SCHC在NB-IoT上的應用

張壹馳 馬克

（青海師范大學 青海省西寧市 810000）

2016年，IETF組織成立IPv6 over Low Power Wide-Area Networks 工作組，該工作組的主要任務是讓低功耗廣域網網絡能夠使用IPv6 進行連接。自工作組成立以來，其一直致力于研究將IPv6 協議與 LPWAN 網絡底層通信協議整合的方案，并發布了一系列相關草案，其中最重要的是提出靜態上下文報頭壓縮[1]。靜態上下文報頭壓縮是通信雙方預先定義壓縮解壓規則，通過發送壓縮規則標識號及壓縮剩余字節以代替發送數據包報頭的一種報頭壓縮機制[2]。

1 窄帶物聯網簡介

3GPP(The 3rd Generation Partnership Project,第3 代合作伙伴計劃)于 2015年9月正式確定NB-IoT(Narrow Band Internet of Things,窄帶物聯網)標準立項，2016年6月NB-IoT 標準協議核心部分宣告完成，并正式公布基于Release 13 規范的NB-IoT 標準體系[3]。NB-IoT 擁有海量連接、超低功耗、超低成本、超強覆蓋能力的優勢，并且滿足非實時敏感的低速業務需求[4]，NB-IoT 的上述優勢使其越來越受研究者們的重視，下面具體介紹NB-IoT 的主要優勢：

（1）低功耗：借助于節電模式（Power Saving Mode，PSM）和擴展周期不連續接收（extended Discontinuous Reception，eDR）兩種工作模式[5]，NB-IoT 終端可實現更長待機，NB-IoT 終端如果每天發送一次200Byte 報文，使用AA 電池續航時間可以達 10年之久[6]。

（2）廣覆蓋：NB-IoT 技術本身具備更高覆蓋能力，相比現有移動通信網絡增加20dB 覆蓋，可提供更佳的室內覆蓋。可解決安裝分散、安裝位置條件復雜等網絡覆蓋問題，更易實現接入并保持長久在線[7]。

（3）大連接：對于單個200kHz 的服務小區，NB-IoT 可以容納10 萬個UE(User Equipment)的連接，承載能力是現有網絡的100 倍[8]。

（4）低成本：單個接連模塊的成本可控制在5 美金以內，甚至更低[9]。

NB-IoT 網絡架構由用戶終端（User Equipment,UE）、基站(eNodeB,eNB)、演進的核心系統(Evolved Packet Core,EPC)組成，具體結構如圖1所示。

圖1：NB-IoT 網絡架構

圖2：用戶平面上的數據架構

圖3：控制平面上的數據架構

EPC 是窄帶物聯網網絡架構核心的組成部分，負責對終端用戶的建立和控制，包括各個邏輯節點和各個接口。下面將對EPC 核心網元的功能進行介紹：

需要注意的是，最后產物中的酰鹵其實就是第一步反應中的酰鹵，所以催化劑的作用只是將羧酸轉變為酰鹵，而酰鹵的a-H具有較高的活性，從而發生互變異構進而發生鹵代反應。

（1）MME（Mobility Management Entity,移動性管理實體）：非接入層命令信號的安全、接入層控制系統的安全性、跟蹤區域列表的管理、信息漫游等功能。

（2）S-GW(Service Gateway,服務網關)：處理接收的數據進行，監聽用戶，對打包的數據進行路由轉發。

（3）P-GW(Packet Gateway,分組數據網關)：負責用戶IP 地址的分配、基于每個用戶包的過濾、合法攔截、上下行分組傳輸的標記等功能[10]。

（4）HSS（Home Subscriber Server，歸屬用戶服務器）：負責用戶簽約的數據和位置變更管理。

（5）SCEF（Service Cability Exposure Function,服務能力開發單元）：負責支持新的 PDN 類型為非 IP 數據包的控制傳輸[10]。

圖4：SCHC 實體用戶平面上的放置位

圖5：SCHC 實體控制面上的放置位

圖6：使用NIDD 時SCHC 實體的放置位

2 NB-IoT空口協議棧

NB-IoT 空口協議棧概括性得稱為“三層兩面”，“三層”分別是物理層（L1 層）、數據鏈路層（L2 層）、網絡層（L3 層），“兩面”即用戶平面和控制平面。

2.1 用戶平面

用戶平面負責主要處理業務數據，協議棧如圖2所示。

用戶平面協議棧只包含2 層，即物理層和數據鏈路層，其中數據鏈路層又有3 個子層。它們分別是PDCP、RLC 和MAC 層。其中PDCP 主要實現用戶數據傳輸、加密和解密以及切換時重傳PDCP SDU 等功能[11]。RLC 為上層提供數據傳輸服務，并在確認模式下通過自動重傳請求糾錯，還提供數據的分段、級聯等功能。MAC 層在數據鏈路層與物理層之間，其位置十分關鍵，而且是整個數據鏈路層的核心，在很大程度上會影響產品的性能。MAC層主要功能有完成邏輯信道和傳輸信道之間的映射、SDU 復用和PDU解復用、隨機接入、邏輯信道優先級等。物理層負責實現編解碼、調制解調、多天線映射等功能。

2.2 控制平面

控制平面主要處理信令數據，協議棧如圖3所示。

3 IP數據傳輸

3.1 用戶平面上的SCHC

僅在無線鏈路上應用SCHC 時，需要將SCHC 作為用戶平面數據傳輸的一部分。接入層是負責傳輸的功能層，通過無線連接傳輸數據并管理無線資源。用戶平面的接入層主要有保證傳輸的安全性、分片和重組等功能。在實際的傳輸過程中，需要根據傳輸數據的大小、所需要的能量以及噪聲的干擾等因素來進行優化。其優化的方法通常通過使用不同的調制和編碼方式來實現。傳輸時間間隔(transmission time interval,TTI)是一個MAC 層的概念，它說明了一個MAC 傳輸塊時間上的長度。每一個傳輸塊都有不同的調制和編碼方式和可發送的大小。

3.1.1 SCHC 實體的放置

在當前的架構中，常使用ROHC 對IPv6 報頭進行壓縮，SCHC實體可參考ROHC 部署。在這種情況下，如果數據包的大小超過了傳輸塊的荷載，RLC 層將對數據包進行分片處理，SCHC 中的分片功能就沒有必要啟用以此來減少協議的開銷。在未來的實際應用中，可能會出現需要使用SCHC 分片功能的特殊情況，在這種情況下，SCHC 數據包將匹配最小傳輸塊大小對于PDCP 和MAC 報頭作壓縮處理。SCHC 實體位置如圖4所示。

3.2 控制平面上的SCHC

3.2.1 NAS 簡介

NAS 主要負責UE 和蜂窩網絡之間控制信令的傳輸。在長期的實踐過程中，NAS 功能被設計得十分適合低頻次小數據的傳輸。NAS 中傳輸的數據被稱為DoNAS（Data over NAS）或者控制平面上的CIoT EPS 優化。在DoNAS 中，NAS 為UE 提供安全保護，UE 將上行小數據在初始化的NAS 上行鏈路中傳輸，并使用附加的NAS 消息接收下行小數據。網絡側的數據由C-SGN 負責加密，并封裝到NAS PDU 中。網絡側的設備會根據數據類型不同來選擇分配IP 地址（IP 數據）或只是建立一個直接轉發路徑（non-IP 數據）。DoNAS 受到協議的速率控制，這意味著每個設備都要預約并在設備中配置單位時間可以傳輸的最大比特數。當處于省電模式的UE需要進行上傳或接收來自網絡側的下行指令并反饋時，通常需要使用DoNAS。根據要傳輸的數據的大小，UE 可以被指示部署連接模式的傳輸，從而將DoNAS 傳輸限制到預定義的值，以此帶來終端和網絡側的資源優化平衡。為了讓DoNAS 具有更好的移動性，可以在報頭中加入更多的控制信息，但這樣會占用更多的帶寬，需要在實際應用中靈活的選擇。

3.2.2 SCHC 實體的放置

在控制平面協議棧中，將SCHC 實體布置在NAS 層是最為合理的選擇，這意味著SCHC 實體在網絡側將部署在核心網中的C-SGN，而不是基站中，如圖5所示。

3.3 SCHC相關參數設置

3.3.1 SCHC 上下文初始化

根據RRC（Radio Resource Control,無線資源控制）協議配置3GPP 接入層的各項參數。SCHC 將參考RoHC 的方法以類似方法進行配置并且符合RRC 協議的要求。

3.3.2 SCHC 規則

在典型場景中，上下文中的規則由網絡運營商定義。因此，網絡管理員必須知道設備將執行的IP 通信類型。這意味著網絡管理員必須為不同的設備設置兼容的配置方案。網關設備為多個網絡間提供數據轉換服務，自然需要支持不同網絡之間的各種協議，具有更高的復雜性。

3.3.3 規則標識號

在將SCHC 應用于NB-IoT 的場景下，可以合理預計需要9 個字節的無線開銷，其中包括PDCP 層中的5 個字節和RLC 層、MAC 層的4 個字節。如果追求在數據包中的控制信息盡可能少，在極端的情況下，SCHC 開銷不能超過的最小實用傳輸塊的可用位數。因為3GPP 網絡處理的數據包是字節對齊的，所以可能的最小有效負載（包括填充字節）是8 比特。因此，為了利用最小的傳輸塊，SCHC 最多占用8 比特，其中除了規則標識號之外還必須包括原先報頭中不壓縮的字段。另一方面，更復雜的NB-IoT 設備（例如毛細網關）可能需要額外的比特位來處理更高層協議帶來的更多的相關參數。在這種情況下，網絡管理員可能希望配置方案具有很好的可選擇性，可以根據設備的類型、數量等因素選擇出較優的配置方案。規則標識號就占用2 到8 個比特位，可以最少表示4 條壓縮解壓規則，最多表示256 條壓縮解壓規則。當然，在必要的情況下配置更多比特位來表示更多的控制信息，但是這樣壓縮之后的報頭必然占據更大的帶寬。如果在使用最小的傳輸塊（8 比特）的應用場景下，除去規則標識號的最少使用的2 比特，留下給原先報頭中不壓縮的字段就只有6 比特了。

3.3.4 分片重組功能

在控制面協議中建議禁止使用SCHC 中的分片重組功能，因為在NB-IoT 協議棧中RLC 層主要負責分片重組的功能，若再使用SCHC 的分片重組功能勢必導致協議開銷上的過度浪費。

4 非IP數據傳輸

NB-IoT 的UE 支持非IP 數據傳輸（non-IP Data Delivery，NIDD），這是NB-IoT 在LTE 的基礎上作出的重大改變。非IP 數據傳輸，包括終端發起和接受數據兩部分。

將非IP 數據傳輸主要有2 種方案：

（1）通過服務能力開發單元的非IP 數據傳輸。

（2）通過的分組數據網關非IP 數據傳輸。

4.1 SCHC實體的放置

在使用NIDD 的兩種情況下，SCHC 實體可以放置于協議棧的頂部，即應用層，如圖6所示。

4.2 SCHC的各項參數

4.2.1 SCHC 上下文初始化

由于SCHC 是在應用層進行處理的，上下文需要根據應用程序具體的情況具體分析再進行處理，可能在上下文初始化之前利用IP數據傳輸。

4.2.2 SCHC 規則

在使用NIDD 的情況下，在傳輸的過程中，SCHC 數據作為應用層數據來傳輸，對于3GPP 網絡來說是透明的，也會和IP 傳輸一樣受到一些限制。在此情況下只需要考慮最大程度地減少協議開銷即可。

4.2.3 規則標識號

與IP 傳輸類似，規則標識號的長度可以在傳輸之前根據流量類型和部署的應用程序類型進行設置。

4.2.4 分片重組功能

原則上，對于大于1358 字節的數據包應該激活分片功能，但由于這里的SCHC 數據作為應用層的數據，過大的數據包自有下層進行處理，對于簡單的點對點連接，設置為NO-ACK 模式即可。

5 結束語

隨著物聯網的快速發展，接入互聯網的設備越來越多，無線資源越來越緊張。網絡數據傳輸效率低下，網絡信道資源浪費等問題已經對全網絡 IP 化的發展造成了很大的障礙。對IP 報頭進行壓縮可以提高網絡資源利用率，并在一定程度提高系統響應速度。因此，IP 報頭壓縮技術已日益受到重視，并成為研究的重點。本文所研究的靜態上下文報頭壓縮技術旨在將IPv6 引入NB-IoT,不僅解決了當前IPv4 地址匱乏的問題而且將IPv6 本身的優勢帶入了NB-IoT。由此可見，如果靜態上下文報頭壓縮在NB-IoT 網絡中得以商用，將給NB-IoT 帶來良好的靈活性和可擴展性，也將IPv6 協議帶入到更多的應用場景中去，實現真正的萬物互聯。