移動運營商NB—IoT部署策略探討

孫彪

摘要：為了探討移動運營商NB-IoT部署策略，針對NB-IoT的幾種可行建網策略進行了對比分析，結合與歐洲高端運營商的交流總結，列舉了現網升級和全新建網的優缺點，并給出了初期現網升級、中期虛擬化全新建網的建議方案。

關鍵詞：NB-IoT 核心網 虛擬化

1 物聯網NB-IoT現狀分析

隨著網絡連接、云服務、大數據分析和低成本傳感器等核心技術的突破，物聯網已經從萌芽階段步入迅速發展階段。越來越多的行業，如汽車零部件、智能家電、車聯網、電子抄表、智慧城市、遠程醫療等開始認識到使用物聯網技術提高效率帶來的好處。比如飛利浦已經開發了多款電子醫療應用，包括一款供慢性病患者使用的貼片。該貼片使用傳感器實時收集患者健康數據，并傳輸到云平臺，醫護人員可以對數據進行監控，并適時采取醫療干預措施。

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，基于蜂窩的窄帶物聯網）成為萬物互聯網絡的一個重要分支。NB-IoT構建于蜂窩網絡，只消耗大約180 kHz的頻段，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，以降低部署成本，實現平滑升級。NB-IoT支持待機時間長、對網絡連接要求較多設備的高效連接，同時還能提供非常全面的室內蜂窩數據連接覆蓋。目前NB-IoT標準已經成熟，端到端產業鏈也在快速發展，從終端到系統以及應用整個行業都在積極推動產品成熟，預計明年初具備商用條件。3GPP協議中關于NB-IoT需要EPC核心網支持的功能有相對明確的描述，實際建網時運營商可以采用現網EPC升級方案，也可以采取全新建網方案，本文接下來將針對幾種方案可行性及優缺點進行了分析對比。

2 NB-IoT核心網關鍵技術

2.1 非漫游場景NB-IoT網絡架構

3GPP TS23.401標準中提出了針對現有EPS網絡進行升級支持NB-IoT的組網架構，非漫游場景NB-IoT網絡架構如圖1所示。

NB-IoT無線通過S1接口連接核心網，針對NB-IoT特有的低速小報文，3GPP定義了C-SGN（CIoT Serving Gateway Node）融合簡化EPC核心網。包括MME/SGW/PGW簡化功能，另外針對NB-IoT業務特性做了功能優化。主要包括：控制面數據傳輸、安全流程、不需要聯合附著、優化尋呼功能、支持SCEF接口、支持無PDN的附著連接等。

SMS-GMSC/IWMSC/SMS Router：短消息網關移動服務中心/短消息互通移動服務中心/短消息路由器，提供短消息中繼和轉發功能，使用于NB-IoT，不需要分配IP地址，直接通過消息類上報給業務服務器的場景。

SCEF（Service Capability Exposure Function，業務能力開發功能）模塊，是3GPP定義的能力開放功能邏輯網元。SCEF能夠把3GPP定義的網絡接口提供的網元業務能力安全地開放給第三方業務提供商。SCEF可以部署在核心網側，也可以作為智能IoT平臺的一部分邏輯功能對外開放。

2.2 漫游場景NB-IoT組網架構

3GPP TS23.401標準中提出了針對現有EPS網絡進行升級支持NB-IoT的組網架構，漫游場景NB-IoT網絡架構如圖2所示。

相對于非漫游場景下網絡架構，漫游場景C-SGN通過S8接口與歸屬地PGW建立隧道，把業務送給業務服務器。同時引入互通SCEF，讓拜訪地SCEF把Non-IP報文通過T7接口傳送給歸屬的SCEF，保證端到端數據安全。

2.3 端到端數據流

按照3GPP TS23.720的標準定義，NB-IoT主要用于傳送低速率小報文，有IP數據、Non-IP數據和SMS數據傳輸三種典型方式。圖3是NB-IoT終端到AS（Application Server，應用服務器）間端到端數據流示意圖。

（1）IP數據

與LTE數據流一樣，核心網C-SGN/EPC需要根據IP類型建立相應的PDN連接用來傳輸IP數據，傳輸路徑和普通LTE終端一致。

（2）Non-IP數據

Non-IP數據的發送有兩種方案，對應上圖兩條不同的路徑。

1）路徑一：可以基于新的邏輯模塊SCEF傳輸，C-SGN/MME建立一條執行SCEF的控制面PDN連接，通過這條PDN連接，UE把Non-IP數據傳送給應用服務器AS。

2）路徑二：通過PtP（Point-to-Point）SGi隧道傳輸。

在UE進行PDN連接請求時，UE會指示Non-IP PDN類型。用戶簽約信息中有Non-IP類型缺省的APN。MME使用該缺省APN，用于首次接收Non-IP連接請求。MME基于本地配置策略，可以決定采用基于SCEF方案還是基于PtP SGi隧道方案來傳輸終端和應用服務器之間的Non-IP數據。

（3）SMS傳輸（Short Message Service，短消息服務中心）

用戶和應用服務器之間的消息通過MME和SMS的SGd接口傳輸，該方案無線給終端分配IP地址。

3 NB-IoT部署策略

對于移動運營商來說，可以利用現網EPC核心網升級改造快速部署NB-IoT業務，也可以全新單獨建設一套獨立的NB-IoT核心網，隔離傳統移動業務和NB-IoT業務。下面分別詳細描述兩種方案的組網架構以及對移動核心網的要求影響。

3.1 現網升級改造

根據3GPP定義的NB-IoT功能和網元特性，運營商可以通過軟件升級現網EPC核心網實現快速部署NB-IoT業務。專有NB-IoT無線接入升級改造后的融合網元，包括MME、SGW、PGW、HSS網元都需要升級改造以支持NB-IoT特有功能。

圖4是現網核心網升級改造的網元架構示意圖。

該方案的優點是初期投資少，見效快。但是缺點也比較明顯：

（1）升級現網影響傳統業務體驗；

（2）融合網元影響現網容量；

（3）傳統現網對新業務開放能力支持有限。

3.2 建設專有核心網

相對于傳統網絡升級改造，運營商按照3GPP定義的架構新建一套完整的NB-IoT核心網，對未來NB-IoT的新應用引入會更加靈活，支持的功能更強大。

圖5是新建NB-IoT專有核心網的網絡架構示意圖。

運營商新建一套NB-IoT核心網C-SGN，包括針對NB-IoT標準定義的簡化MME/SGW/PGW特有功能。C-SGN可以基于傳統硬件，也可以基于虛擬化平臺。

該方案的優點包括：

（1）獨立建網不影響現網傳統業務；

（2）符合標準架構后續演進更方便；

（3）采用最新IT技術，虛擬化平臺更靈活地部署和引入新業務。

下面章節簡單介紹下基于IT技術的虛擬化核心網架構。

4 虛擬化技術的應用

4.1 核心網虛擬化概述

ETSI（European Telecommunications Standards Institute，歐洲電信標準化協會）組織下正式成立網絡功能虛擬化工作組（ETSI ISG NFV），致力于實現網絡虛擬化的需求定義和系統架構制定。ETSI NFV工作組的主要目標是實現各網元在開放的IT平臺上實現功能集虛擬化，以更低的成本、更靈活的運營應對移動互聯網時代靈活多變的業務動態需求，并擺脫對廠家專有硬件系統和封閉軟件平臺的依賴。

由于網絡虛擬化NFV技術顛覆了傳統電信封閉平臺的思想，引入靈活彈性部署資源管理等理念，因此，ETSI NFV提出了全新通用的NFV架構，NFV概念架構如圖6所示：

NFV架構主要包括三部分：NFVI（NFV Infrastructure，網絡功能虛擬化基礎設施）、VNF（Virtualized Network Function，虛擬網絡功能）和NFV MANO（Management and Orchestration，管理與編排）。

（1）網元功能由軟件實現，運行在虛擬化基礎設施NFVI之上，通過虛擬機實現傳統移動網元邏輯實現。

（2）虛擬化基礎設施包括虛擬計算、虛擬存儲、虛擬網絡，通過虛擬化層對計算、存儲和網絡硬件資源與其相應的虛擬化資源的調度，支持VNF的資源調用。

（3）虛擬化管理和編排功能在NFV框架中集中了所有虛擬化相關的管理編排功能，實現對資源的管理、對網絡業務編排、對物理和軟件資源和虛擬化網絡功能生命周期管理等。

除了ETSI之外，3GPP標準組織也積極推動核心網虛擬化標準研究和定制。3GPP SA第69次全會上批準了版本13中的SA5技術報告（TR）32.842《虛擬網絡網絡管理研究》，著眼于NFV-MANO（管理和編配）對3GPP管理系統的潛在影響，主要集中研究基于ETSI NFV架構框架、移動核心網的管理功能和解決方案，重點研究了管理概念，包括虛擬網絡功能在內的移動網絡架構和要求（TS 28.500）、虛機和網元的生命周期管理、配置管理、故障管理和性能管理等。

4.2 虛擬化核心網進展

如圖7所示，按照業界共識，虛擬化一般被分成四個階段，分別是：

（1）第一階段軟硬件解耦；

（2）第二階段網絡虛擬化；

（3）第三階段網絡開放可編程；

（4）第四階段全開放能力創新。

第一步是軟件解耦，把軟件的功能從基礎部分當中抽離，各功能軟件模塊采用通用硬件平臺，通過一系列的工作有效地降低運營成本，提升運營效率，可以把平臺進行標準化，減化維護，同時降低管理的費用。把特性的開發變成軟件開發的一部分，因為現在的開發是放在軟件當中而不是硬件，所以這樣做可以縮短產品周期。

第二個階段開始利用虛擬技術完成一些共享基礎架構的工作，引入網絡編排器管理網絡的功能。通過云化編排管理，進行自動部署、自動縮擴容、自動生命周期的管理。管理的方式可以對網絡功能進行靈活地隔離和部署，對資源的利用率和密度更高，可以降低架構的負載。此外也可以對整個架構進行快速地擴展和縮減，并能對不同的客戶需求做出反應。

第三個階段是提供第三方開放的API接口，把虛擬化平臺開放給第三方可編程。第三方應用可以方便地通過插件及標準接口集成進來，更好地引入新業務。同時集成SDN優化網絡能力，真正啟用業務鏈，按照業務需求自動調整網絡能力。

第四階段是全開放能力創新。通過引入大數據自動分析工具，第三方全開放平臺實現能力創新。將單一的網絡功能分解成基礎模塊，服務就在云端被分解為微服務，這些都是公共的服務。比如之前不應當將這些功能進行集合性的使用，在云層當中功能自身變得越來越簡單，可以集中在想實現的資源和功能中，也就是說功能是為云建造的，也是能進行分解使用的，對APP開發者開放。人們能真正地將服務分解，不止運營商或者系統服務商，而是每個使用APP的人都可以分解這個服務。

PaaS（Platform-as-a-Service，平臺即服務）平臺作為一種服務，利用IaaS的基礎架構，引入平臺自動部署、自動配置、自動縮擴容等功能。現代化的Paas平臺通過操作系統、容器以及開發工具協調器和自動變牌器，實現自動操作和安全，提高開發人員的生產力，極大地提高了時間價值。

所以NB-IoT的能力開發平臺基于開放的核心網虛擬化PAAS平臺架構，可以更方便地引入第三方應用。

基于虛擬化架構、標準EPC與NB-IoT共平臺架構如圖8所示。

運營商可以基于統一的電信云，在4G個人業務、企業應用的虛擬化NFVI架構上，通過網絡切片技術，為NB-IoT業務場景快速部署專有虛擬化C-SGN、SCEF網元以及第三方開放的AS業務服務器，提供面向未來的個性化差異化特色應用。

5 結束語

未來社會全新的工業自動化、人工智能、智慧城市、智能生活、自動駕駛等新技術，都要求網絡無處不在，網絡能力按需自動編排提供。NB-IoT是市場驅動和技術驅動相結合的產物，業務特性與終端要求與傳統移動互聯網業務都有很大不同。核心網虛擬化技術、軟件部署靈活性及開放主導的架構設計非常符合物聯網生態圈中服務快速提供，業務靈活定制和安全隔離，規模平滑擴容等業務生產和發展模式需求。而運營商如何能夠依托現網，采取面向未來的新業務，快速部署新技術，是業界參與者都需要思考的問題。為了盡快推動NB-IoT的成熟和規模商用，通過與歐洲高端運營商的交流，發現各方都希望初期通過現網EPC/eNodeB的快速升級進行功能測試驗證，推動產業成熟商用。初期小規模商用時可以采取現網升級的臨時方案，等待端到端功能驗證測試通過，在產業鏈特別是業務服務器側提供豐富的差異化服務后，隨著虛擬化的成熟和普遍應用，再逐步從傳統網絡轉型升級到全新的虛擬化平臺，實現更靈活的NB-IoT業務應用。

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