物聯網時代的小數據傳輸方案研究和對運營商網絡的影響評估

許 陽，符 剛

（中國聯通網絡技術研究院 北京100048）

1 背景

物聯網給人們日常生活帶來很大便利的同時，也對運營商的網絡產生了巨大的沖擊和挑戰。數量相當可觀的物聯網終端將會周期性地發送小數據分組以傳遞更新的消息，小數據分組的容量雖然不大，但是為了發送小數據分組的正常流程需要產生的信令消息數量驚人，其控制面信令消息的開銷遠大于數據面傳送小數據分組的開銷。因此，尋找一種能夠有效傳遞小數據分組并且將運營商網絡沖擊最小化的方案是十分必要的。目前，國際標準化組織第三代合作伙伴（3GPP）在無線與核心網2個工作組中均投入了大量的精力來研究物聯網小數據分組傳遞的有效解決方案，以下將基于此研究結果對控制面和用戶面的小數據分組傳遞方案進行介紹，并對比不同方案的優劣點，最后，結合運營商已有網元的部署，評估小數據分組傳遞方案對現有網元的影響。同時，智能手機上各應用為了保持“永久在線”而產生的心跳消息也可以看作是一種小數據，本文介紹的小數據分組傳遞方案也可以用于應對智能手機OTT 業務給網絡帶來信令風暴的威脅。M2M 通信下的小數據可能造成的對網絡的沖擊是運營商必須面對的問題。

2 支持M2M 通信的移動網絡架構

承載M2M 通信的移動網絡架構如圖1 所示，該承載網絡包括GPRS、EPC（演進的分組核心網）、短消息以及IMS（IP 多媒體系統）網絡。

為了實現機器類通信（machine type communication，MTC） 功能，網絡中新增了MTC-IWF（MTC-interworking function，機器類通信—互通功能）網元，用來隱藏PLMN（公共陸地移動網絡）網絡拓撲結構的功能，如圖1 所示，所有應用的小數據傳輸都只需要與MTC-IWF 進行交互，而不需要考慮核心網拓撲結構的影響。圖中的MTC Server 是一個可選網元，它定義在非3GPP的范圍，同時又是運營商控制內的設備，該設備可以建立一系列的開放能力供應用服務器調用，而不需要為每一個應用都建立單獨的能力。MTC Server 和MTC-IWF 之 間 由MTCsp 接 口 連接，在使用MTCsp 接口觸發PLMN 特定功能實體時，MTC-IWF 又具有信令中繼或者信令轉換的功能。MTC-IWF 是一個邏輯功能，實際部署時可以單獨設置網絡實體，也可以將該功能集成在其他網絡實體中。一個PLMN 中可以部署多個MTC-IWF。此外，原有網絡中的部分實體也需要進行增強來支持MTC 功能。涉及的網絡實體包括HSS/HLR、GGSN/P-GW、MSC/SGSN/MME 等。

圖1 支持M2M 通信的移動網絡架構

根據應用服務器接入方式的不同，可以將網絡的通信模式分為直接通信模式和間接通信模式。直接通信模式是指MTC 應用服務器直接與網絡實體（如GGSN/S-GW+P-GW）進行連接，從而實現與物聯網終端的通信；間接通信模式是指應用服務器通過API 與MTC 服務器相連，通過MTC 服務器與移動承載網絡進行通信。此外，也可以同時使用直接通信模式和間接通信模式來進行物聯網數據的傳輸。

3 在保持IDLE 態的情況下M2M 終端傳遞小數據分組的解決方案

根據3GPP 組織的規定，LTE/EPC 架構下的UE在附著狀態下分為IDLE 狀態和Connected 狀態。IDLE 狀態時，空口的RRC 連接處于釋放狀態，UE 連接的相關信息僅核心網側保留，無線側的資源則處于釋放狀態，此時UE 不能夠通過用戶面傳輸數據，只有發起Service Request 流程轉變到Connected 狀態后，UE 才能夠通過用戶面傳輸數據。

M2M 終端在IDLE 狀態時，經常只傳遞幾個小數據分組，卻需要觸發完整的Service Request 流程，造成信令負荷的加重以及網絡資源的浪費。在IDLE 態下UE 有效地傳輸小數據的前提下，盡量少地產生信令數量，甚至在不進入連接態的情況下就可以發送小數據，是物聯網通信需要解決的重要問題。目前，該問題的解決方案主要分2 類：信令面方案和用戶面方案。

信令面方案是讓IDLE 態下的UE 通過信令面直接將小數據發送至網絡側，而不需要發起完整的Service Request 流程進入Connected 狀態，該方案有效地節省了建立用戶面連接需要的信令開銷，并且實現的關鍵功能大多已經可以被網元支持；另一類小數據傳輸方案是用戶面方案，該方案在最初UE 附著的過程中為小數據傳輸指定了專有連接，此后每當IDLE 態的UE 希望傳送小數據時，不需要信令面的參與就可以直接將數據通過專有連接進行傳輸，節省了信令面的開銷。下面對2 類方案進行詳細介紹。

3.1 控制面方案

通過NAS 信令對攜帶的小數據進行傳輸，避免完整的Service Request 過程，減少信令開支。正常的Service Request 流程都需要在最初進行NAS 消息交互，用于鑒權、能力協商等目的。控制面方案充分利用了IDLE 態下所有UE 進入連接態時都需要首先與MME 進行NAS 消息交換，以進行進入連接態的授權、安全參數獲取、無線承載信息等，可以避免建立用戶面的工作，這樣一來，在很大程度上就節省了傳遞小數據需要的信令數量。由于需要傳遞小數據，NAS消息的長度會增加。如果希望更好地削減信令開銷，必要時可以考慮重用NAS 消息的加密密鑰，但是重用條件和次數需要規定，不能無限地重用，否則，一般條件下，每次NAS 消息的密鑰都需要正常更換。

控制面的方案比較適合于非頻繁的小數據發送。對于頻繁的小數據傳輸或小數據與普通數據同時傳送的場景，發起正常的Service Request 流程更為合適，可以長時間保持用戶面連接以應對頻繁小數據的傳輸。

各控制面方案在空口的傳遞辦法都是將小數據分組分裝在NAS 消息中，利用NAS 加密功能從UE傳 輸 給MSC/SGSN/MME 后，MSC/SGSN/MME會進行拆封和重封裝功能，并將重封裝后的小數據分組轉發至后面的網元。它們之間的主要區別在于后續網元的傳遞方法不同，如圖2 所示。

方案一：MSC/SGSN/MME 將小數據封裝成GTP-U協議數據分組，通過核心網元GGSN/S-GW+P-GW 直接傳給應用服務器（Direct 方式）或經由MTC 服務器間接傳給應用服務器（Indirect 方式）。該方案只需要對現有網元功能進行升級，但該方案沒有新網元MTC-IWF的參與，不利于對物聯網數據發送和接收進行統一管理。

方案二：MSC/SGSN/MME 利用傳統的短信中心通過T4 接口將小數據分組傳給MTC-IWF，再由MTC-IWF 傳遞給MTC 服務器（Direct 方式）。T4 接口方案使用短消息機制進行小數據的傳送，支持不攜帶MSISDN的MT 模式小數據傳輸，eNode B 和MME 具備傳送短消息的能力，對于MTC-IWF，需要支持協議轉換功能。

方案三：MSC/SGSN/MME 通過新增加的T5 接口直接傳給MTC-IWF，再由MTC-IWF 傳遞給MTC 服務器（Direct 方式）。通過T5 接口傳送小數據的方案可以支持不攜帶MSISDN 進行MO 和MT 模式的小數據傳輸，需要支持T5 接口及相關協議，并需要部署MTC-IWF，執行小數據的存儲、轉發及擁塞控制功能。

控制面3 種方案的具體描述和對比見表2 所列，對于長遠考慮來講，方案二是較好的選擇，而從近期節省成本的角度考慮，方案一和方案三是不錯的選擇。

3.2 用戶面方案

用戶面方案大致的思想就是要在成功傳遞小數據的前提下，盡量減小空閑態與連接態切換產生的信令數量。用戶面方案中，在附著的時候就為小數據傳輸建立專用連接，UE 傳小數據時，將該小數據和指定的連接ID 送到eNode B，通過小數據傳輸專用的連接進行傳輸，這樣的傳輸方式可以避免NAS 消息交互、MME 分配資源等造成的信令開支，從而高效地傳送小數據。

圖2 控制面方案

表2 控制面方案的比較

在用戶面方案中，S-GW 中專用連接的端點信息將提供給UE，UE 傳遞上行小數據時，將專用連接的端點信息作為附加信息與小數據分組一并傳遞給eNode B，eNode B 使用此附加信息產生GTP-U 數據分組，將小數據通過該數據分組由S1-U 接口傳遞給S-GW，再由S-GW 執行正常的數據轉發操作，最終由PGW 路由出去；對于下行小數據，eNode B 在向S-GW發送GTP-U 數據分組時，會將下行的TEID 帶給S-GW，S-GW 存儲并按照此TEID 發送下行數據至指定的eNode B。目前，用戶面解決方案的空口小數據傳輸機制仍沒有明確的結論。

如圖3 所示，用戶面方案中，RAN 側負責分配服務于小數據傳輸的無線資源，而不需要與核心網側交互來授權無線資源的分配。由于避免了信令面上的交互，用戶面方案把安全和其他控制相關的處理功能全都放在了S-GW 上，并且UE 在進入其他制式網絡時不需要進行切換過程，有效時間內可以憑借最初分配的專用于小數據傳輸的ID 隨時傳輸小數據。

用戶面實現小數據傳輸有2個解決方案。

方案一：顆粒度為承載級別，在用戶面通過特定的承載進行小數據分組的傳輸，該方案的安全過程只在UE 和S-GW 之間進行，此外上行S-GW TEID 可由承載ID 派生出來。

方案二：顆粒度為PDN 連接級別，PDN 連接要么是普通PDN 連接，要么是支持小數據分組專用的PDN 連接，支持小數據分組專用的PDN 連接不能夠建立專有承載，該方案的安全過程只在UE 和S-GW之間進行，上行S-GW TEID 和地址由PDN 連接的ID派生得到。

用戶面的2個方案均不需要增加新的網元，只需要對現有網元進行升級，因此造價較小，但不容易對小數據分組的接收進行統一管理，還會增加用戶面負荷。此外，由于用戶面的小數據分組傳遞過程不涉及MME的控制，因此，用戶的位置信息在MME 將不會得到實時更新，容易使MME 認為該用戶不可達。2 種用戶面方案的描述和對比見表3 所列。

4 2類小數據傳輸方案的比較及其對網元影響的評估

根據前面對控制面和用戶面各種方案的描述，概括性地歸納了對終端、無線以及核心網網元可能的影響，見表4 所列。M2M 通信模式下的小數據分組傳輸方案不可避免地會對現有網元造成影響，更有可能增加新的網元和功能，運營商應當根據自身網絡特點、發展策略等方面綜合考慮，制定出適合自身的小數據傳輸方案。

圖3 用戶面方案

表3 用戶面方案比較

表4 控制面和用戶面方案對網元可能造成的影響

5 結束語

物聯網通信是不可逆轉的發展趨勢，對于運營商來說更是機遇與挑戰并存。本文對M2M 通信模式的整體架構以及小數據傳輸方案進行了研究，并對網元可能造成的影響進行了評估，得出要合理利用現有網絡的結論。在保證M2M 通信的前提下，盡量減少成本是運營商在物聯網大趨勢下實現盈利的一個關鍵因素。

1 3GPP TS 23.682 Architecture enhancements to facilitate communications with packet data networks and applications.http://www.3gpp.org/ftp/specs/html-INFO/23682.htm，2013

2 3GPP TR 23.887 Architectural Enhancements for Machine Type and other mobile data applications Communications.http://www.3gpp.org/ftp/specs/html-INFO/23887.htm，2013

3 3GPP TR 23.888 System improvements for Machine-Type Communications (MTC).http://www.3gpp.org/ftp/specs/html-INFO/23888.htm，2013