TWI580289B - Soft network congestion control method for mobile network - Google Patents

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行動網路軟式壅塞控制方法
本發明係關於一種行動網路壅塞控制方法，特別是關於一種可以根據終端裝置所屬類別與信息重要性，彈性決定是否允許在壅塞時刻進行網路接取的方法。
目前，現有4G系統長期演進技術(Long Term Evolution,LTE)的隨機存取機制(RACH procedure)，可細分為四個信令交換的步驟，請見圖1。其中UE(user equipment)為使用者裝置的縮寫，泛指所有可能的終端裝置，例如手機、平板與機器對機器的裝置(machine-to-machine device或MTC“machine type communications”device)…等。而eNB則是長期演進系統中基地台的英文名稱。
如圖1所示，現有LTE的隨機存取機制步驟如下說明：第一步驟為隨機存取的前導信令(RACH preamble)，當手機或裝置想要連線到網路時，發送此信令到基地台；在同一個基地台裡面，前導信令只有64個選擇，當一個基地台範圍內有許多裝置時，有可能發生數個裝置選擇到同一個前導信令。第二步驟為第二訊息(Msg2)，當基地台偵測到有某個前導信令被傳送時，基地台會廣播出第二訊息給那個(些)傳送了被偵測到的前導信令的手機或裝置，請它們使用第二訊息中所分配的上傳資源來上 傳接下來的第三訊息(Msg3)；而使用同樣前導信令的裝置將得到相同的訊息。第三步驟為第三訊息(Msg3)，裝置在接收到正確的第二訊息後，傳送第三訊息給基地台，附上自己的暫時身分(identifier)來進行連線請求；在第四步驟，基地台回覆第四訊息給傳了第三訊息的手機或裝置，來確認連線是否成功。若有數個裝置使用相同的前導信令，基地台將僅回覆能成功判斷TC-RNTI的裝置其成功訊息，否則使用者裝置競爭失敗。經過上述四個步驟，若使用者裝置可以連線成功，便會由閒置(idle)狀態轉變為連線(connected)狀態。
如上所述，過去LTE的隨機存取機制沒有對任何裝置發出的要求訊息做管控，裝置只要認定現在有傳輸任務，無論其性質重要與否，都會發出前導信令提出連線需求，經過所有步驟始可得知競爭結果。這樣的機制可能造成網路壅塞，許多裝置一直卡在隨機存取階段，並且互相碰撞而無法成功連線的狀況。
有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種行動網路壅塞控制方法，以改善在網路壅塞時，許多裝置一直卡在隨機存取階段，並且互相碰撞而無法成功連線的狀況。
本發明之行動網路壅塞控制方法包含下列步驟：當壅塞發生時，基地台啟動此壅塞控制機制；基地台藉由廣播通道廣播隨機存取資訊，其中資訊包含基地台回復第二訊息之第一機率(P1)、基地台對各類別裝置回復第四訊息之第二機率之集合(P2)、以及各類別裝置參與「隨機存取需求估 計機制」之規範；其中P2為所有類別裝置之第二機率之集合，即P2={P2,1,P2,2,...P2,j,...P2,N}。第j類別裝置依前述機率(P1、P2,j)自行決定是否在此壅塞狀況仍需要進行連線，若是則依規範參與基地台第j類別裝置之「隨機存取需求估計機制」；基地台根據「隨機存取需求估計機制」對第j類別裝置隨機存取需求數量進行估計，並制定第j類別裝置的隨機存取規範；裝置依該隨機存取規範進行隨機接取；裝置隨機接取成功接收第二訊息後，在第三訊息內將所屬類別與連線原因一同傳送給基地台；基地台以第三訊息內容最終判斷是否允許該裝置成功連結。
承上所述，依本發明之行動網路壅塞控制方法，其可具有一或多個下述優點：
1.因為基地台使用了連線需求量估計法來決定隨機存取規則，故無論連線需求量的多寡與變動速度為何，基地台都可以藉由隨機存取規則的調整，來有效舒緩隨機存取前導信令的傳輸發生壅塞。
2.在傳統的硬式阻擋的機制下，只要裝置擲出不允許發出隨機存取需求的機率或裝置被歸屬於延遲連線的類別裡，無論其信息重要性，都無法即時進行隨機存取需求。在本發明中，平時被歸類於非緊急類別之裝置(如下述實施例中的溫濕度監測器)在發生異常狀況需要發送重要訊息時也可以順利進行連線。
3.即使不使用硬式阻擋，也可以讓低優先度裝置主動延後連線，如下述實施例中的電表數據回報。
P1‧‧‧第一機率
P2,j‧‧‧第j類別裝置之第二機率
j‧‧‧裝置類別號
RACH preamble‧‧‧第一訊息
Msg2‧‧‧第二訊息
Msg3‧‧‧第三訊息
Msg4‧‧‧第四訊息
UE‧‧‧終端裝置
eNB‧‧‧基地台
圖1係為現有LTE的隨機存取機制示意圖。
圖2係為本發明之行動網路壅塞控制方法的基地台於第二訊息拒絕連線示意圖。
圖3係為本發明之行動網路壅塞控制方法之基地台於第四訊息拒絕連線示意圖。
圖4係為本發明之行動網路壅塞控制方法允許連線示意圖。
圖5係為本發明之行動網路壅塞控制方法之使用者裝置狀態流程圖。
圖6係為本發明之行動網路壅塞控制方法之基地台狀態流程圖。
本發明提供二階段軟性的行動網路的壅塞控制方法，除了控制負載的情形，更能彈性地調整網路，詳細步驟如下述。
基地台啟動本壅塞控制方法，利用廣播方式在系統資訊區塊中置入相關的隨機存取資訊，其資訊包括以下內容：在基地台成功偵測到使用者裝置傳送的隨機存取前導信令的情況下，基地台回覆第二訊息(Msg2)以允許進行以下連線步驟的機率(P1)；在基地台成功解碼第j類別裝置的使用者裝置傳送的第三訊息(Msg3)的情況下，基地台回覆第四訊息(Msg4)給使用者裝置以確認無線連線建立 的機率(P2,j)；廣播各類別裝置參與「隨機存取需求估計機制」之規範；以及當連線被拒絕時，使用者裝置所要採取的行動。
在基地台廣播隨機存取的接受機率(如上述之P1與P2,j)後，若有裝置仍希望能立即提出隨機存取的需求，將被要求參與「隨機存取需求估計機制」，基地台估計隨機存取需求量，並制定一隨機接取規則。為此基地台將執行：估計隨機存取需求量；決定並廣播各類別裝置所對應的隨機存取規則，例如：隨機存取的倒退計時器(backoff timer)大小；以及可用的隨機存取資源；而裝置在連線前，檢查系統資訊區塊，看基地台是否啟動本壅塞控制機制。若未啟動本機制，則進行正常的隨機存取程序；若已啟動本機制，則依照基地台所許可的隨機存取許可機率自主性判斷是否要連線。如果決定不連線，則依照基地台廣播的計時器的值進行倒數，直到計時器逾時再重新從步驟段落【0010】開始執行；如果決定進行連線，則進行步驟段落【0013】。
裝置等待並參與基地台的估計程序，直到獲得基地台在估計完畢之後廣播的隨機存取規範，並依此啟動隨機存取機制。在裝置傳完隨機存取前導信令後啟動隨機存取回應視窗(RA Response window)，等待基地台回應第二訊息：若基地台沒有在隨機存取回應視窗結束之前回應第二訊息，則隨機的等待一段時間之後，重傳隨機存取前導信令； 如果收到拒絕的第二訊息(如圖2所示)，則依照基地台廣播的計時器的值進行倒數，直到計時器逾時再重新從步驟段落【0010】開始執行；以及如果收到許可的第二訊息，則在準備第三訊息的時候將裝置所屬的子類別，以及(或)連線的理由加入第三訊息，並將第三訊息傳送給基地台，同時啟動第四訊息的計時器。
裝置送出第三訊息後，等待基地台的收到通知(acknowledgement)：若裝置沒有得到基地台的收到通知(acknowledgement)，裝置則依照混合式自動重傳機制(HARQ)重新發送，直到基地台回應收到通知或超過可重傳最大次數；如果超過可重傳最大次數，則依照基地台廣播的計時器的值進行倒數，直到計時器逾時再重新從步驟段落【0010】開始執行；以及當裝置收到基地台的第三訊息的收到通知(acknowledgement)後，則開始等待第四訊息。
收到裝置送出的第三訊息後，基地台檢查該訊息的子類別，以及其攜帶的輔助訊息，根據所對應的分類與訊息等級決定是否允許該裝置連線。
裝置開啟等待第四訊息計時器，並等待基地台回應：如果裝置在第四訊息的計時器逾時前，都沒有收到第四訊息；或是在計時器逾時前，收到拒絕的第四訊息(如圖3所示)，則依照基地台廣播的計時器的值進行倒數，直到計時器逾時再重新從步驟段落【0010】開始執行；以及如果在計時器逾時前，收到許可的第四訊息(如圖4所示)，則成功完 成隨機存取程序，結束本方法的所有步驟。
本發明為改善現有隨機存取程序的信令交換，使得對隨機存取通道的軟式阻擋可以在壅塞的情況下實行。本發明之特徵與架構可以總結為以下幾點：
1.當網路壅塞時，基地台啟動本方法，至於何時判定為網路壅塞，包括但不限於當基地台觀察到隨機存取通道的前導信令(簡稱隨機存取前導信令，RACH preamble)的碰撞機率過高，或者是核心網路通知基地台進行壅塞控制。
2.基地台啟動本方法後，在系統資訊區塊(system information block)中，置入相關的隨機存取資訊。在基地台廣播步驟段落【0010】所提到的隨機存取資訊後，裝置可自主性的決定要不要進行網路接取。
3.每個裝置必須在參與過隨機存取需求估計機制，並得到倒退計時器之後，才可以依規定傳隨機存取信令。而且為避免壅塞，必須從第一個隨機存取信令的傳輸就採用該計時器來進行傳輸，而不是在重傳時才採用。
4.當基地台發現估計出來的隨機存取需求的數目太少或太多時，可以在廣播倒退計時器時廣播新的接受機率(如步驟段落【0010】所述之P1、P2,j)來增加或減少想要立刻進行連線的數目，並重複步驟段落【0010】以估計新的想連線裝置的數目並設定隨機存取規則。
5.基地台可以決定是否對隨機存取前導信令或第三訊息回復拒絕的信令。拒絕隨機存取前導信令的訊息(message)，可以整合在現有的第二訊息(Msg2)中，而拒絕第三訊息的拒絕訊息，可以整合在現有的第四訊息(Msg4)中。
6.使用者裝置狀態流程圖如圖5所示。基地台先廣播在基地台收到隨機存取前導信令後，會傳回允許的第二訊息的機率(P1)，以及各類別裝置在基地台成功收到第三訊息後，會回覆允許的第四訊息機率(P2,j)。每個裝置在連線前，先接收基地台廣播的機率，再根據自身連線的原因決定要不要在此時進行隨機存取程序來要求連線，如果不要，則延遲一段時間之後再進行連線(例如可以使用計時器，等到計時器過期再隨機的選時間來進行連線請求)；反之，使用者裝置則參與eNB指定的估計機制，在得到存取規則後，依規定傳輸隨機存取前導信令來發起隨機存取程序。如果收到基地台允許的第二訊息，則在第三步驟上傳自己的相關資訊，例如連線的理由或所屬的類別，以供基地台決定是否要允許它的連線請求；如果基地台在第二訊息中包含了拒絕的訊息，則進入延遲連線的步驟。最後，如果裝置收到了第四步驟的允許訊息，則完成的隨機存取程序，基地台將不再對連線進行阻擋；反之，如果收到了第四步驟的拒絕訊息，裝置進入延遲連線的程序。
7.基地台狀態流程圖如圖6所示。當基地台啟動了本方法後，先廣播對於隨機存取前導信令與第三訊息的允許機率，以及欲參與估計機制之規範。在執行估計機制後，廣播其隨機存取規則。然後在接收到隨機存取前導信令時，隨機的產生一個介於0到1之間的均勻隨機變數，如果此機率值小於所廣播的允許機率，則允許其請求，反之則拒絕請求，並發送第二訊息來通知傳輸該隨機存取前導信令的裝置有關其連線請求的允許或拒絕的結果；相似地，當基地台收到來自於裝置的第三訊息，基地台首先檢查該訊息的類別，以及其攜帶的輔助訊息(如果有的話)，並發送一個第四訊息來 通知該裝置其連線請求被允許或是拒絕。
[實施例]
以下以LTE通訊系統為背景、M2M的應用為例，說明本發明的特別之處：考慮在網路壅塞的時刻，基地台啟動本機制，而我們考慮以下三種機器對機器通訊的服務型態：電表數據回報(智慧量測)、心搏血壓感測器(智慧家庭)以及溫溼度監測器(農業)。
此三種機器對機器通訊的裝置，連線步驟如下：
1.三種裝置在連線前，都分別接收基地台廣播的訊息，包括基地台在第二訊息與第四訊息拒絕各類別連線的機率，以及若被拒絕連線時各連線類別所對應的倒數計時器大小。
2.在基地台廣播連線需求估計的相關資訊後，三種裝置分別參與不同類別連線的需求估計程序；其中，電表由於並非緊急連線，所上傳的資料也沒有即時性的需求，因此在考量非緊急連線在第二訊息與第四訊息被拒絕連線的機率之後，不進行隨機存取程序而直接延後連線；心搏血壓感測器由於有即時的服務要求，仍然決定連線，並參與緊急連線的裝置數目估計；以及溫濕度監測器由於也是即時測量，仍然決定連線，但依照偵測到的數據異常與否，分別參與緊急與不緊急的連線裝置數目估計。
3.裝置在參與連線需求估計後，根據自己所屬的類別，採用基地台廣播的該類別的隨機存取規則，例如每次傳輸隨機存取前導信令所需採用的倒退視窗大小(backoff window size)。
4.這兩種裝置若收到拒絕的第二訊息(圖2)，採取行動如下：心搏血壓感測器在收到拒絕訊息之後，因為訊息緊急，根據基地台廣播的緊急連線計時器進行倒數之後重新參與緊急連線需求量的估計，回到步驟1.重新開始；未監測到異常訊息的溫溼度監測器採用基地台廣播的非緊急連線計時器延後連線，計時器逾時之後回到步驟1.；以及監測到異常訊息的溫溼度監測器(例如溫度過高可能造成農損)，則採取基地台廣播的緊急連線計時器，計時器逾時後回到步驟1.。
5.這兩種裝置收到同意的第二訊息後，心搏血壓感測器在第三訊息標示此連線為緊急連線，因而得到基地台在第四訊息的核可而完成連線(圖4)；未監測到異常訊息的溫溼度監測器在第三訊息中，未包含任何緊急或輔助的連線資訊，因此依照機器對機器通訊本身的低連線優先度遭到基地台在第四訊息駁回連線請求(圖3)；以及監測到異常訊息的溫溼度監測器，在第三訊息中附上緊急異常情況的標示，因而得到許可的第四訊息而完成連線(圖4)。
綜上所述，本發明行動網路壅塞控制方法之特點在於進行網路接取的控制時，是軟式而有彈性的，也就是說，本發明所提出的方法，並不是在網路壅塞時，直接調降低優先度裝置的網路接取服務品質。本發明的特點為：通訊裝置可以根據自己所屬類別所擁有的成功接取機率，自主決定要不要在目前的壅塞時刻進行網路接取，基地台不強制限制裝置的網路接取行為，但仍握有接取規則的主導權。這樣的功效是其對於壅塞的 控制更有彈性：其一，裝置可根據自身的情況決定是否在壅塞時刻進行連線請求，同時基地台保有同意或拒絕連線請求的權利；其二，低優先度的通訊裝置，仍有機會在網路略為壅塞的情況下，傳送較為緊急或較有價值的資訊，而同時基地台仍能有效控制隨機存取通道的壅塞情況；其三，本發明對欲進行隨機存取程序的裝置進行估計並採取適當的隨機存取規則設定，基地台仍握有接取規則的主導權，裝置自主的決定要不要進行接取不會造成壅塞情況惡化。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
P1‧‧‧第一機率
P2,j‧‧‧第j類別裝置之第二機率
j‧‧‧裝置類別號

Claims (9)

  1. 一種行動網路軟式壅塞控制方法，包含：以一基地台廣播網路存取資訊，其中資訊包含基地台回復第二訊息之第一機率(P1)、該基地台對各類別裝置回復第四訊息之第二機率之集合(P2)、以及各類別裝置參與隨機存取需求估計機制之規範；該基地台要求欲傳隨機存取前導信令的裝置參與隨機存取需求估計機制，該基地台以估計出來的隨機存取需求量決定並廣播其隨機存取規則；裝置依隨機存取規則發起隨機存取需求，該基地台允許/拒絕隨機存取的內容可以整合或附加在現有的第二訊息的框架之中；裝置若收到允許的第二訊息，則在第三訊息中加入所屬子類別、以及連線原因一同傳送給該基地台；以及該基地台決終決定是否允許連線，並發送第四訊息。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之行動網路軟式壅塞控制方法，其中該第一訊息係為該終端裝置所發送之一隨機存取前導信令(RACH preamble)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之行動網路軟式壅塞控制方法，其中該隨機存取需求估計機制係決定一類別隨機存取需求量之演算方式。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之行動網路軟式壅塞控制方法，其中隨機存取規則可能包括隨機存取的倒退計時器(backoff timer)大小、以及可用的隨機存取資源。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之行動網路軟式壅塞控制方法，其中該第三訊息包含該終端裝置所屬的該子類別及一連線理由。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之行動網路軟式壅塞控制方法，其中該基地 台於收到該第三訊息後，更包括下列步驟：檢查該子類別以及對應該子類別的一輔助訊息；以及根據該子類別所對應的一分類與該輔助訊息的一訊息等級決定是否發送允許該終端裝置連線之第四訊息。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之行動網路軟式壅塞控制方法，其中該終端裝置根據該隨機存取倒退計時器所定義的時間從發送該第一訊息後開始倒數隨機存取回應視窗，若在該隨機存取回應視窗所定義的時間內並未收到該第二訊息，則等待一段時間後重新發送該第一訊息。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之行動網路軟式壅塞控制方法，其中該終端裝置根據該隨機存取倒退計時器所定義的時間從發送該第一訊息後開始倒數隨機存取回應視窗，若在該隨機存取倒退計時器所定義的時間內收到該第二訊息且該第二訊息為拒絕該終端裝置連線，則再等待該隨機存取倒退計時器所定義的時間後重新發送該第一訊息。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之行動網路軟式壅塞控制方法，其中該終端裝置於發送該第三訊息後，判斷是否收到由該基地台發送之一收到通知(acknowledgement)，若無則依照混合式自動重傳機制(HARQ)重新發送該第三訊息。
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