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(wǎng)網(wǎng)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(xié)議與 LPWAN 網(wǎng)絡底層通信協(xié)議整合的方案，并發(fā)布了一系列相關(guān)草案，其中最重要的是提出靜態(tài)上下文報頭壓縮[1]。靜態(tài)上下文報頭壓縮是通信雙方預先定義壓縮解壓規(guī)則，通過發(fā)送壓縮規(guī)則標識號及壓縮剩余字節(jié)以代替發(fā)送數(shù)據(jù)包報頭的一種報頭壓縮機制[2]。

1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng))標準立項，2016年6月NB-IoT 標準協(xié)議核心部分宣告完成，并正式公布基于Release 13 規(guī)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(yōu)勢，并且滿足非實時敏感的低速業(yè)務需求[4]，NB-IoT 的上述優(yōu)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(yōu)勢：

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

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

（3）大連接：對于單個200kHz 的服務小區(qū)，NB-IoT 可以容納10 萬個UE(User Equipment)的連接，承載能力是現(xiàn)有網(wǎng)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(nèi)，甚至更低[9]。

NB-IoT 網(wǎng)絡架構(gòu)由用戶終端（User Equipment,UE）、基站(eNodeB,eNB)、演進的核心系統(tǒng)(Evolved Packet Core,EPC)組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：NB-IoT 網(wǎng)絡架構(gòu)

圖2：用戶平面上的數(shù)據(jù)架構(gòu)

圖3：控制平面上的數(shù)據(jù)架構(gòu)

EPC 是窄帶物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡架構(gòu)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(jié)點和各個接口。下面將對EPC 核心網(wǎng)元的功能進行介紹：

需要注意的是，最后產(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)轷｛u，而酰鹵的a-H具有較高的活性，從而發(fā)生互變異構(gòu)進而發(fā)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(tǒng)的安全性、跟蹤區(qū)域列表的管理、信息漫游等功能。

（2）S-GW(Service Gateway,服務網(wǎng)關(guān))：處理接收的數(shù)據(jù)進行，監(jiān)聽用戶，對打包的數(shù)據(jù)進行路由轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）P-GW(Packet Gateway,分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān))：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?shù)臉擞浀裙δ躘10]。

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

（5）SCEF（Service Cability Exposure Function,服務能力開發(fā)單元）：負責支持新的 PDN 類型為非 IP 數(shù)據(jù)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(xié)議棧

NB-IoT 空口協(xié)議棧概括性得稱為“三層兩面”，“三層”分別是物理層（L1 層）、數(shù)據(jù)鏈路層（L2 層）、網(wǎng)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(yè)務數(shù)據(jù)，協(xié)議棧如圖2所示。

用戶平面協(xié)議棧只包含2 層，即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，其中數(shù)據(jù)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(xiàn)用戶數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的分段、級聯(lián)等功能。MAC 層在數(shù)據(jù)鏈路層與物理層之間，其位置十分關(guān)鍵，而且是整個數(shù)據(jù)鏈路層的核心，在很大程度上會影響產(chǎn)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(yōu)先級等。物理層負責實現(xiàn)編解碼、調(diào)制解調(diào)、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(shù)據(jù)，協(xié)議棧如圖3所示。

3 IP數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)囊徊糠?。接入層是負責傳輸?shù)墓δ軐?，通過無線連接傳輸數(shù)據(jù)并管理無線資源。用戶平面的接入層主要有保證傳輸?shù)陌踩?、分片和重組等功能。在實際的傳輸過程中，需要根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的大小、所需要的能量以及噪聲的干擾等因素來進行優(yōu)化。其優(yōu)化的方法通常通過使用不同的調(diào)制和編碼方式來實現(xiàn)。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(diào)制和編碼方式和可發(fā)送的大小。

3.1.1 SCHC 實體的放置

在當前的架構(gòu)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(shù)據(jù)包的大小超過了傳輸塊的荷載，RLC 層將對數(shù)據(jù)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(xié)議的開銷。在未來的實際應用中，可能會出現(xiàn)需要使用SCHC 分片功能的特殊情況，在這種情況下，SCHC 數(shù)據(jù)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(wǎng)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(shù)據(jù)的傳輸。NAS 中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被稱為DoNAS（Data over NAS）或者控制平面上的CIoT EPS 優(yōu)化。在DoNAS 中，NAS 為UE 提供安全保護，UE 將上行小數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。網(wǎng)絡側(cè)的數(shù)據(jù)由C-SGN 負責加密，并封裝到NAS PDU 中。網(wǎng)絡側(cè)的設備會根據(jù)數(shù)據(jù)類型不同來選擇分配IP 地址（IP 數(shù)據(jù)）或只是建立一個直接轉(zhuǎn)發(fā)路徑（non-IP 數(shù)據(jù)）。DoNAS 受到協(xié)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?shù)淖畲蟊忍財?shù)。當處于省電模式的UE需要進行上傳或接收來自網(wǎng)絡側(cè)的下行指令并反饋時，通常需要使用DoNAS。根據(jù)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(wǎng)絡側(cè)的資源優(yōu)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(xié)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(wǎng)絡側(cè)將部署在核心網(wǎng)中的C-SGN，而不是基站中，如圖5所示。

3.3 SCHC相關(guān)參數(shù)設置

3.3.1 SCHC 上下文初始化

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

3.3.2 SCHC 規(guī)則

在典型場景中，上下文中的規(guī)則由網(wǎng)絡運營商定義。因此，網(wǎng)絡管理員必須知道設備將執(zhí)行的IP 通信類型。這意味著網(wǎng)絡管理員必須為不同的設備設置兼容的配置方案。網(wǎng)關(guān)設備為多個網(wǎng)絡間提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換服務，自然需要支持不同網(wǎng)絡之間的各種協(xié)議，具有更高的復雜性。

3.3.3 規(guī)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(jié)的無線開銷，其中包括PDCP 層中的5 個字節(jié)和RLC 層、MAC 層的4 個字節(jié)。如果追求在數(shù)據(jù)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(shù)。因為3GPP 網(wǎng)絡處理的數(shù)據(jù)包是字節(jié)對齊的，所以可能的最小有效負載（包括填充字節(jié)）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(guī)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(wǎng)關(guān)）可能需要額外的比特位來處理更高層協(xié)議帶來的更多的相關(guān)參數(shù)。在這種情況下，網(wǎng)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(jù)設備的類型、數(shù)量等因素選擇出較優(yōu)的配置方案。規(guī)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(guī)則，最多表示256 條壓縮解壓規(guī)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(jù)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(guī)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(xié)議中建議禁止使用SCHC 中的分片重組功能，因為在NB-IoT 協(xié)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(xié)議開銷上的過度浪費。

4 非IP數(shù)據(jù)傳輸

NB-IoT 的UE 支持非IP 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸，包括終端發(fā)起和接受數(shù)據(jù)兩部分。

將非IP 數(shù)據(jù)傳輸主要有2 種方案：

（1）通過服務能力開發(fā)單元的非IP 數(shù)據(jù)傳輸。

（2）通過的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)非IP 數(shù)據(jù)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(xié)議棧的頂部，即應用層，如圖6所示。

4.2 SCHC的各項參數(shù)

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(jù)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(shù)據(jù)傳輸。

4.2.2 SCHC 規(guī)則

在使用NIDD 的情況下，在傳輸?shù)倪^程中，SCHC 數(shù)據(jù)作為應用層數(shù)據(jù)來傳輸，對于3GPP 網(wǎng)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(xié)議開銷即可。

4.2.3 規(guī)則標識號

與IP 傳輸類似，規(guī)則標識號的長度可以在傳輸之前根據(jù)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(jié)的數(shù)據(jù)包應該激活分片功能，但由于這里的SCHC 數(shù)據(jù)作為應用層的數(shù)據(jù)，過大的數(shù)據(jù)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(jié)束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，接入互聯(lián)網(wǎng)的設備越來越多，無線資源越來越緊張。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸效率低下，網(wǎng)絡信道資源浪費等問題已經(jīng)對全網(wǎng)絡 IP 化的發(fā)展造成了很大的障礙。對IP 報頭進行壓縮可以提高網(wǎng)絡資源利用率，并在一定程度提高系統(tǒng)響應速度。因此，IP 報頭壓縮技術(shù)已日益受到重視，并成為研究的重點。本文所研究的靜態(tài)上下文報頭壓縮技術(shù)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(yōu)勢帶入了NB-IoT。由此可見，如果靜態(tài)上下文報頭壓縮在NB-IoT 網(wǎng)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(xié)議帶入到更多的應用場景中去，實現(xiàn)真正的萬物互聯(lián)。