面向NB-IoT的核心網(wǎng)問題研究

馬洪源，肖子玉，卜忠貴，趙存

面向NB-IoT的核心網(wǎng)問題研究

馬洪源，肖子玉，卜忠貴，趙存

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

為了快速實(shí)現(xiàn)NB-IoT核心網(wǎng)部署，通過對(duì)NB-IoT核心網(wǎng)架構(gòu)以及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，分析了面向NB-IoT的核心網(wǎng)參數(shù)模型，得到了相關(guān)網(wǎng)元需要具備的能力，并對(duì)網(wǎng)元設(shè)置方式和組網(wǎng)方式給出了建議。

NB-IoT 核心網(wǎng) SCEF 組網(wǎng)

1 研究背景

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）是由3GPP定義的基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過在LTE基礎(chǔ)上進(jìn)行端到端優(yōu)化，廣泛適用于智能抄表、智能停車、智慧農(nóng)林牧漁業(yè)以及智能穿戴、智慧家庭、智慧社區(qū)等LPWA（Low Power Wide Area，低功耗廣覆蓋）類物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，具有支持海量連接、深度覆蓋能力、低功耗、低成本等特點(diǎn)。

NB-IoT以FDD蜂窩接入技術(shù)為基礎(chǔ)，為各種物聯(lián)網(wǎng)UE提供安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道，面向各行業(yè)提供物聯(lián)網(wǎng)整體應(yīng)用服務(wù)。NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)包含三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、管理及應(yīng)用層。具體如圖1所示。

2 NB-IoT核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

NB-IoT基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)包括無線接入網(wǎng)及核心網(wǎng)，提供了整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸通道。其中，NB-IoT核心網(wǎng)除了增加SCEF（Service Capability Exposure Function，服務(wù)能力開放功能）設(shè)備及S11-u接口外，與LTE核心網(wǎng)邏輯網(wǎng)元基本相同。具體如圖2所示。

（1）控制面優(yōu)化方案

在LTE網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)據(jù)傳輸為UE在Idle態(tài)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，流程復(fù)雜，信令開銷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)包本身。NB-IoT提供了窄帶物聯(lián)網(wǎng)UE的接入控制和小數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化技術(shù)：用戶數(shù)據(jù)僅通過原控制面的非接入層分組數(shù)據(jù)單元加密打包進(jìn)行傳遞，無需建立S1-U，節(jié)省了部分空口信令交互開銷。

（2）用戶面優(yōu)化方案

用戶面?zhèn)鬏攦?yōu)化方案中用戶數(shù)據(jù)仍通過S1-U進(jìn)行傳遞，針對(duì)低頻發(fā)小包傳送，通過增加新的用戶協(xié)議狀態(tài)RRC Suspend，在用戶、eNB、NB-IoT核心網(wǎng)中均保留原有PDN連接的上下文信息。當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，UE根據(jù)Resume ID與映射存儲(chǔ)在eNB上的接入層上下文，eNB根據(jù)已恢復(fù)的上下文映射至S1-AP上下文，并恢復(fù)RRC和S1-AP連接。

方案對(duì)比具體如表1所示。

無論是控制面還是用戶面優(yōu)化方案均能減小信令開銷，提升UE待機(jī)/續(xù)航能力。但對(duì)于單用戶特定時(shí)間來說，只會(huì)存在一種方式，連接態(tài)時(shí)允許控制面切用戶面，不允許用戶面切控制面；空閑態(tài)時(shí)則無限制。對(duì)于整機(jī)來說，允許兩種方式同時(shí)存在，不同應(yīng)用可以選擇不同的傳輸方式。從支持的應(yīng)用場景以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)的改造難度方面綜合分析，控制面優(yōu)化方案更適合窄帶小包物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，通過信令優(yōu)化，空口、S1接口信令可減少50%以上，但受限于控制面帶寬，不適合大量用戶同時(shí)接入。目前，NB-IoT將控制面數(shù)據(jù)傳輸方案作為必選，用戶面?zhèn)鬏敺桨缸鳛榭蛇x。

2.2 功耗優(yōu)化

為進(jìn)一步降低終端電源消耗，NB-IoT引入了長周期TAU（Tracking Area Update，追蹤區(qū)更新）、eDRX（Enhanced Discontinuous Reception，增強(qiáng)的非連續(xù)性接收）及PSM（Power Saving Mode，節(jié)電

eDRX允許網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備同步睡眠周期，增加了延遲，更適合針對(duì)網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于有遠(yuǎn)程不定期監(jiān)控（如遠(yuǎn)程定位、電話呼入、配置管理等）需求且實(shí)時(shí)性要求很高的場景，如果允許一定的時(shí)延，可以采用eDRX并將尋呼周期設(shè)得盡量短些。

UE可在Attach和TAU中請(qǐng)求開啟PSM或（和）eDRX，但最終開啟哪一種或兩種均開啟、周期是多少均由網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)業(yè)務(wù)類型以及場景協(xié)商后決定。如果允許兩者都使用，網(wǎng)絡(luò)側(cè)需配置eDRX參數(shù)使得Active Timer超時(shí)之前有多個(gè)尋呼時(shí)刻。這是為了確保即使UE處于Active Timer的Idle狀態(tài)，也能夠減少功耗。

2.3 協(xié)議優(yōu)化

NB-IoT協(xié)議信令流程基于LTE設(shè)計(jì)，對(duì)信令進(jìn)行了剪裁，并針對(duì)NB-IoT業(yè)務(wù)的特點(diǎn)進(jìn)行了協(xié)議優(yōu)化。如優(yōu)化系統(tǒng)信息，通過延長系統(tǒng)信息有效降低上行隨機(jī)接入、小區(qū)選擇和重選的頻次，降低UE功耗。

通過引入PTW，允許在PTW內(nèi)多次尋呼UE，進(jìn)行尋呼優(yōu)化。MME通過接收并存儲(chǔ)S1接口上UE上下文釋放完成消息中攜帶的覆蓋增強(qiáng)相關(guān)信息（包括全球小區(qū)標(biāo)識(shí)和覆蓋增強(qiáng)級(jí)別）在后繼尋呼消息中攜帶該覆蓋增強(qiáng)信息。

NB-IoT協(xié)議專門做了基于APN和服務(wù)PLMN的速率控制。基于APN建立承載個(gè)數(shù)的NAS擁塞控制是指P-GW或SCEF向UE發(fā)送APN上行速率控制命令，用于控制通過數(shù)據(jù)無線承載（S1-U）或信令無線承載（NAS數(shù)據(jù)PDU）發(fā)送到該APN的數(shù)據(jù)PDU。基于服務(wù)PLMN控制NB-IoT用戶上行數(shù)據(jù)包的速率通過核心網(wǎng)側(cè)Rate Control參數(shù)的下發(fā)實(shí)現(xiàn)。在PDN連接建立過程中，MME可向UE和P-GW/SCEF通知服務(wù)PLMN為NAS數(shù)據(jù)PDU執(zhí)行的服務(wù)PLMN速率控制。

2.4 業(yè)務(wù)能力

（1）短消息

如圖2所示，NB-IoT存在兩種短信解決方案：基于SGs接口的短消息和基于SGd接口的短消息。其中，基于SGs接口的短信有以下兩種實(shí)現(xiàn)方案：

方案一：標(biāo)準(zhǔn)SGs方案，UE支持電路域聯(lián)合附著，需要考慮電路域設(shè)備VLR容量。

方案二：簡化SGs方案，UE不支持聯(lián)合附著，MME代理實(shí)現(xiàn)。

（2）Non-IP

對(duì)于大多數(shù)NB-IoT應(yīng)用，發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)告頻率低、字節(jié)小，一般報(bào)告為20～200個(gè)字節(jié)，這樣UDP/IP傳輸層協(xié)議棧的占用字節(jié)（IPv4，28字節(jié)；IPv6，48字節(jié)）所占的數(shù)據(jù)報(bào)文比例很高，尤其是在有效負(fù)荷小于20字節(jié)的情況下，報(bào)文頭甚至超過了數(shù)據(jù)，所以在這種情況下，UE傳輸Non-IP數(shù)據(jù)可以大幅提升無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率。

Non-IP數(shù)據(jù)傳輸有以下兩種實(shí)現(xiàn)方式：

方案一：通過SCEF傳遞Non-IP數(shù)據(jù)，無需建立用戶面承載，屬于Non-IP專屬解決方案。需新建SCEF網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)，并且MME需要開通并支持T6a接口。

方案二：通過SGi進(jìn)行UDP/IP封裝，以隧道方式支持Non-IP小數(shù)據(jù)包傳遞。使用P-GW功能傳輸IP及Non-IP數(shù)據(jù)，適用于IoT UE與某個(gè)單獨(dú)的AS之間協(xié)商并進(jìn)行隧道加密的通信場景。網(wǎng)絡(luò)側(cè)需要給每個(gè)IoT UE都分配1個(gè)IP地址，MME/eNB需要支持提示UE禁用IP頭壓縮功能。當(dāng)UE想要采用Non-IP的PDN連接來發(fā)送小數(shù)據(jù)包時(shí)，發(fā)送“Non-IP”標(biāo)識(shí)給網(wǎng)絡(luò)側(cè)。

（3）能力開放

SCEF是專門為NB-IoT設(shè)計(jì)引入的，其除了用于解決Non-IP數(shù)據(jù)傳輸外，還是3GPP定義的能力開放功能邏輯網(wǎng)元，SCEF能夠把3GPP定義的網(wǎng)絡(luò)接口提供的網(wǎng)元業(yè)務(wù)能力安全地開放給第三方業(yè)務(wù)供應(yīng)商。

通過調(diào)用這些API接口，能夠進(jìn)一步開發(fā)網(wǎng)絡(luò)價(jià)值，為運(yùn)營商帶來額外收入，如通過連接RCAF（RAN Congestion Awareness Function，無線網(wǎng)絡(luò)擁塞感知功能實(shí)體）基于無線網(wǎng)管能監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)擁塞的天然特性，從網(wǎng)管中獲取網(wǎng)絡(luò)擁塞信息，加以整理和補(bǔ)充用戶信息，將擁塞小區(qū)及受影響的用戶信息發(fā)送至PCRF；通過連接BMSC（Broadcast Multicast Service Center，廣播組播業(yè)務(wù)中心），實(shí)現(xiàn)廣播與組播業(yè)務(wù)。SCEF提供的標(biāo)準(zhǔn)接口及典型功能如表2所示。

表2 SCEF提供的標(biāo)準(zhǔn)接口及典型功能

3 面向NB-IoT的核心網(wǎng)參數(shù)模型

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)不同于人網(wǎng)業(yè)務(wù)，具有業(yè)務(wù)種類多樣、小數(shù)據(jù)通信且上行占優(yōu)、會(huì)話時(shí)間較短、終端數(shù)量巨大、時(shí)延控制、終端移動(dòng)性低等特性。不同的業(yè)務(wù)對(duì)核心網(wǎng)資源的要求也不盡相同，提供一種通用且有代表意義的業(yè)務(wù)模型估算方法，將有助于核心網(wǎng)設(shè)備資源評(píng)估及規(guī)劃，業(yè)務(wù)模型主要有與核心網(wǎng)設(shè)備密切相關(guān)的忙時(shí)PDP連接數(shù)、上行/下行數(shù)據(jù)包大小、忙時(shí)附著簽約比、忙時(shí)平均每用戶峰值速率、信令連接數(shù)、處于PSM狀態(tài)的UE比例等參數(shù)指標(biāo)。

3GPP參考模型給出了四種行為模式及其數(shù)據(jù)包大小和通信頻率參考模型，具體如表3所示。

4G用戶PDP連接主要包括缺省承載和專有承載，按照典型話務(wù)模型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)每激活用戶承載個(gè)數(shù)為1.2～1.5，2016年移動(dòng)設(shè)備集采模型約為1.3PDP/用戶。而NB-IoT一般只有一個(gè)數(shù)據(jù)APN，理論上每用戶一個(gè)PDP連接。上行/下行數(shù)據(jù)包大小可根據(jù)業(yè)務(wù)行為模式歸類表3對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。鑒于初期用戶規(guī)模較小，可以認(rèn)為NB-IoT用戶均接入網(wǎng)絡(luò)且100%并發(fā)使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。基于上述假設(shè)，取定單用戶數(shù)據(jù)包平均值為200 bytes，可以粗略測算忙時(shí)平均每用戶峰值速率（不含開銷）約為0.03 kb/s。

NB-IoT用戶信令連接數(shù)與業(yè)務(wù)通信頻率緊密相關(guān)，如水表、電表、燃?xì)饧s為1次/天，智能停車12次/天，物流跟蹤車輛監(jiān)控月24次/天；而4G個(gè)人用戶信令消息數(shù)約為55～75次/h。以S6a接口為例，100萬4G個(gè)人用戶的信令數(shù)為2 624TPS，而一個(gè)典型的NB-IoT抄表業(yè)務(wù)實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)為101TPS。

另外，開啟PSM和eDRX會(huì)涉及S-GW下行緩存報(bào)文，單用戶緩存報(bào)文的數(shù)量及緩存報(bào)文的時(shí)長會(huì)對(duì)S-GW內(nèi)存配置產(chǎn)生影響。單用戶緩存報(bào)文越多，時(shí)長越長，對(duì)S-GW設(shè)備內(nèi)存消耗也就越多。

綜上所述，NB-IoT用戶基于其技術(shù)和業(yè)務(wù)特點(diǎn)，對(duì)核心網(wǎng)資源（包括數(shù)通及防火墻）的需求普遍低于4G個(gè)人用戶，但由于緩存機(jī)制的存在對(duì)S-GW存儲(chǔ)資源需求較大，呈現(xiàn)出非線性匹配關(guān)系。初期考慮到大部分業(yè)務(wù)為終端上報(bào)類業(yè)務(wù)，可以直接給定業(yè)務(wù)參數(shù)模型；后續(xù)隨著用戶規(guī)模及種類的增加，建議參考表3關(guān)于NBIoT的四種行為模式，基于用戶細(xì)分業(yè)務(wù)類型對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均得出對(duì)核心網(wǎng)資源的需求，同時(shí)隨著業(yè)務(wù)商用的深入，不斷優(yōu)化并提高參數(shù)的精準(zhǔn)度。

表3 3GPP關(guān)于NB-IoT的四種行為模式的參考模型

4 NB-IoT核心網(wǎng)部署方案

4.1 網(wǎng)元能力

NB-IoT核心網(wǎng)與LTE核心網(wǎng)架構(gòu)基本相同，均涉及HSS、MME、S-GW、P-GW等網(wǎng)元，并進(jìn)行了功能的簡化、優(yōu)化。具體如表4所示：

表4 NB-IoT核心網(wǎng)新增功能和涉及網(wǎng)元

為更好地支撐能力開放，NB-IoT也需要PCC網(wǎng)元配合。

4.2 設(shè)置方式

網(wǎng)元設(shè)置方式主要包括集中設(shè)置和分散設(shè)置。作為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的核心網(wǎng)主要起到管道連接、疏通作用，網(wǎng)元設(shè)置方式主要考慮面向業(yè)務(wù)應(yīng)用和管理運(yùn)營、面向UE和無線側(cè)接入兩方面因素。

HSS和P-GW負(fù)責(zé)用戶開通、業(yè)務(wù)路由及計(jì)費(fèi)，應(yīng)支持物聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一號(hào)碼管理、業(yè)務(wù)控制、運(yùn)營管理和支撐管理的要求，從支撐物聯(lián)網(wǎng)集中運(yùn)營角度考慮，宜采用集中部署方式。

MME和S-GW負(fù)責(zé)基站接入、用戶移動(dòng)性管理及通用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，應(yīng)有效支撐不同技術(shù)制式本身以及制式之間對(duì)移動(dòng)性管理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的需求，全網(wǎng)或大區(qū)集中設(shè)置不僅流程復(fù)雜、維護(hù)管理難度大，而且需要建設(shè)省際三層PTN網(wǎng)絡(luò)，因此建議采用分省部署。

4.3 組網(wǎng)方式

NB-IoT基于LTE但又不同于LTE，因此NB-IoT核心網(wǎng)存在融合組網(wǎng)和獨(dú)立組網(wǎng)兩種思路。兩種方案在業(yè)務(wù)滿足能力方面基本相同，但在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)組織、設(shè)備配置、安全穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)、維護(hù)管理、能力開放等方面存在差異。具體如表5所示。

表5 NB-IoT核心網(wǎng)組網(wǎng)方案對(duì)比

考慮到物網(wǎng)與人網(wǎng)的業(yè)務(wù)模型存在較大差異，從提高投資效益、增加業(yè)務(wù)穩(wěn)定及網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)角度考慮，建議NB-IoT核心網(wǎng)優(yōu)先考慮獨(dú)立組網(wǎng)，尤其是隨著NB-IoT業(yè)務(wù)規(guī)模的增長和NFV技術(shù)的進(jìn)一步成熟。

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)NB-IoT核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的梳理，歸納總結(jié)了NB-IoT核心網(wǎng)網(wǎng)元應(yīng)當(dāng)具備的能力，并指出差異化的業(yè)務(wù)決定了NB-IoT網(wǎng)絡(luò)配置的多樣性和復(fù)雜性，而合理的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置能夠充分發(fā)揮NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特性。通過對(duì)網(wǎng)元設(shè)置方式及組網(wǎng)方式進(jìn)行研究，提出NB-IoT核心網(wǎng)既可以通過現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)實(shí)現(xiàn)，也可以采用新建方式完成，目前階段NB-IoT核心網(wǎng)的組網(wǎng)建設(shè)方式更多地取決于市場策略，即是否需要以更低的成本和更快的速度贏得更多的市場發(fā)展空間。

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[2] 中國移動(dòng)通信集團(tuán)公司. 面向物聯(lián)網(wǎng)的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）核心網(wǎng)總體技術(shù)要求[S]. 2016.

[3] 中國移動(dòng)通信集團(tuán)公司. 面向物聯(lián)網(wǎng)的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）核心網(wǎng)設(shè)備技術(shù)要求[S]. 2016.

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Research on Core Network Problems Oriented to NB-IoT

MA Hongyuan, XIAO Ziyu, BU Zhonggui, ZHAO Cun
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

In order to rapidly realize the deployment of NB-IoT core networks, the architecture and key techniques of NBIoT core networks were investigated. The core network parameter oriented to NB-IoT was addressed to obtain the capability of the corresponding network element. The suggestion on the network element confi guration method and networking mode was presented.

NB-IoT core network SCEF networking

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.22.007

TN929.5

A

1006-1010(2017)22-0029-07

馬洪源,肖子玉,卜忠貴,等. 面向NB-IoT的核心網(wǎng)問題研究[J]. 移動(dòng)通信, 2017,41(22): 29-35.

2017-08-15

袁婷 yuanting@mbcom.cn

馬洪源：工程師，碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司網(wǎng)絡(luò)所高級(jí)咨詢?cè)O(shè)計(jì)師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信核心網(wǎng)。

肖子玉：教授級(jí)高級(jí)工程師，美國北卡羅來納州立大學(xué)訪問學(xué)者，學(xué)士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司網(wǎng)絡(luò)所總工程師，院科技委委員，中國通信協(xié)會(huì)高級(jí)會(huì)員，主要從事通信工程咨詢、設(shè)計(jì)和研究工作，在核心網(wǎng)5G、NFV、IMS、RCS、全業(yè)務(wù)、國際通信網(wǎng)、智能網(wǎng)、信令網(wǎng)、信息安全、投資評(píng)估等領(lǐng)域積累了豐富的咨詢?cè)O(shè)計(jì)和研究經(jīng)驗(yàn)。

卜忠貴：高級(jí)工程師，碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司網(wǎng)絡(luò)所咨詢?cè)O(shè)計(jì)總監(jiān)，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信核心網(wǎng)。