深入NB-IoT VIII——NB-IoT拥塞控制特性

在NB-IoT网络下,M2M终端数量众多,根据45820协议的描述,每个小区下的终端数量会超过50000个,如果众多终端若集中上报,将对系统造成较大冲击。

拥塞控制手段包括:

eNB过载时触发的RRC接入和Paging流控;

eNB持续过载时触发的RACH流控、EAB接入控制和SCTP反压流控;

MME过载时触发的Overload和Back-off timer控制;

在UE、eNB和MME之间,阻塞控制主要从Uu口和S1-C两个接口上来控制。

一、拥塞控制特性 1:eNB过载

当eNodeB过载时,eNodeB会根据主控板或基带板的CPU占用率直接拒绝或丢弃部分初始接入消息或连接恢复消息。当eNodeB负载持续过高时,需要减少对端设备访问eNodeB的消息量,从而降低系统负载。通过降低SCTP缓存门限,减少MME向eNodeB发送的信令数量,从而降低MME对eNodeB的下行负载。通过小区Access Barring降低UE接入频率,从而降低UE对eNodeB的上行负载。

eNB拥塞控制的手段主要有RRC接入控制和RACH接入流控。

  • RRC接入控制:为了保障高优先级的业务体验,控制面流量控制同事考虑了不同接入原因的优先级差异化处理。控制面保障业务的优先级从高到低的顺序为:

mo-Exception-Data > Paging > mt-Access > mo-Signalling > mo-Data

如上所示,最优先保证例外数据,如设备告警、设备异常之类的重要数据。

  • RACH控制:为了避免同一时刻大量的随机接入消息会使系统负载变高,导致系统复位。eNodeB会控制同一时刻随机接入的数量来实现随机接入流控控制,即eNodeB根据NPRACH信道拥塞情况给不同UE发送不同的Backoff时间指示。UE根据Backoff时间指示随机选择一个时间进入接入重试,减少碰撞的机会。RACH流控没法区分业务类型,不能保障例外报告和高优先级用户的接入。自适应调整可处理Preamble数量。

二、拥塞控制特性 2:EAB接入控制

为了避免大量UE接入对现有系统和用户造成冲击,eNobeB会对UE进行接入禁止控制。当小区拥塞或eNodeB所连接的MME全部都过载时,eNodeB通过SIB14消息中的AB(Access Barring)信元向UE广播接入类控制参数。eNodeB会周期性的下发SIB14。UE根据收到的接入类参数判断是否在当前小区发起接入。

在 20 秒内,小区处于拥塞的时间占比超过 90% 时,或 eNodeB 连接的所有 MME 都下发过载消息,则 eNodeB 下发 SIB14 消息给 UE。根据 SIB 消息中的比特位信息,决定 AC0 禁止接入。禁止接入时间为 20 秒。如果持续 2 个周期满足取消条件(20 秒内小区处于拥塞的时间占比小于 70%),则 eNodeB 不再下发 SIB14 消息,不再对 UE 进行接入控制。

拥塞控制特性 3:MME过载控制

MME过载控制分为OVERLOAD和Back-off timer。

  • OVERLOAD

当MME发生过载时,通过OVERLOAD START 消息通知eNB启动流控,按照RRC接入原因限制UE接入数量;当MME过载消除后,通过OVERLOAD STOP消息通知eNB停止流控。MME OVERLOAD 过载控制的目的是缓解大量 UE 接入而引起 MME 过载。

当 MME发生过载时,通过 OVERLOAD START 消息通知 eNodeB 启动流量控制,按照 RRC接入原因限制 UE接入的数量。当 MME 过载消除后,通过 OVERLOAD STOP 消息通知 eNodeB 停止流量控制。

CP 优化传输方式时,当 MME 下发 OVERLOAD START 携带的原因值为「not accept mo-data or delay tolerant access from CP CIoT」时,eNodeB 拒绝「mo-Data」和「 delayTolerantAccess」原因值的RRC 用户接入。

  • Back-off timer

基于延迟定时器的信令拥塞控制功能分为两部分:MME 基于 UE Back-off timer 的信令拥塞控制;MME 基于 P-GW Back-off timer 的 APN 级流控。

控制机制 1:MME 基于 UE Back-off timer 的信令拥塞控制。当 M2M 终端接入量达到系统即时算出的阈值时,启动控制机制 1 的拥塞控制功能,减缓 M2M 终端接入速度,预防系统进入拥塞状态。

控制机制 2:MME 支持基于 P-GW Back-off timer 的 APN 级流控。当 P-GW 或周边网元过载,会限制 M2M 终端 APN 粒度的业务接入,此时启动控制机制 2 的拥塞控制功能,缓解网络拥塞,保证普通终端业务的成功率。

使用控制机制 2 的流控时需要 UE Back-off timer 来通知 M2M 终端延迟接入。需要支持接收 UE back-off time 信元。

三、总结

NB-IoT拥塞控制:

1、eNB 过载控制:RRC 流控、RACH 流控

2、EAB 接入控制

3、MME 过载指示 OVERLOAD 、 MME 过载 Back-off timer

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