NB—IoT的核心網(wǎng)業(yè)務(wù)模型和組網(wǎng)方案探討

摘 要：NB-IoT俗稱窄帶物聯(lián)網(wǎng)，有廣闊的市場空間，是未來發(fā)展的主流方向。為了能更好地確定網(wǎng)絡(luò)部署的建設(shè)方案，合理配置資源，站在NB-IoT的業(yè)務(wù)場景角度分析窄帶物聯(lián)網(wǎng)的特性，給出面向NB-IoT的核心網(wǎng)業(yè)務(wù)模型以及組網(wǎng)方案，能指導(dǎo)后續(xù)的核心網(wǎng)資源配置和未來規(guī)劃方案。

關(guān)鍵詞：NB-IoT；核心網(wǎng)；業(yè)務(wù)模型；組網(wǎng)方案

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）24-0296-02

1 引 言

相較于個人通訊業(yè)務(wù)的單調(diào)性，物聯(lián)網(wǎng)具有種類多，應(yīng)用廣泛，發(fā)展空間大等特性。有人對未來的IoT業(yè)務(wù)進行預(yù)測，全球?qū)⒂?020年產(chǎn)生500億個物聯(lián)網(wǎng)接口，其中一半以上的連接來自于低能耗廣域市場，遠遠大于中高速率連接市場的規(guī)模。低能耗廣域簡稱LPWA，是大連接類業(yè)務(wù)的統(tǒng)稱，有成本低，覆蓋廣，功耗低等特點。LPWA包含了大量設(shè)備的接入、低速率小數(shù)據(jù)的分組、模組低成本、低功耗，覆蓋廣，能接受一定范圍內(nèi)的通訊時延等主要業(yè)務(wù)特性。NB-IoT作為其中的一種，包含其主要業(yè)務(wù)特性，多個國家的運營商都看到了其重要性，表示重點發(fā)展窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并積極展開各項技術(shù)工作。

2 NB-IoT對核心網(wǎng)的要求

2.1 面向NB-IoT的核心網(wǎng)標準發(fā)展情況

舊版本中關(guān)于面向窄帶物聯(lián)網(wǎng)的核心網(wǎng)架構(gòu)的核心部分已經(jīng)凍結(jié)了，新版中正在優(yōu)化增強架構(gòu)及業(yè)務(wù)流程，包括授權(quán)用戶覆蓋等方便，目前已基本確定，NB-IoT核心網(wǎng)的必選方案、eMTC的可選方案為基于控制面優(yōu)化的小分組傳送增強方案，而核心網(wǎng)的可選方案為基于用戶面優(yōu)化的小分組傳送增強方案。

2.2 面向NB-IoT的核心網(wǎng)架構(gòu)

對于NB-IoT龐大的設(shè)備訪問、低速率的小數(shù)據(jù)包、超低功耗和廣泛覆蓋，如果使用現(xiàn)有的EPC核心網(wǎng)絡(luò)來承載NB-IoT服務(wù)，將會出現(xiàn)以下問題。

（1）控制表面效率低下

互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)大多是小數(shù)據(jù)包，速率很低，但是大量的設(shè)備訪問會引起很多粘連，如業(yè)務(wù)請求、TAU，這將導(dǎo)致控制效率和資源使用效率低，以及系統(tǒng)性過載風險。

（2）EPC大規(guī)模功能冗余

NB-IoT服務(wù)通信行為是單一的，大部分是純報告數(shù)據(jù)，或伴隨少量下行數(shù)據(jù)，用戶仍然或限制移動，因此有必要簡化EPC移動管理、會話管理、分頁等相關(guān)功能。

（3）造成終端耗電過多

現(xiàn)有的LTE/EPC和終端信號交互過程繁瑣，IoT終端對長期耐久性能有相互矛盾的要求。例如，當小數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)傳輸和間隔時，網(wǎng)絡(luò)需要建立連接并釋放連接，從而產(chǎn)生大量的上下文傳輸相關(guān)的信令，不利于終端的節(jié)能。

（4）不支持非ip數(shù)據(jù)類型

非ip用戶數(shù)據(jù)通常用于大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)。在未來，NB-IoT服務(wù)應(yīng)用程序也將具有非ip用戶數(shù)據(jù)需求，這是現(xiàn)有EPCs不支持的。

（5）IP分組頭壓縮效率低

由于不頻繁的小分組數(shù)據(jù)傳輸和移動性，eNB和UE中的預(yù)留報頭壓縮上下文可能被重置，這將導(dǎo)致用于數(shù)據(jù)分組的全部報頭開銷。

（6）對SMS的支持需要優(yōu)化。

SGs支持現(xiàn)有4G用戶SMS，無法避免連接附件，NB-IoT終端不需要連接。

為了解決上述問題，3GPP對NB-IoT的EPC核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行了優(yōu)化。優(yōu)化后的架構(gòu)圖如圖1所示。

NB-IoT核心網(wǎng)絡(luò)使用簡化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分別優(yōu)化原始EPCMME、SGW和PGW中NB-IoT所需的功能，形成新的網(wǎng)絡(luò)元素。EPC原有的S11、S5/S8接口全部更改。網(wǎng)絡(luò)元素在內(nèi)部交互，可以重用生成的NAS來建立安全連接，從而提高整體效率。優(yōu)化后的核心網(wǎng)絡(luò)和無線采用新的S1-lite接口，基于原EPCS1-C優(yōu)化。對于高效的小數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)傳輸處理，S1-lite只保留S1-C中必要的相關(guān)性。該函數(shù)支持在NASPDU中封裝用戶數(shù)據(jù)，并通過無線端通過S1-lite傳遞給C-SGN。無線端運行需要支持S1-lite接口，終端也需要有處理S1-lite協(xié)議等相關(guān)進程的能力。C-SGN具有現(xiàn)有EPC的一些功能，并在幾個領(lǐng)域得到增強：基于控制平面的小數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化；基于用戶平面的小數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化；只需要高效的小數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)傳輸安全流程；支持NB-IoT用戶，不附帶SMS短信發(fā)送；增強分頁以增強覆蓋率；非ip用戶數(shù)據(jù)支持兩種情況，分別是SGi隧道或SCEF；支持不附加默認PDN連接。根據(jù)對現(xiàn)有電信設(shè)備廠家的調(diào)查，各廠家的設(shè)備沒有采用3GPP的C-SGN架構(gòu)，現(xiàn)有的EPC設(shè)備架構(gòu)仍基本采用。上述NB-iot功能增強是在EPC設(shè)備的基礎(chǔ)上進行的，以滿足NB-IoT的業(yè)務(wù)功能需求。

3 NB-IoT核心網(wǎng)業(yè)務(wù)模型分析

根據(jù)GSMA，NB應(yīng)用場景被分類，NB-IoT服務(wù)可以分為七個類別，21個子類別。先后按各種業(yè)務(wù)的順序分為A，B，C，D，E，共5類，其中A類優(yōu)先發(fā)展需要，如上述A類業(yè)務(wù)包括智能檢測（燃氣，水表等），智能停車傳感器，工業(yè)資產(chǎn)跟蹤，集裝箱跟蹤等。NB-IoT服務(wù)在一個小區(qū)域內(nèi)基本上是靜態(tài)的，網(wǎng)絡(luò)帶寬需求小于100kbit/s。對于這些業(yè)務(wù)的消息量和通信頻率，3GPP給出了四種行為模式，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，通過對現(xiàn)有2G物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特征的分析，每個服務(wù)都具有上述四種行為中的幾種。本文還介紹了國外運營商NB-IoT的采購模式。經(jīng)分析，NB-IoT控制面約為4G模式的1/10，轉(zhuǎn)發(fā)面流量較低，約為4G模式的1/10000。模型最初是估計的。上面的引用模型是針對活動用戶而不是發(fā)卡用戶的。NB-IoT服務(wù)的連接激活率參照設(shè)備制造商的設(shè)備配置模式。建議參考4G用戶的附件激活率。此外，對于NB-IoT質(zhì)量連接的特點，除了現(xiàn)有EPC核心網(wǎng)絡(luò)的模型參數(shù)外，還需要確認設(shè)備的連接能力是否成為瓶頸。

4 NB-IoT核心網(wǎng)絡(luò)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)模型指數(shù)小于個人4g用戶的10%，如果根據(jù)現(xiàn)有的EPC設(shè)備能力估計大致連接數(shù)（假設(shè)設(shè)備支持條件下）NB-核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需求的IoT現(xiàn)在大約應(yīng)該是EPC網(wǎng)絡(luò)的10%。有兩種方法可以構(gòu)建NB-IoT核心網(wǎng)絡(luò)。

（1）方案1：轉(zhuǎn)換當前網(wǎng)絡(luò)的EPC核心網(wǎng)絡(luò)支持

有兩種方法可以實現(xiàn)NB-IoT業(yè)務(wù)訪問方案。一是改造部分EPC網(wǎng)元支持NB-IoT，負責整個網(wǎng)絡(luò)/全省的NB-IoT業(yè)務(wù)接入，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)商業(yè)模式預(yù)測NB-IoT核心網(wǎng)需求較少，可以通過改造部分EPC網(wǎng)元省負責NB-IoT業(yè)務(wù)，此計劃應(yīng)考慮用于當前網(wǎng)絡(luò)MME池，SGW的影響力確定MME的范圍，SGW修改，同時應(yīng)結(jié)合業(yè)務(wù)運營管理平臺在設(shè)置中考慮PGW設(shè)置模式。該方案的優(yōu)點是轉(zhuǎn)型規(guī)模小，對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的影響范圍小。缺點是可能需要調(diào)整省內(nèi)S1接口的傳輸電路，以實現(xiàn)全省NB-IoT基站的接入。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相對復(fù)雜；這不利于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的可持續(xù)發(fā)展。

第二種方式是將所有EPC網(wǎng)元轉(zhuǎn)換為支持NB-IoT，并負責整個網(wǎng)絡(luò)/全省的NB-IoT業(yè)務(wù)訪問，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該方案還需要分別討論MME，SGW和PGW的設(shè)置模式，并根據(jù)業(yè)務(wù)運營和業(yè)務(wù)管理平臺的設(shè)置條件考慮PGW的設(shè)置方式。該方案的優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡單，不需要電路調(diào)整。缺點是所有網(wǎng)元的功能轉(zhuǎn)換和NB-IoT的大規(guī)模開發(fā)，這對當前的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)有很大的影響。

（2）方案2：新的獨立NB-IoT核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備方案2是建立新的獨立NB-IoT核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以滿足NB-IoT業(yè)務(wù)接入要求。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。在該方案中，構(gòu)建了一個新的NB-IoT核心網(wǎng)絡(luò)。基于c-sgn邏輯架構(gòu)或EPC架構(gòu)，構(gòu)建了一種新的NB-IoT核心網(wǎng)獨立設(shè)備，實現(xiàn)了控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面的功能?？紤]是否基于技術(shù)實現(xiàn)（例如通過SCEF或PGW實現(xiàn)非IP），業(yè)務(wù)開發(fā)和運營要求來構(gòu)建SCEF。如果物聯(lián)網(wǎng)（IoT）特殊網(wǎng)絡(luò)中有HSS和SMSC設(shè)備，建議共享現(xiàn)有的IoTHSS和SMSC設(shè)備。如果沒有，建議為物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建HSS和SMSC設(shè)備。計劃1和計劃2之間的比較是從標準化，供應(yīng)商支持和施工工作量等方面進行的?？紤]到NB-IoT業(yè)務(wù)發(fā)展的不確定性，當前的網(wǎng)絡(luò)調(diào)整工作以及當前網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的影響等因素，提出早期方案兩個獨立的新的NB-IoT核心網(wǎng)建設(shè)，根據(jù)核心網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展和演變進行跟蹤，正在考慮是否與當前的網(wǎng)絡(luò)EPC網(wǎng)絡(luò)融合?？紤]以下因素。

①提出的網(wǎng)絡(luò)演進要求：只有基于NFV才能實現(xiàn)未來的5G核心網(wǎng)段。

②方便的業(yè)務(wù)部署和靈活的容量：目前，沒有NB-IoT商業(yè)場景，模型估計，在NFV部署的基礎(chǔ)上，方便靈活的擴展和收縮，可以彌補業(yè)務(wù)模式變化的影響，同時方便相關(guān)功能快速部署和升級等。

③NFV引入機會：NFV目前處于技術(shù)驗證階段，盡快推廣NB-IoTEPC的NFV技術(shù)，在NB-IoT商業(yè)階段與NFV技術(shù)同步構(gòu)建EPC核心網(wǎng)絡(luò)。因此，建議NFV公司建設(shè)NB-IoT核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以滿足未來網(wǎng)絡(luò)演進和IoT服務(wù)靈活部署的需要。

5 結(jié)束語

自2017年以來，NB-IoT已被列為所有運營的重要業(yè)務(wù)戰(zhàn)略，而國內(nèi)三大運營商將進行大量試點項目并部署現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。為了更好地確定網(wǎng)絡(luò)部署和資源分配的構(gòu)建方案，從NB-IoT的業(yè)務(wù)場景出發(fā)，分析NB-IoT業(yè)務(wù)特征，面向NB-IoT的核心網(wǎng)業(yè)務(wù)模型參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)方案，為后續(xù)的NB-IoT核心網(wǎng)對資源配置和規(guī)劃具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻

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收稿日期：2018-7-13