面向NB-IoT的核心網(wǎng)業(yè)務(wù)模型和組網(wǎng)方案

王計(jì)艷，王曉周，吳倩，朱黎黎，高賢謖，盧云，鄒銘明

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

面向NB-IoT的核心網(wǎng)業(yè)務(wù)模型和組網(wǎng)方案

王計(jì)艷，王曉周，吳倩，朱黎黎，高賢謖，盧云，鄒銘明

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

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）的市場(chǎng)空間巨大，是未來重點(diǎn)的發(fā)展方向，全球主流電信運(yùn)營商均開始積極布局。為更好地確定網(wǎng)絡(luò)部署的建設(shè)方案和資源配置，從NB-IoT的業(yè)務(wù)場(chǎng)景出發(fā)，對(duì)NB-IoT業(yè)務(wù)特性進(jìn)行分析，給出面向NB-IoT的核心網(wǎng)業(yè)務(wù)模型參數(shù)和組網(wǎng)方案，對(duì)后續(xù)NB-IoT核心網(wǎng)資源配置和規(guī)劃方案有重要指導(dǎo)意義。

LPWA；窄帶物聯(lián)網(wǎng)；eMTC；業(yè)務(wù)特性；業(yè)務(wù)模型；組網(wǎng)方案

1 引言

相對(duì)于個(gè)人通信業(yè)務(wù)來說，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）業(yè)務(wù)種類繁多、應(yīng)用場(chǎng)景多樣化、發(fā)展空間巨大。根據(jù)對(duì)未來物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的預(yù)測(cè)，2020年全球?qū)?huì)產(chǎn)生500億個(gè)IoT連接，其中60%（即300億）的連接來自于LPWA（low power wide area，低功耗廣域）市場(chǎng)，遠(yuǎn)高于中高速率連接市場(chǎng)的規(guī)模。LPWA是低功耗、廣覆蓋、低成本、低速率、大連接類業(yè)務(wù)的統(tǒng)稱。

LPWA的主要業(yè)務(wù)特性包括海量設(shè)備接入、低速率小數(shù)據(jù)分組、模組超低成本、超低功耗、廣覆蓋、可接受一定范圍內(nèi)的通信時(shí)延、大部分終端處于靜止或低速移動(dòng)。

LPWA也包含多種技術(shù)，如Sigfox、LoRa、eMTC和NB-IoT（narrowband-internet of things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）等，其主要技術(shù)指標(biāo)情況見表1。

表1 LPWA主要技術(shù)指標(biāo)情況

NB-IoT作為LPWA的一種，具有海量設(shè)備接入、低速率小數(shù)據(jù)分組、模組超低成本、超低功耗、廣覆蓋、時(shí)延不敏感、大部分終端處于靜止或低速移動(dòng)等業(yè)務(wù)特性，十幾家國內(nèi)外運(yùn)營商均表示要重點(diǎn)發(fā)展NB-IoT業(yè)務(wù)，并積極開展試點(diǎn)和技術(shù)驗(yàn)證工作。

2 NB-IoT對(duì)核心網(wǎng)的要求

2.1 面向NB-IoT的核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展情況

3GPP R13版本中（TS23.401標(biāo)準(zhǔn)）面向NB-IoT/eMTC的核心網(wǎng) EPC架構(gòu)的核心部分已凍結(jié)。3GPP R14版本（Stage2）正在進(jìn)行架構(gòu)增強(qiáng)及業(yè)務(wù)流程的優(yōu)化，包括對(duì)尋呼、SMS支持、授權(quán)用戶覆蓋增強(qiáng)等方面，預(yù)計(jì)在2017年下半年有相對(duì)成熟的版本。

以上標(biāo)準(zhǔn)對(duì)eMTC涉及較少，目前較為確定的是：基于控制面優(yōu)化的小分組傳送增強(qiáng)方案作為NB-IoT的核心網(wǎng)必選方案、eMTC的可選方案；而基于用戶面優(yōu)化的小分組傳送增強(qiáng)方案作為NB-IoT和eMTC的可選方案。

2.2 面向NB-IoT的核心網(wǎng)架構(gòu)

針對(duì)NB-IoT的海量設(shè)備接入、低速率小數(shù)據(jù)分組、超低功耗、廣覆蓋等業(yè)務(wù)特性，若采用現(xiàn)有 EPC核心網(wǎng)承載 NB-IoT業(yè)務(wù)，將存在如下問題。

（1）控制面效率低下

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)大部分是小數(shù)據(jù)分組，所需速率很低，但海量的設(shè)備接入將引起大量的附著、業(yè)務(wù)請(qǐng)求、TAU等，這將導(dǎo)致控制效率及資源使用效率低下，且有系統(tǒng)過載風(fēng)險(xiǎn)。

（2）EPC大量功能冗余

NB-IoT業(yè)務(wù)通信行為單一，大部分為純上報(bào)數(shù)據(jù)或伴有少量的下行數(shù)據(jù)，用戶靜止或限制移動(dòng)性，所以需要簡(jiǎn)化EPC的移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、尋呼等相關(guān)功能。

（3）不利于終端節(jié)電

現(xiàn)有LTE/EPC與終端信令交互流程繁瑣，與物聯(lián)網(wǎng)終端對(duì)超長續(xù)航能力需求相矛盾。比如小分組數(shù)據(jù)傳輸及間隔時(shí)，網(wǎng)絡(luò)需建立連接及釋放連接，從而產(chǎn)生大量的上下文傳遞相關(guān)信令，不利于終端節(jié)電。

（4）不支持non-IP數(shù)據(jù)類型

non-IP類用戶數(shù)據(jù)經(jīng)常被應(yīng)用在海量傳感器網(wǎng)絡(luò)，未來NB-IoT業(yè)務(wù)應(yīng)用也會(huì)有non-IP類用戶數(shù)據(jù)的需求，現(xiàn)有EPC不支持此功能。

（5）IP分組頭壓縮效率低下

由于非頻繁的小分組數(shù)據(jù)傳輸及移動(dòng)性，eNB和UE中保留的頭壓縮上下文可能會(huì)被重置，這將導(dǎo)致數(shù)據(jù)分組產(chǎn)生全量的頭開銷。

（6）對(duì)SMS的支持需要優(yōu)化

現(xiàn)有4G用戶的SMS是通過SGs支持的，無法避免聯(lián)合附著，而NB-IoT終端沒必要進(jìn)行聯(lián)合附著。

為解決上述問題，3GPP針對(duì)NB-IoT對(duì)EPC核心網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的EPC核心網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 優(yōu)化后的EPC核心網(wǎng)架構(gòu)

NB-IoT核心網(wǎng)采用簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將原EPC的MME、SGW、PGW中NB-IoT所需的功能單獨(dú)優(yōu)化出來組成一個(gè)新的網(wǎng)元，EPC原有的S11、S5/S8等接口全部變成網(wǎng)元內(nèi)部交互，且可以復(fù)用已經(jīng)產(chǎn)生的NAS設(shè)置安全連接，這使得整體效率得到提升。優(yōu)化后的核心網(wǎng)與無線采用新的S1-lite接口，該接口基于原EPC的S1-C優(yōu)化而來，針對(duì)高效的小分組數(shù)據(jù)傳遞處理，S1-lite僅保留了S1-C中必要的相關(guān)功能，支持將用戶數(shù)據(jù)在NAS PDU中打包，并由無線側(cè)通過S1-lite傳遞給C-SGN。無線側(cè)RAN需要支持 S1-lite接口，終端側(cè)也需要具備處理S1-lite協(xié)議棧相關(guān)流程的能力。

C-SGN具備現(xiàn)有EPC的部分能力，并有幾個(gè)方面的增強(qiáng)：基于控制面的小分組數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化；基于用戶面的小分組數(shù)據(jù)傳送優(yōu)化；僅為高效的小分組數(shù)據(jù)傳輸保留必要的安全流程；針對(duì)NB-IoT用戶支持無聯(lián)合附著的SMS傳遞能力；面向覆蓋增強(qiáng)的尋呼優(yōu)化；non-IP用戶數(shù)據(jù)支持兩種方案，分別為SGi隧道或SCEF；支持不建立默認(rèn)PDN連接的附著。

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有電信設(shè)備廠商的調(diào)研，目前各廠商的設(shè)備并未采用3GPP的C-SGN架構(gòu)，基本仍采用現(xiàn)有EPC設(shè)備架構(gòu)，在EPC設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行上述NB-IoT功能增強(qiáng)，滿足NB-IoT業(yè)務(wù)特性的要求。

3 NB-IoT核心網(wǎng)業(yè)務(wù)模型分析

根據(jù) GSMA對(duì) NB應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分類，NB-IoT業(yè)務(wù)可分為七大類21小類。各類業(yè)務(wù)按發(fā)展先后的順序分為A、B、C、D、E共5類，其中A類具有最優(yōu)先發(fā)展需求，千萬級(jí)以上的A類業(yè)務(wù)包括智能檢測(cè)（燃?xì)?、水表等）、智能停車傳感器、工業(yè)資產(chǎn)跟蹤、集裝箱定位追蹤等。NB-IoT業(yè)務(wù)典型應(yīng)用預(yù)測(cè)見表2。

由表2可知，NB-IoT的這些業(yè)務(wù)基本在小區(qū)范圍內(nèi)靜止，網(wǎng)絡(luò)帶寬需求低于100 kbit/s。對(duì)于這些業(yè)務(wù)的消息量和通信頻率，3GPP給出了4種行為模式，并給出了每種行為模式的數(shù)據(jù)分組大小和通信頻率參考模型，具體見表3。4種行為模式包括終端自主上報(bào)異常報(bào)告（mobile autonomous reporting exception report）、終端自主上報(bào)周期性報(bào)告（mobile autonomous reporting periodic report）、網(wǎng)絡(luò)命令（network command）、軟件升級(jí)/設(shè)備重配置（software update/reconfiguration model）。

根據(jù)現(xiàn)有的2G物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)特性類比分析，每種業(yè)務(wù)同時(shí)擁有上述4種行為中的幾種，本文也參考了國外運(yùn)營商 NB-IoT的采購模型。經(jīng)分析，NB-IoT控制面約為4G模型的1/10，轉(zhuǎn)發(fā)面流量更低，約為4G模型的萬分之一，因此建議核心網(wǎng)建設(shè)初期對(duì)NB-IoT的業(yè)務(wù)模型參考表4中的模型進(jìn)行初步估算。

以上參考模型針對(duì)活躍用戶而非發(fā)卡用戶，對(duì)于NB-IoT業(yè)務(wù)的附著激活比，參考設(shè)備廠商的設(shè)備配置方式，建議參考4G用戶的附著激活比。另外，針對(duì)NB-IoT海量連接的特性，除現(xiàn)有EPC核心網(wǎng)關(guān)注的模型參數(shù)外，還需確認(rèn)設(shè)備的連接能力是否成為瓶頸。

4 NB-IoT核心網(wǎng)組網(wǎng)方案

根據(jù)NB-IoT業(yè)務(wù)模型分析，NB-IoT用戶業(yè)

務(wù)模型指標(biāo)不到個(gè)人4G用戶的10%，若按現(xiàn)有EPC設(shè)備能力大致估算（假定設(shè)備支持的連接數(shù)量不是瓶頸的情況下），NB-IoT對(duì)核心網(wǎng)設(shè)備需求應(yīng)大致為現(xiàn)網(wǎng)EPC的10%。

表2 NB-IoT業(yè)務(wù)典型應(yīng)用預(yù)測(cè)

表3 4種行為模式的數(shù)據(jù)分組大小和通信頻率參考模型

表4 NB-IoT核心網(wǎng)參考的業(yè)務(wù)模型

NB-IoT核心網(wǎng)的建設(shè)方案有兩種。

（1）方案一：改造現(xiàn)網(wǎng) EPC核心網(wǎng)支持NB-IoT業(yè)務(wù)接入

方案一有兩種實(shí)施方式，方式一為改造部分EPC網(wǎng)元支持NB-IoT，負(fù)責(zé)全網(wǎng)/全省的NB-IoT業(yè)務(wù)接入，組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 改造部分EPC網(wǎng)元支持NB-IoT業(yè)務(wù)接入

根據(jù)業(yè)務(wù)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，NB-IoT核心網(wǎng)元需求量較少，可通過改造部分EPC網(wǎng)元全省集中負(fù)責(zé)NB-IoT業(yè)務(wù)，此方案需考慮對(duì)現(xiàn)網(wǎng)MME池、SGW的影響來確定MME、SGW的改造范圍，同時(shí)需結(jié)合業(yè)務(wù)運(yùn)營和業(yè)務(wù)管理平臺(tái)的設(shè)置情況考慮PGW的設(shè)置方式。

此方案的優(yōu)點(diǎn)為改造規(guī)模小，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)影響范圍小。缺點(diǎn)為可能需要調(diào)整省內(nèi)S1接口的傳輸電路，實(shí)現(xiàn)全省NB-IoT基站的接入；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相對(duì)復(fù)雜；不利于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)持續(xù)發(fā)展。

方式二為改造全部EPC網(wǎng)元支持NB-IoT，負(fù)責(zé)全網(wǎng)/全省的NB-IoT業(yè)務(wù)接入，組網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 改造全部EPC網(wǎng)元支持NB-IoT業(yè)務(wù)接入

此方案也需對(duì)MME、SGW及PGW的設(shè)置方式分別進(jìn)行探討，需結(jié)合業(yè)務(wù)運(yùn)營和業(yè)務(wù)管理平臺(tái)的設(shè)置情況考慮PGW的設(shè)置方式。

此方案的優(yōu)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有電路調(diào)整需求。缺點(diǎn)為所有網(wǎng)元的功能改造及NB-IoT的大規(guī)模發(fā)展，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)影響較大。

（2）方案二：新建獨(dú)立的NB-IoT核心網(wǎng)設(shè)備

方案二是新建獨(dú)立的 NB-IoT核心網(wǎng)設(shè)備滿足NB-IoT業(yè)務(wù)接入需求，組網(wǎng)架構(gòu)如圖4所示。

此方案新建NB-IoT核心網(wǎng)，基于C-SGN邏輯架構(gòu)或EPC架構(gòu)，新建NB-IoT核心網(wǎng)獨(dú)立設(shè)備，實(shí)現(xiàn)控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面功能；根據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)（如non-IP的實(shí)現(xiàn)方式是通過SCEF還是PGW）、業(yè)務(wù)發(fā)展和運(yùn)營需求，考慮是否建設(shè)SCEF。若現(xiàn)網(wǎng)有物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)HSS和SMSC設(shè)備，建議共用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)HSS和SMSC設(shè)備；若沒有，建議新建物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)HSS和SMSC設(shè)備。

圖4 新建NB-IoT核心網(wǎng)滿足NB-IoT業(yè)務(wù)接入

從標(biāo)準(zhǔn)化程度、廠商支持程度、建設(shè)工作量等維度對(duì)方案一和方案二進(jìn)行比較，見表5。

表5 NB-IoT核心網(wǎng)建設(shè)方案比較

考慮到NB-IoT業(yè)務(wù)發(fā)展的不確定性、對(duì)現(xiàn)網(wǎng)調(diào)整工作量以及對(duì)現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)的影響等因素，建議初期采用方案二新建獨(dú)立的 NB-IoT核心網(wǎng)進(jìn)行建設(shè)，后續(xù)根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展情況和核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)情況考慮是否與現(xiàn)網(wǎng)EPC融合組網(wǎng)。

考慮到以下因素。

· 建議網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的需求：只有基于NFV才能實(shí)現(xiàn)未來5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片等能力。

· 方便業(yè)務(wù)部署和靈活擴(kuò)容：目前并無NB-IoT的商用場(chǎng)景，其模型皆為預(yù)估，在NFV基礎(chǔ)上部署，方便靈活縮/擴(kuò)容，可彌補(bǔ)業(yè)務(wù)模型變化帶來的影響，同時(shí)方便相關(guān)功能的快速部署和升級(jí)等。

· NFV引入契機(jī)：NFV目前處在技術(shù)驗(yàn)證階段，應(yīng)盡快推動(dòng)NB-IoT EPC的NFV技術(shù)成熟，爭(zhēng)取在NB-IoT商用階段，同步采用NFV技術(shù)建設(shè)EPC核心網(wǎng)。

因此，建議采用NFV方式建設(shè)NB-IoT核心網(wǎng)設(shè)備，滿足未來網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的靈活部署等需求。

5 結(jié)束語

NB-IoT已被列為各運(yùn)營的重要業(yè)務(wù)戰(zhàn)略，2017年起，國內(nèi)三大運(yùn)營商將進(jìn)行大量試點(diǎn)及現(xiàn)網(wǎng)部署工作。為更好地確定網(wǎng)絡(luò)部署的建設(shè)方案和資源配置，從 NB-IoT的業(yè)務(wù)場(chǎng)景出發(fā)，對(duì)NB-IoT業(yè)務(wù)特性進(jìn)行分析，給出面向NB-IoT的核心網(wǎng)業(yè)務(wù)模型參數(shù)和組網(wǎng)方案，對(duì)后續(xù)NB-IoT核心網(wǎng)資源配置和規(guī)劃方案有重要指導(dǎo)意義。

[1] 3GPP. General packet radio service (GPRS) enhancements for evolved universal terrestrial radio access network (E-UTRAN) access (release 14): TS23.401 V14.0.0[S]. 2016.

[2] 3GPP. Study on architecture enhancements for cellular internet of things (release 13): TR23.720 V13.0.0[S]. 2016.

[3] 3GPP. Enhancements of dedicated core networks selection mechanism (release 14): TR23.711 V0.4.0[S]. 2016.

[4] 3GPP. Feasibility study on new services and markets technology enablers for massive internet of things (release 14): TR22.861 V1.0.0[S]. 2016.

王計(jì)艷（1978?），女，中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹诵木W(wǎng)、流量經(jīng)營、物聯(lián)網(wǎng)等。

王曉周（1982?），男，中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹诵木W(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)。

吳倩（1981?），女，中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹诵木W(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)。

朱黎黎（1985?），女，中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹诵木W(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)。

高賢謖（1988?），男，中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹诵木W(wǎng)。

盧云（1983?），男，中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闃I(yè)務(wù)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。

鄒銘明（1976?），女，中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹诵木W(wǎng)、時(shí)間同步網(wǎng)。

Core network service model and networking scheme oriented NB-IoT

WANG Jiyan, WANG Xiaozhou, WU Qian, ZHU Lili, GAO Xiansu, LU Yun, ZOU Mingming
China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China

It is a huge market space for narrowband-ineternet of things (NB-IoT), and NB-IoT is the focus of future development direction. The global telecommunications operators have begun to distributed actively. In order to better determine the network deployment of the construction program and resource allocation, from the business scene of NB-IoT, the NB-IoT service characteristics were analyzed, and the NB-IoT core network business model parameters and networking solutions were given, which was of great significance to the follow-up NB-IoT core network resource allocation and planning scheme.

LPWA, NB-IoT, eMTC, service characteristic, service model, networking scheme

TN915.81

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017083

2017?02?20；

2017?03?23