近来,物物相连的互联网模式发展迅速,成为未来互联网流量的重要组成部分。物与物通信(Machine Type Communication,MTC)需要泛在覆盖的网络来承载,基于LTE/LTE-A承载MTC应用已被业内公认。信令控制是LTE/LTE-A网络核心技术和关键基础之一,传统的蜂窝网络信令体系是针对人与人之间的通信需求设计的。然而,海量的MTC终端及其独特的业务特性,不同于人与人之间通信的业务特性,给网络带来了巨大信令负载,是LTE/LTE-A承载MTC所面临的重大挑战。如何优化LTE/LTE-A的信令体系和关键技术,从而支撑日益增长的海量物联网终端,适应MTC丰富的业务类型和特有的流量特性,提升LTE/LET-A网络资源利用率,降低信令拥塞,提高MTC应用的服务质量和用户感知,成为LTE/LTE-A网络有效承载MTC业务的关键问题,相关领域的研究具有重要的理论意义及广阔的应用前景。本文选题来源于国家自然科学基金,深入分析了 MTC业务的特性和通信需求,研究了从信令优化的角度,解决LTE/LTE-A承载MTC业务所面临的拥塞管理、服务质量管理和移动性管理等三方面挑战,使得LTE/LTE-A移动蜂窝网络能够更好地支撑物与物、物与人之间的通信。针对面临的挑战,本文完成了以下三个方面具有创新性的研究成果:1、提出了基于信令优化的拥塞管理算法,分别从空口和业务两个角度优化信令,解决海量MTC设备接入带来的信令拥塞问题。在空口层面,创新性提出一种基于信令整形的拥塞避免机制,将并发的MTC终端空口接入请求平均分散到时间域的窗口内,同时结合周期性统计预测机制,并采用退避方法,提高了空口资源的利用效率,降低了空口信令拥塞概率的同时减少了 MTC设备能耗。在业务层面,提出了一种SIP信令群组化汇聚机制,将特定区域内的物联网终端形成群组,通过创新性的SDP属性字段扩展,高效汇聚了群组内单个MTC设备的信令消息,避免了 MTC设备信令频繁往复交互,降低业务层信令拥塞,通过杰克森定理(Jackson’s Theorem)和利特尔法则(Little’s Theorem),进行了系统的仿真建模。通过数学理论和实验数据分析表明,所提的两种方法均能有效减轻网络信令拥塞。2、提出了基于信令优化的多类型MTC业务QoS保障机制。首先分析了不同类型MTC业务对QoS的需求特性,并根据业务特性将业务分为确定型业务和随机型业务;然后利用数学归纳法,从理论上分析了大规模接入下不同类型业务的QoS需求门限,为QoS保障策略提供了理论依据;最后通过创新型的SDP协议扩展属性,实现了资源预留信令流程优化,解决了传统固定映射机制的低成功率问题。通过FIFO队列进行建模,实验仿真结果表明丢包率、时延指标得到有效提升和改进。3、提出了基于信令优化的MTC设备群组移动性管理方法。针对数量众多的车载MTC终端作为一个群组,频繁地进行整体性位置迁移和网络切换带来的移动性管理复杂问题,提出了创新的解决方案。首先提出了车载MTC场景下,基于网关的群组移动性信令管理框架,有效减少了群组移动管理时的信令交互次数,降低了对LTE/LTE-A蜂窝网络的信令负载;接下来,提出了一种基于KKT条件的群组切换判决算法,将MTC设备的群组切换问题建模为一个优化问题,利用海森矩阵证明该问题是一个凸优化问题,并利用KKT条件和拉格朗日乘子法进行了求解,同时提出了一种支持群组切换SIP信令流程,减少了群组切换带来的信令交互次数,降低切换过程中发生阻塞的概率和切换时延。