMTC終端所屬類別即不同類別終端承載的業(yè)務(wù)可能會對接入時延有不同要求進(jìn)行軟件配置。

第二步：eMTC終端每次自主發(fā)起隨機接入或者當(dāng)從IDLE態(tài)接收Paging（尋呼）消息時，首先在該Timer的最大時長T范圍內(nèi)（即0～T內(nèi)），采用均勻分布函數(shù)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(tài)。

第四步：eMTC終端需要在Timer啟動開始計時并延遲Δt時長后，發(fā)起隨機接入?？梢允沟眯枰l(fā)起隨機接入的eMTC終端在同一時刻向PRACH信道發(fā)起RRC信令，在時間上呈離散化，且采用均勻分布函數(shù)來隨機生成時間種子。因此，在0～T內(nèi)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(fā)起隨機接入的機會。

第五步：當(dāng)eMTC終端執(zhí)行發(fā)起隨機接入后，Timer清零，返回非激活態(tài)。

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(fā)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(fā)起請求，則重新在0～T內(nèi)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(yīng)的物理資源上采用功率攀升再次發(fā)起隨機接入；

（2）若不需要即可再次發(fā)起請求，即eMTC終端接收到基站回復(fù)的RAR（Random Access Reponse）信息中的BI（Backoff Indicator）指示，則表示終端發(fā)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(fā)隨機接入，在0～T內(nèi)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(yīng)的物理資源上采用功率攀升再次發(fā)起隨機接入。

4 結(jié) 論

物聯(lián)網(wǎng)場景將是一個多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)長期共存的態(tài)勢，而作為5G技術(shù)重要分支場景的eMTC系統(tǒng)，具有小數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)包、低功耗、海量連接等特點。這類終端分布范圍廣、數(shù)量多，不僅要求網(wǎng)絡(luò)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(nèi)置定時器完成時間離散的作用，實現(xiàn)擁塞控制的策略。所述方法對獨立劃分PRACH資源的eMTC系統(tǒng)來說，可減少對海量eMTC終端同時發(fā)起RRC信令導(dǎo)致“信令風(fēng)暴”的概率，同時有效降低網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)來說，可降低由于eMTC終端連接引發(fā)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(tǒng)的擁塞控制策略具有實現(xiàn)復(fù)雜度低、可行性較強的顯著特點，大大增強了eMTC系統(tǒng)終端隨機接入的成功率，降低了由此引發(fā)的“信令風(fēng)暴”等一系列相關(guān)問題。