移動(dòng)運(yùn)營商核心網(wǎng)升級(jí)支持蜂窩物聯(lián)網(wǎng)方案研究

林冀寧

本文通過分析對(duì)比3GPP提出的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)架構(gòu)以及目前國內(nèi)運(yùn)營商商用的核心網(wǎng)架構(gòu)，提出蜂窩物聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)有核心網(wǎng)融合組網(wǎng)進(jìn)行深入研究，提出融合組網(wǎng)的解決方案。

一、蜂窩物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)簡介

3GPP提出了蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（C-IoT）核心網(wǎng)架構(gòu)。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)無線基站通過S1接口連接核心網(wǎng)，針對(duì)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)特有的低速小報(bào)文，3GPP定義了C-SGN融合簡化現(xiàn)有EPC核心網(wǎng)。

C-SGN主要由CIoT服務(wù)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（C-SGN）、業(yè)務(wù)能力開放單元（SCEF）、歸屬簽約用戶服務(wù)器（HSS）、域名服務(wù)器（DNS）等功能單元組成。對(duì)比現(xiàn)有EPC核心網(wǎng)，新引入網(wǎng)元包括：

（一）C-SGN

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（CIoT）服務(wù)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（C-SGN）是一個(gè)包含MME、S-GW、P-GW的相應(yīng)EPC功能的聯(lián)合節(jié)點(diǎn)，從而減少了網(wǎng)元數(shù)量。C-SGN的各接口功能支持EPC下MME、S-GW、P-GW的相應(yīng)接口功能，并進(jìn)行了性能優(yōu)化。

（二）SCEF

業(yè)務(wù)能力開放單元（SCEF）是能力開放功能邏輯網(wǎng)元。SCEF能夠把3GPP定義的網(wǎng)絡(luò)接口提供的網(wǎng)元業(yè)務(wù)能力安全地開放給第三方業(yè)務(wù)提供商。SCEF在核心網(wǎng)側(cè)可與PCRF融合設(shè)置。

新引入的接口包括：

S11-U接口：MME和P-GW之間的接口。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的控制面優(yōu)化傳輸。

T6a接口：C-SGN和SCEF之間的接口，支持經(jīng)由SCEF的非IP數(shù)據(jù)傳輸。

二、蜂窩物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)融合建設(shè)方案

在2/3/4G時(shí)代，三大運(yùn)營商均建設(shè)有獨(dú)立的物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。雖然蜂窩物聯(lián)網(wǎng)在全國范圍的覆蓋和大規(guī)模商用，從容量角度來看，物聯(lián)網(wǎng)專用核心網(wǎng)需要擴(kuò)容支持，且用于基站接入MME和S-GW 應(yīng)設(shè)置在本省，與無線網(wǎng)密切相關(guān)，負(fù)責(zé)接入控制、移動(dòng)性和路由管理，通過軟件升級(jí)改造，新增了面向LPWA業(yè)務(wù)所需的廣覆蓋、低功耗等能力。

（一）以省為單位核心網(wǎng)建設(shè)部分

對(duì)比EPC核心網(wǎng)，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)從網(wǎng)元和接口兩方面都進(jìn)行了增強(qiáng)和演進(jìn)，以滿足LPWA類蜂窩物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的低功耗、低成本和大連接需求。包括網(wǎng)元功能增強(qiáng)和接口功能增加和增強(qiáng)。因此建議運(yùn)營商以省為單位分業(yè)務(wù)區(qū)改為現(xiàn)有MME和S-GW。

網(wǎng)元功能增強(qiáng)：MME、S-GW等網(wǎng)元，引入了更高效的數(shù)據(jù)傳輸方式、更簡單的移動(dòng)性管理、更獨(dú)立的會(huì)話管理、更靈活的數(shù)據(jù)承載方式。

接口增加和增強(qiáng)：新增加S11-U接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的控制面優(yōu)化傳輸；增強(qiáng)S1、S6a、S5/8、S10、S11等接口，滿足C-IoT的新增功能要求。

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(jì)費(fèi)等六個(gè)方面。

（二）集中設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)建設(shè)部分

集中設(shè)置P-GW、M-HSS、M-SMC、PCRF/SPR，按全國物聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)按需擴(kuò)容，對(duì)于用戶規(guī)模大的地區(qū)，考慮分裂集中設(shè)置的物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)變集中設(shè)置為大區(qū)設(shè)置。

三、蜂窩物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（一）蜂窩物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)組織

1.蜂窩物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)與無線網(wǎng)間網(wǎng)絡(luò)組織

每個(gè)業(yè)務(wù)區(qū)選取現(xiàn)有MME POOL內(nèi)1對(duì)MME融合改造，負(fù)責(zé)本業(yè)務(wù)區(qū)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的S1口的接入。

2.蜂窩物聯(lián)網(wǎng)省內(nèi)核心網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)組織

MME間S10接口、MME與S-GW間的S11/S11-U接口通過IP承載網(wǎng)絡(luò)傳送，基站eNB到S-GW的報(bào)文通過MME的S11-U傳送。

MME與MSC Server之間的SGs接口通過IP承載網(wǎng)互通，再通過七號(hào)信令網(wǎng)轉(zhuǎn)接至M-SMC。

MME與省內(nèi)三融合HSS之間的S6a接口Diamter消息通過所屬省內(nèi)1對(duì)LDRA以負(fù)荷分擔(dān)方式轉(zhuǎn)接。

3.蜂窩網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)省內(nèi)核心網(wǎng)與集團(tuán)物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)間網(wǎng)絡(luò)組織

本省S-GW與集團(tuán)物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)P-GW的S8接口通過IP承載網(wǎng)絡(luò)互通，通過省內(nèi)Gp出口路由器至物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)P-GW互通。

MME與物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)M-HSS的S6a接口省際Diamter消息通過接入LDRA至HDRA轉(zhuǎn)接。

（二）蜂窩物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)路由方案

1.數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)路由原則

C-IOT用戶接入MME，MME向現(xiàn)網(wǎng)2/3/4G DNS發(fā)起EPC查詢，查詢消息中包含用戶APN（用戶提交或試驗(yàn)HSS簽約）和用戶當(dāng)前所在的TAI；MME根據(jù)DNS返回的SGW和PGW的主機(jī)名，再向DNS發(fā)起A記錄查詢，獲得SGWPGW的IP地址；MME再通過S11接口通知SGW和PGW為用戶建立承載。

（1）承載建立等：C-IOT終端→ C-IOT RAN →C-IOT MME（通過現(xiàn)網(wǎng)2/3/4G DNS解析）→ C-IOT S-GW → C-IOT P-GW。

（2）C-IOT通用APN業(yè)務(wù)路由（IP、Non-IP）

控制面：用戶側(cè)發(fā)起，C-I O T終端→ C-I O T RAN→C-IOT MME →C-IOT S-GW →C-IOT P-GW →物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)→C-IOT第三方應(yīng)用服務(wù)器；網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起則路徑相反。

用戶面：用戶側(cè)發(fā)起，C-IOT終端→ C-IOT RAN→C-IOT S-GW →C-IOT P-GW →物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)→C-IOT第三方應(yīng)用服務(wù)器；網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起則路徑相反。

（3）C-IOT專用APN業(yè)務(wù)路由（IP、Non-IP）

控制面：用戶側(cè)發(fā)起，C-IOT終端→ C-IOT RAN→C-IOT MME → C-IOT S-GW → C-IOT P-GW→C-IOT第三方應(yīng)用服務(wù)器；網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起則路徑相反。

用戶面：用戶側(cè)發(fā)起，C-IOT終端→ C-IOT RAN→C-IOT S-GW →C-IOT P-GW →C-IOT第三方應(yīng)用服務(wù)器；網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起則路徑相反。

2.短信業(yè)務(wù)路由原則

C-IOT用戶接入MME，在完成EPC網(wǎng)絡(luò)的鑒權(quán)附著后，MME通過與SGs MSC Server之間的SGs接口完成用戶在電路域的位置更新，然后，C-IOT用戶在C-IOT無線覆蓋范圍內(nèi)即可正常發(fā)送和接收短信。

（1）發(fā)送短信（MO）的業(yè)務(wù)路由：C-IOT終端→C-IOT RAN→ C-IOT MME →SGs MSC Server→歸屬STP→C-IOT物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)短信中心SMSC；

（2）接收短信（AO）的業(yè)務(wù)路由：C-IOT物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)短信中心SMSC→（通過歸屬STP向歸屬HSS/HLR查詢路由信息，獲得MME連接的SGs MSC Server信息后）→歸屬STP→SGs MSC Server→ C-IOT MME→ C-IOT RAN → C-IOT終端。

3.Diameter信令路由原則

（1）MME與省內(nèi)HSS間的路由遵循以下原則：從MME到歸屬匯接區(qū)DRA（負(fù)荷分擔(dān)）再到HSS，反之亦然。

（2）MME與物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)M-HSS間的路由遵循以下原則：從MME→歸屬匯接區(qū)DRA（負(fù)荷分擔(dān)）到目的匯接區(qū)DRA（同平面）再到HSS，反之亦然。

四、結(jié)束語

本文探討了基于現(xiàn)有核心網(wǎng)融合改造升級(jí)支持蜂窩物聯(lián)網(wǎng)，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)同步建設(shè)支持蜂窩物聯(lián)網(wǎng)無線基站接入的方案，既保護(hù)了現(xiàn)有投資又保證現(xiàn)有核心網(wǎng)快速升級(jí)部署支持蜂窩物聯(lián)網(wǎng)全面覆蓋。對(duì)國內(nèi)運(yùn)營商制定蜂窩物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)建設(shè)方案具有一定的參考價(jià)值。今后5G技術(shù)將支持物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，為人們提供更加便利的服務(wù)。

作者單位：中國移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司