王計艷,周維
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蜂窩物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)部署及業(yè)務(wù)實現(xiàn)方案
王計艷,周維
(中國移動通信集團設(shè)計院有限公司,北京 100080)
分析了蜂窩物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選擇、功能特性,并根據(jù)網(wǎng)元特性對網(wǎng)元進行分類,確定網(wǎng)元部署原則;基于NB與eMTC的技術(shù)特性,重點分析了接入網(wǎng)元(MME和SGW)的部署方案,提出4種部署方案進行比較。此外,還對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、短信業(yè)務(wù)及語音業(yè)務(wù)的實現(xiàn)方案進行分析。經(jīng)過多方案比較分析,對于MME和SGW,建議采用升級改造現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備同時在部分省份新建NFV設(shè)備的方式進行建設(shè)。
蜂窩物聯(lián)網(wǎng);NB;eMTC;部署方案;業(yè)務(wù)實現(xiàn)
蜂窩物聯(lián)網(wǎng)(cell-IoT,C-IoT)通常指基于蜂窩的物聯(lián)網(wǎng),廣義上來講包括所有基于移動蜂窩接入的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),包括2G/3G/4G物聯(lián)網(wǎng)、NB-IoT(narrow band internet of things,窄帶物聯(lián)網(wǎng))和eMTC(LTE enhanced machine-to-machine),其中2G/3G/4G物聯(lián)網(wǎng)已有較為廣泛的應(yīng)用,核心網(wǎng)的部署方案也已成熟。NB-IoT和eMTC是近年來新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),本文重點分析基于NB-IoT和eMTC的核心網(wǎng)部署和業(yè)務(wù)實現(xiàn)方案。
本文所述的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)包括NB-IoT和eMTC兩種技術(shù),根據(jù)參考文獻[1-3],其核心網(wǎng)架構(gòu)與4G EPC相同,均涉及移動管理實體(MME)、服務(wù)網(wǎng)關(guān)(SGW)、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(PGW)、歸屬簽約用戶服務(wù)器(HSS)、策略及計費控制單元(PCRF/SPR)等功能單元,網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。
3GPP定義了R13給出的簡化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),將原EPC的MME、SGW、PGW中的IoT所需的功能單獨組合成為1個新的網(wǎng)元,即C-SGN,EPC原有的S11、S5/S8等接口全部變成網(wǎng)元內(nèi)部交互,但從廠商實現(xiàn)上看,目前均采用現(xiàn)有4G EPC架構(gòu)。
相對于4G EPC,為實現(xiàn)控制面數(shù)據(jù)傳輸,蜂窩物聯(lián)網(wǎng)對S1、接口和S11接口進行了增強,同時S5、S6a等接口有少量信元變化。
NB-IoT是為了更好地滿足LPWA(low-power wide-area,低功耗廣域)業(yè)務(wù)所需的廣覆蓋、低功耗要求而全新定義的LTE系統(tǒng),而eMTC是在大網(wǎng)LTE基礎(chǔ)上,新增的廣覆蓋、低功耗的功能合集。
在新增功能方面,相對于現(xiàn)網(wǎng)核心網(wǎng),NB-IoT新增功能涉及接入類型、數(shù)據(jù)傳輸、功耗優(yōu)化、協(xié)議優(yōu)化、業(yè)務(wù)能力、計費6個方面,eMTC新增功能涉及功耗優(yōu)化、協(xié)議優(yōu)化、業(yè)務(wù)能力3個方面,NB-IoT新增功能完全包含eMTC新增功能。
圖1 EPC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(SGW與PGW分設(shè))
圖2 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)核心網(wǎng)網(wǎng)元分類
物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)核心網(wǎng)網(wǎng)元分類如圖2所示。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)核心網(wǎng)元部署需考慮以下因素。
? 向上(面向業(yè)務(wù)應(yīng)用和管理運營):應(yīng)支持物聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一號碼管理、業(yè)務(wù)控制、運營管理和支撐管理的要求,應(yīng)包容技術(shù)制式的差異影響。
? 向下(面向終端和無線側(cè)接入):基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)管道應(yīng)充分適應(yīng)各類無線基站的接入需要,應(yīng)有效支撐不同技術(shù)制式本身以及制式之間對移動性管理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的需求。
根據(jù)以上考慮,作為業(yè)務(wù)疏通管道層的核心網(wǎng)設(shè)備,其部署可劃分為以下兩部分考慮。
(1)HSS、PGW、PCRF/SPR
HSS、PGW、PCRF/SPR為業(yè)務(wù)控制運營相關(guān)網(wǎng)元,負責(zé)用戶開通、策略控制、個性化路由和計費?,F(xiàn)網(wǎng)已采用“專屬網(wǎng)絡(luò)、集中設(shè)置”的形勢部署了物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)M-HLR/HSS、M-GGSN/PGW、M-PCRF、M-SMSC等,滿足2G/3G/4G物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展和集中運營的需求。
考慮到蜂窩物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)去屬地化特征以及“一點發(fā)卡、全網(wǎng)服務(wù)”的特征以及蜂窩物聯(lián)網(wǎng)將與現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)共用專網(wǎng)碼號、業(yè)務(wù)路由和管理方式的需求,為支撐2G/3G/4G及蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一發(fā)展、運營,同時考慮現(xiàn)有用戶業(yè)務(wù)繼承、路由、策略一致性需求,HSS、PGW、PCRF/SPR適合集中設(shè)置,可與2G/3G/4G物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)網(wǎng)元融合部署。
(2)MME、SGW
MME、SGW為與接入和基本管道功能相關(guān)的網(wǎng)元,負責(zé)基站接入、用戶移動性管理和通用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。為充分共用基站接入等網(wǎng)絡(luò)資源,保持穩(wěn)定,目前服務(wù)于2G/3G/4G物聯(lián)網(wǎng)用戶移動管理的SGSN/MME和通用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的SGW,采用與2G/3G/4G大網(wǎng)共用的方式。
考慮到MME、SGW需與海量NB-IoT、eMTC基站連接,全網(wǎng)或大區(qū)集中設(shè)置不僅流程復(fù)雜、維護管理難度大,而且需新建省際三層PTN(packet transport network,分組傳送網(wǎng)),因此建議蜂窩物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)MME、SGW應(yīng)分省設(shè)置。
蜂窩物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)HSS、PGW、PCRF/SPR適合與2G/3G/4G物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)核心網(wǎng)網(wǎng)元融合集中部署,本文主要討論MME和SGW的部署方案。
蜂窩物聯(lián)網(wǎng)包括NB-IoT和eMTC兩種技術(shù)。
(1)從業(yè)務(wù)應(yīng)用角度分析
根據(jù)參考文獻[4-6],NB-IoT為降低終端功耗和節(jié)省終端成本,數(shù)據(jù)傳輸極簡,通過控制面?zhèn)鬏數(shù)皖l次、低流量的數(shù)據(jù)分組,適用于時延不敏感、10 s或分鐘級、移動速率極低的純物終端及應(yīng)用,不涉及“人”的領(lǐng)域,終端與人需通過“業(yè)務(wù)平臺”間接交互,因此NB-IoT核心網(wǎng)MME、SGW與大網(wǎng)可分可合。
eMTC天然支持通過用戶面實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸以及語音業(yè)務(wù)和切換等高移動性,適用于智能穿戴等存在人物共用、人物交互的場景。同時,未來還存在服務(wù)個人的終端通過支持eMTC,實現(xiàn)功耗優(yōu)化、協(xié)議優(yōu)化等提升個人終端覆蓋和節(jié)能省電的可能。另外,若獨立設(shè)置MME、SGW,eMTC終端在無eMTC信號或者eMTC信號弱,但有大網(wǎng)無線信號時,會通過大網(wǎng)無線網(wǎng)接入大網(wǎng)MME、SGW,出現(xiàn)獨立核心網(wǎng)和公網(wǎng)切換等互操作,影響用戶感知;且eMTC終端使用VoLTE業(yè)務(wù)時,將CMNet承載獨立設(shè)置的SGW與大網(wǎng)PGW間IMS APN,VoLTE語音質(zhì)量無保障。綜上所述,由于eMTC適用于具有“人味”的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,未來存在服務(wù)個人終端的可能,且獨立設(shè)置MME、SGW對業(yè)務(wù)有影響,因此eMTC核心網(wǎng)MME、SGW宜與大網(wǎng)合設(shè)。
(2)從網(wǎng)絡(luò)功能角度分析
NB-IoT采用獨立的RAT-type、cell、TA,從無線網(wǎng)開始就可實現(xiàn)與服務(wù)于人的LTE邏輯上獨立。另外NB-IoT核心網(wǎng)相對大網(wǎng)新增了接入類型、數(shù)據(jù)傳輸、功耗優(yōu)化、協(xié)議優(yōu)化、業(yè)務(wù)能力、計費6個方面的功能,且對大網(wǎng)功能進行了裁剪,僅與大網(wǎng)共用部分功能。因此NB-IoT核心網(wǎng)MME、SGW與大網(wǎng)可以分設(shè),也可以合設(shè)。
eMTC是LTE的增強功能(相對大網(wǎng)新增功耗優(yōu)化、協(xié)議優(yōu)化、業(yè)務(wù)能力3個方面功能),未對大網(wǎng)功能進行裁剪,可共用大網(wǎng)全部功能,因此eMTC是LTE的一部分,從無線到核心網(wǎng),天然與大網(wǎng)融合。
若eMTC核心網(wǎng)MME與大網(wǎng)核心網(wǎng)MME分設(shè),目前僅有DéCOR和eDECOR兩種技術(shù),但兩種技術(shù)均不成熟,且對網(wǎng)絡(luò)影響較大。
? DéCOR:eMTC基站首先將用戶發(fā)送的NAS(非接入)消息發(fā)給大網(wǎng)MME,大網(wǎng)MME需要根據(jù)本地配置判斷是否允許該終端在本地注冊,如果不允許,則大網(wǎng)MME向eMTC基站發(fā)送重定向消息,eMTC基站根據(jù)重定向消息中的內(nèi)容為終端選擇獨立設(shè)置的MME。該方案需要大網(wǎng)MME和eMTC的eNB新增Reroute(重路由)等功能,而且大幅增加大網(wǎng)MME與eMTC基站間信令,對大網(wǎng)MME影響較大。
? eDECOR:相對DéCOR進行了優(yōu)化,可大幅減少大網(wǎng)MME與eMTC基站間信令,但需大網(wǎng)核心網(wǎng)、無線網(wǎng)以及終端支持,且該功能尚未標(biāo)準(zhǔn)化,無法滿足年底商用的需求。另外,eDECOR無法實現(xiàn)國際漫游入eMTC終端選擇至獨立MME。
eMTC核心網(wǎng)SGW與大網(wǎng)核心網(wǎng)SGW,需要現(xiàn)網(wǎng)DNS針對相同TA配置不同的解析數(shù)據(jù)組,當(dāng)獨立MME查詢時,返回獨立SGW,大網(wǎng)MME查詢時,返回大網(wǎng)SGW,數(shù)據(jù)配置和網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)雜、工作量大。
綜上所述,eMTC核心網(wǎng)MME、SGW宜與大網(wǎng)合設(shè)。
根據(jù)對蜂窩物聯(lián)網(wǎng)MME和SGW設(shè)置方式的分析,考慮到NB-IoT核心網(wǎng)MME、SGW與大網(wǎng)可分可合,eMTC核心網(wǎng)MME、SGW宜與大網(wǎng)融合的情況,MME、SGW有4種建設(shè)方案。
4.2.1 方案一:新建傳統(tǒng)平臺設(shè)備獨立組網(wǎng)
以省為單位,采用傳統(tǒng)平臺,集中、新建MME和SGW(不配置CG),僅接入NB-IoT基站??紤]業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)安全,同時為加快建設(shè)進度,每省新建兩套MME和兩套SGW,并均采用pool組網(wǎng)方式。同類新建設(shè)備設(shè)置在具備不同市電引入和傳輸?shù)漠惥种罚瑵M足容災(zāi)要求。方案一如圖3所示。
4.2.2 方案二:新建軟硬解耦虛擬化設(shè)備獨立組網(wǎng)
以省為單位,基于三層架構(gòu)軟硬解耦方式,集中、獨立新建vMME和vSGW,接入省內(nèi)NB-IoT基站。
? 硬件基礎(chǔ)設(shè)施:以省為單位在2個局址部署兩個資源池,兩個局址資源池具備不同市電引入和傳輸?shù)漠惥种?,部署x86服務(wù)器、存儲、交換機內(nèi)網(wǎng)防火墻等設(shè)備。
? 軟件:包括虛擬層、VNF(MME和SGW,不含CG)、EMS、MANO等。
考慮業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)安全,新建的兩套vMME和兩套vSGW,并均采用pool組網(wǎng)方式。方案二如圖4所示。
圖3 MME、SGW部署方案一
圖4 MME、SGW部署方案二
4.2.3 方案三:升級改造現(xiàn)網(wǎng)融合組網(wǎng)
以省內(nèi)業(yè)務(wù)區(qū)為單位,升級改造現(xiàn)網(wǎng)部分MME和SGW支持蜂窩物聯(lián)網(wǎng),升級改造的MME和SGW同時接入2G/3G/4G和NB-IoT基站,未升級改造的MME和SGW接入2G/3G/4G基站。
考慮容災(zāi)備份,以核心網(wǎng)業(yè)務(wù)區(qū)為單位,每個業(yè)務(wù)區(qū)原則上升級改造現(xiàn)網(wǎng)兩套MME和兩套SGW,接入本業(yè)務(wù)區(qū)全部NB-IoT基站?;贜B-IoT新RAT type和獨立的TA,通過數(shù)據(jù)配置實現(xiàn)NB-IoT基站僅選擇升級改造的MME和SGW。
考慮到一個業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)存在多個MME pool和多個SAE-GW pool的情況,升級改造的MME和SGW的選擇有以下兩種方式。
? 方式一:選擇一個MME pool內(nèi)的兩個MME和一個SAE-GW pool內(nèi)的兩個SGW進行升級改造。
? 方式二:選擇兩個MME pool內(nèi)的各一個MME和兩個SAE-GW pool內(nèi)的各一個SGW進行升級改造。
為保障網(wǎng)絡(luò)安全,便于支持蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的MME和SGW組pool,建議采用方式一,并優(yōu)先選擇平臺新、負荷低、對蜂窩物聯(lián)網(wǎng)支持較好的現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備進行升級改造。根據(jù)目前情況,華為技術(shù)有限公司、中興通訊股份有限公司、愛立信公司設(shè)備對現(xiàn)網(wǎng)MME和SGW支持情況相對較好,諾基亞公司設(shè)備的支持情況相對較差。
4.2.4 方案四:升級改造現(xiàn)網(wǎng)融合組網(wǎng),部分省同步新建虛擬化vMME和vSGW
在方案三基礎(chǔ)上,為推動核心網(wǎng)NFV演進,在部分有NFV運營經(jīng)驗的省份新建vMME和vSGW:包括x86服務(wù)器、存儲、交換機內(nèi)網(wǎng)防火墻等硬件資源池和虛擬層、VNF(MME和SGW,不含CG)、EMS、MANO等軟件。方案四如圖5所示。
新建vMME和vSGW組網(wǎng)方式有以下兩種。
? 方式一:vMME和vSGW獨立組pool,接入省內(nèi)部分NB-IoT基站。
? 方式二:vMME和vSGW分別與升級改造支持蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)網(wǎng)MME、SGW融合組pool,共同接入本省/業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)NB-IoT基站。
為便于工程實施、數(shù)據(jù)配置和維護管理,建議采用方式一。
4.2.5 方案比較及建議
考慮年底商用進度需求,結(jié)合eMTC的MME、SGW宜與省網(wǎng)融合設(shè)置的情況,同時為推動NFV成熟,建議初期建設(shè)時采用方案四。4種方案比較具體見表1。
圖5 MME、SGW部署方案四
表1 MME、SGW建設(shè)方案比較
蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)有兩種實現(xiàn)方案:CP優(yōu)化方案和UP優(yōu)化方案。
(1)CP優(yōu)化方案:基于控制面優(yōu)化的增強方案(data over NAS)
用戶數(shù)據(jù)僅通過原控制面的NAS PDU打包進行傳遞,無需建立S1-U;UE側(cè)需要支持方案相關(guān)處理流程,MME、SGW需要相應(yīng)的功能改造;對HSS、PGW 等網(wǎng)元無影響。在NB-IoT接入時,CP優(yōu)化為必選。
(2)UP優(yōu)化方案:基于用戶面優(yōu)化的增強方案(RRC suspend and resume)
用戶數(shù)據(jù)仍通過S1-U進行傳遞;針對低頻發(fā)小分組傳送,增加新的用戶協(xié)議狀態(tài)RRC suspend,在用戶、eNB、C-SGN中均保留原有PDN連接的上下文信息。在eMTC接入時,UP優(yōu)化為必選。
圖6 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)疏通方式
數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)疏通方式如圖6所示。
數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可采用兩種數(shù)據(jù)分組方式:IP或者non-IP,non-IP是為應(yīng)對蜂窩物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)分組頻率低、字節(jié)小而產(chǎn)生的,對于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)分組來說,UDP/IP傳輸層協(xié)議棧的占用字節(jié)(IPv4:28 byte;IPv6:48 byte)占的數(shù)據(jù)報文比例很高,尤其是在有效負荷?。ㄈ?0 byte)的情況下,報文頭甚至超過了數(shù)據(jù),所以在這種情況下終端傳輸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。
蜂窩物聯(lián)網(wǎng)短信業(yè)務(wù)有以下兩種實現(xiàn)方式,如圖7所示。
圖7 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)短信業(yè)務(wù)實現(xiàn)方式
(1)方案一:采用MME與SGs MSC(提供CSFB業(yè)務(wù))間SGs接口方式
方案一實現(xiàn)簡單(如果為減少終端功能,由MME代理短信,MME需增加功能),但需占用MSC/VLR能力,隨著VoLTE和C-IoT終端數(shù)量增長迅猛,將會出現(xiàn)VLR容量不足的情況,需要擴容。
(2)方案二:采用MME與SMSC間的SGd接口方式
方案二需要現(xiàn)網(wǎng)MME新增與物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)M-SMSC間的SGd接口,若目前不支持SGd接口,則需要M-SMSC升級改造和聯(lián)網(wǎng)調(diào)測。
目前3GPP規(guī)范并未在NB-IoT中要求具有語音功能,對于eMTC來說,若開通語音業(yè)務(wù),有以下兩種方式。
? 方式一:采用CSFB語音,需要通過SGs接口回落到CS域疏通,具體方式與人網(wǎng)方式相同。
? 方式二:采用VoLTE語音,則有兩種方式。一種采用與人網(wǎng)相同的方式,即為eMTC的VoLTE建立專用承載,通過EPC網(wǎng)絡(luò)接入,通過大網(wǎng)IMS網(wǎng)絡(luò)控制實現(xiàn)VoLTE語音;另一種為eMTC的VoLTE建立專用承載,通過EPC網(wǎng)絡(luò)接入,通過政企專網(wǎng)IMS網(wǎng)絡(luò)控制實現(xiàn)VoLTE語音。
本文針對NB與eMTC的技術(shù)特性,分析了核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),并重點分析了核心網(wǎng)網(wǎng)元的部署原則,針對網(wǎng)元的不同特性將網(wǎng)元分為面向業(yè)務(wù)應(yīng)用和管理運營的網(wǎng)元,如HSS、PGW、PCRF、SPR和面向終端和無線側(cè)接入的網(wǎng)元,如MME、SGW,提出面向業(yè)務(wù)應(yīng)用和管理運營的網(wǎng)元適宜集中設(shè)置,面向終端和無線側(cè)接入的網(wǎng)元適宜分省設(shè)置。通過對分省設(shè)置的網(wǎng)元部署方案的比較,提出采用升級改造現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備的同時在部分省份新建NFV設(shè)備的方式進行建設(shè)。最后對蜂窩物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、短信、語音業(yè)務(wù)的實現(xiàn)方案進行論述。
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Deployment and service implementation of C-IoT core network
WANG Jiyan, ZHOU Wei
China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China
The C-IoT core network architecture, function and characteristics were analyzed.According to the classification of network element characteristics, the network deployment principle was determined.Based on technical characteristics of NB and eMTC, the access network elements (MME and SGW) deployment plan were analyzed, 4 kinds of deployment plans were compared. In addition, the implementation of C-IoT data service, short message service and voice service was analyzed. Through the comparison and analysis of multiple schemes, for MME and SGW, it is recommended to upgrade and reform existing network equipment and build a new NFV equipment in some special provinces.
C-IoT, NB, eMTC, deployment scheme, service implementation
TN915.02
A
10.11959/j.issn.1000?0801.2018192
王計艷(1978?),女,中國移動通信集團設(shè)計院有限公司高級工程師,主要研究方向為核心網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、流量經(jīng)營。
周維(1976?),男,中國移動通信集團設(shè)計院有限公司高級工程師,主要研究方向為核心網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)。
2018?04?05;
2018?06?03