蜂窩物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)目標(biāo)架構(gòu)演進(jìn)探討

馬洪源，周維，付艷，邵永平，黎丹

工程與應(yīng)用

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)目標(biāo)架構(gòu)演進(jìn)探討

馬洪源1，周維1，付艷1，邵永平1，黎丹2

（1. 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080；2. 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司，北京 100032）

物聯(lián)網(wǎng)存在面向2G、4G、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（narrow band Internet of things，NB-IoT）的傳統(tǒng)專用核心網(wǎng)以及面向5G的toB物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)。隨著網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步云化演進(jìn)，為簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)、增強(qiáng)能力、提升效益、方便運(yùn)維，需要明確面向未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)目標(biāo)架構(gòu)?；诂F(xiàn)網(wǎng)存在的問(wèn)題，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)驅(qū)動(dòng)力，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)目標(biāo)架構(gòu)、演進(jìn)策略以及業(yè)務(wù)解決方案進(jìn)行了分析和探討，以此為運(yùn)營(yíng)商物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)提供參考。

5G；蜂窩物聯(lián)網(wǎng)；核心網(wǎng)；toB

0 引言

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)存在2G、4G、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（narrow band Internet of things，NB-IoT）、5G等不同制式的接入網(wǎng)絡(luò)以及為不同制式接入用戶提供服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)。截至2021年年中，全球蜂窩物聯(lián)網(wǎng)連接總規(guī)模超過(guò)20億，其中中國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商幾乎占到3/4[1]。隨著網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)使用的深入，物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)在容量、模型、網(wǎng)絡(luò)功能、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維等方面出現(xiàn)了如下較為突出的問(wèn)題。

（1）網(wǎng)絡(luò)容量需要匹配業(yè)務(wù)發(fā)展需要

物聯(lián)網(wǎng)用戶總規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)，活躍度顯著提升，結(jié)構(gòu)有所優(yōu)化。因此，一方面，容量體現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)卡用戶的增長(zhǎng)對(duì)核心網(wǎng)及相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的需求；另一方面，物聯(lián)網(wǎng)用戶組成結(jié)構(gòu)的變化以及用戶網(wǎng)絡(luò)模型的變化，對(duì)核心網(wǎng)容量也產(chǎn)生了新的需求。例如，某運(yùn)營(yíng)商某省物聯(lián)網(wǎng)用戶忙時(shí)激活比例從2020年年初的15%穩(wěn)步提升至2021年的21%；隨著4G、5G物聯(lián)網(wǎng)用戶的增加，忙時(shí)單用戶平均流速也從1～3 kbit/s逐步提升到10～200 kbit/s。

（2）網(wǎng)絡(luò)功能需要完善增強(qiáng)以保持技術(shù)領(lǐng)先

一方面，需要增強(qiáng)優(yōu)化現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備以滿足物聯(lián)網(wǎng)用戶多樣化業(yè)務(wù)需求和相關(guān)安全管控要求，例如，網(wǎng)關(guān)功能增強(qiáng)以支持靜態(tài)IP二次認(rèn)證、終端互訪，策略控制和計(jì)費(fèi)（policy control and charging，PCC）功能增強(qiáng)以支持區(qū)域位置限制、機(jī)卡綁定增強(qiáng)等；另一方面，為保持技術(shù)領(lǐng)先，進(jìn)一步增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)新能力，支撐toB業(yè)務(wù)發(fā)展，需要引入需求迫切、技術(shù)成熟、產(chǎn)業(yè)進(jìn)度可期的5G新功能，面向監(jiān)管要求和市場(chǎng)業(yè)務(wù)拓展，優(yōu)化增強(qiáng)業(yè)務(wù)、容災(zāi)、安全管控等能力。

（3）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要有效優(yōu)化以保持高效靈活

當(dāng)前多種制式網(wǎng)絡(luò)共存造成組網(wǎng)、路由組織及規(guī)劃建設(shè)復(fù)雜。專用物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)及業(yè)務(wù)平臺(tái)大多仍采用傳統(tǒng)設(shè)備，版本繁多、形態(tài)各異，設(shè)備占地空間大、能耗及運(yùn)維成本高，且不具備持續(xù)演進(jìn)升級(jí)條件，不符合網(wǎng)絡(luò)云化演進(jìn)趨勢(shì)；同時(shí)，現(xiàn)有核心網(wǎng)集中部署模式不能滿足客戶在智能控制、視頻回傳、業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)辦理等高可靠低時(shí)延、安全隔離等特定行業(yè)的需求。

1 網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)驅(qū)動(dòng)力

為解決現(xiàn)網(wǎng)存在的突出問(wèn)題，更好地滿足業(yè)務(wù)發(fā)展，亟須構(gòu)建更加合理完善的物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)目標(biāo)架構(gòu)。本文首先從政策與環(huán)境、業(yè)務(wù)與產(chǎn)業(yè)及技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)3個(gè)方面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)演進(jìn)驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析。

（1）政策與環(huán)境驅(qū)動(dòng)

國(guó)家要求加快5G等新型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度，行業(yè)全面實(shí)施“5G+”計(jì)劃，物聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)發(fā)展應(yīng)符合國(guó)家政策相關(guān)要求，支撐公司戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型發(fā)展。

2021年7月，工業(yè)和信息化部等十部門(mén)印發(fā)《5G應(yīng)用“揚(yáng)帆”行動(dòng)計(jì)劃（2021—2023年）》，明確2023年5G在大型工業(yè)企業(yè)滲透率超過(guò)35%、5G行業(yè)虛擬專網(wǎng)數(shù)達(dá)到3 000個(gè)，并指明toB發(fā)展的重點(diǎn)行業(yè)。揚(yáng)帆計(jì)劃七大量化指標(biāo)如圖1所示。

圖1 揚(yáng)帆計(jì)劃七大量化指標(biāo)

2020年5月，工業(yè)和信息化部辦公廳發(fā)布了《關(guān)于深入推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展的通知》，引導(dǎo)新增物聯(lián)網(wǎng)終端不再使用2G/3G網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)存量2G/3G物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)向NB-IoT/4G（Cat1（LTE UE-Category 1，數(shù)字是用來(lái)衡量用戶終端設(shè)備無(wú)線性能的，主要用來(lái)劃分終端速率（等級(jí)）））/5G網(wǎng)絡(luò)遷移，2G退網(wǎng)大勢(shì)所趨，符合國(guó)家政策要求和降本增效目標(biāo)[2]。

（2）業(yè)務(wù)與產(chǎn)業(yè)驅(qū)動(dòng)

需要滿足多種制式用戶連接和功能特性需求，滿足行業(yè)需要統(tǒng)籌規(guī)劃、構(gòu)建協(xié)同發(fā)展的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系。

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)分制式承載規(guī)劃如圖2所示，不同速率用戶通過(guò)不同制式物聯(lián)網(wǎng)接入方式承載。NB-IoT針對(duì)低功耗廣域（low power wide area，LPWA）技術(shù)設(shè)計(jì)，商用Release-13（Rel-13）版本速率低于2G、Rel-14版本速率與2G基本相當(dāng)。eMTC/Cat1/Cat1 bis/Cat4本質(zhì)是4G，5G NR能力最高，可用于垂直行業(yè)需求；面向物聯(lián)網(wǎng)需求，Rel-17設(shè)計(jì)了NR Light（NR設(shè)備低性能）[3]。

圖2 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)分制式承載規(guī)劃

針對(duì)窄帶物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，在技術(shù)層面NB已在多方面對(duì)2G形成替代優(yōu)勢(shì)，標(biāo)準(zhǔn)層面具備可持續(xù)演進(jìn)條件；在覆蓋和價(jià)格上，當(dāng)前NB基站已基本完成連續(xù)覆蓋，根據(jù)某運(yùn)營(yíng)商招標(biāo)結(jié)果顯示，NB模組已降至12元，價(jià)格優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步顯現(xiàn)。

Cat1主要面向物聯(lián)網(wǎng)中低速率場(chǎng)景。根據(jù)最新一期某運(yùn)營(yíng)商招標(biāo)結(jié)果，Cat1模組價(jià)格已進(jìn)入40元以內(nèi)區(qū)間[4]。隨著產(chǎn)業(yè)日趨成熟，未來(lái)針對(duì)高速率以及特殊要求場(chǎng)景的5G（含輕量化5G技術(shù)（reduced capability，RedCap））物聯(lián)網(wǎng)也將逐步規(guī)?；瘧?yīng)用[5]。

（3）技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)、網(wǎng)絡(luò)能力的提升以及網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的升級(jí)等技術(shù)驅(qū)動(dòng)需要物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)目標(biāo)架構(gòu)能夠靈活地適配。

在標(biāo)準(zhǔn)層面，5G能力三角的完善不斷為行業(yè)場(chǎng)景帶來(lái)新技術(shù)、新功能。Rel-16標(biāo)準(zhǔn)完善了5G能力三角，引入了5G局域網(wǎng)（local area network，LAN）、增強(qiáng)的位置定位服務(wù)（enhanced location service，eLCS）、非公共網(wǎng)絡(luò)（non-public network，NPN）、高精度定位、NB演進(jìn)（CIoT）等功能，進(jìn)一步增強(qiáng)了5G網(wǎng)絡(luò)面向toB業(yè)務(wù)的服務(wù)能力。Rel-17/Rel-18繼續(xù)對(duì)Rel-16的增強(qiáng)演進(jìn)進(jìn)行定義，提出卓越網(wǎng)絡(luò)、智生智簡(jiǎn)、低碳高效三大演進(jìn)方向。

在網(wǎng)絡(luò)能力層面，信息與通信技術(shù)（information and communication technology，ICT）融合、專享網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)（communication technology，CT）與運(yùn)營(yíng)技術(shù)（operational technology，OT）融合對(duì)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)及組網(wǎng)均有不同要求。

在產(chǎn)品層面，構(gòu)建行業(yè)專網(wǎng)需要通過(guò)能力定制實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)絡(luò)能力不同程度的下沉，以賦能5G應(yīng)用重點(diǎn)領(lǐng)域，保持核心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)先。

隨著數(shù)據(jù)安全法、信息保護(hù)法的陸續(xù)頒布，網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)安全管控日益趨緊。同時(shí)，運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型也要求實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)功能升級(jí)、容量全云化目標(biāo)。

2 目標(biāo)架構(gòu)及演進(jìn)策略

2.1 架構(gòu)分析

基于網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及演進(jìn)驅(qū)動(dòng)力，結(jié)合典型蜂窩物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特性分析，物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)目標(biāo)架構(gòu)設(shè)計(jì)主要存在以下兩種思路，目標(biāo)架構(gòu)設(shè)計(jì)思路對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 目標(biāo)架構(gòu)設(shè)計(jì)思路對(duì)比分析

思路1 5G toB核心網(wǎng)與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)融合。根據(jù)不同層級(jí)網(wǎng)元特點(diǎn)，其可分為全融合和部分融合。全融合是指一張融合云化核心網(wǎng)滿足所有制式蜂窩物聯(lián)網(wǎng)接入，通過(guò)共享設(shè)備容量，按需部署新功能，以滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需要。部分融合是指僅用戶的數(shù)據(jù)類網(wǎng)元融合，接入與會(huì)話承載類網(wǎng)元分設(shè)。

思路2 5G toB核心網(wǎng)與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)獨(dú)立發(fā)展。傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)主要滿足中低速率窄帶物聯(lián)網(wǎng)和部分中速率寬帶物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，支持2G、NB和4G接入，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)云化改造可以滿足新增容量和功能需求。5G toB網(wǎng)絡(luò)定位于高價(jià)值物聯(lián)網(wǎng)客戶，主要滿足部分寬帶物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、低時(shí)延高可靠通信（ultra-reliable & low-latency communication，URLLC）（如多路冗余傳輸?shù)脑鰪?qiáng)功能）業(yè)務(wù)，僅支持5G接入[6]?？赏ㄟ^(guò)擴(kuò)容升級(jí)滿足新增容量和功能需求。

基于業(yè)務(wù)特點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)情況、業(yè)務(wù)影響、路由組織、資源利用等維度進(jìn)行方案思路分析，統(tǒng)籌考慮，可優(yōu)先采用思路1.1作為目標(biāo)架構(gòu)，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、支持各種類型接入制式共享網(wǎng)絡(luò)容量。

2.2 目標(biāo)架構(gòu)

基于上述分析，面向未來(lái)應(yīng)逐步構(gòu)建一張?jiān)苹诤?、功能靈活、接入統(tǒng)一、立體分層、運(yùn)維集約的物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)，適配和支撐業(yè)務(wù)發(fā)展，有效保持網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)先，構(gòu)建差異化核心網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)能力。物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)目標(biāo)架構(gòu)如圖3所示。

（1）云化融合：采用全云化、全融合架構(gòu)，不同制式用戶共享設(shè)備容量提高設(shè)備利用效率，滿足全業(yè)務(wù)、全場(chǎng)景需求。

（2）功能靈活：基于基礎(chǔ)功能底座，疊加專用網(wǎng)絡(luò)能力，通過(guò)虛擬網(wǎng)絡(luò)切片或定制化產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)功能靈活組合。

（3）接入統(tǒng)一：支持4G、5G、NB統(tǒng)一接入，2G建議保留在傳統(tǒng)專網(wǎng)。

（4）立體分層：集中+邊緣架構(gòu)，采用專線/行業(yè)網(wǎng)關(guān)滿足地市共享容量需求，采用邊緣網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)本地閉環(huán)，滿足高可靠低時(shí)延業(yè)務(wù)。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)目標(biāo)架構(gòu)

（5）運(yùn)維集約：基于簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，統(tǒng)一開(kāi)通、計(jì)費(fèi)，簡(jiǎn)化運(yùn)維流程。

2.3 演進(jìn)策略

面向目標(biāo)、立足現(xiàn)狀，可按近期、遠(yuǎn)期兩階段逐步完成網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化調(diào)整、存量用戶有序遷移，有效保護(hù)投資、簡(jiǎn)化多代網(wǎng)絡(luò)，逐步構(gòu)建全云化、全融合、統(tǒng)一接入的物聯(lián)網(wǎng)融合核心網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)目標(biāo)架構(gòu)演進(jìn)策略示意圖如圖4所示。

在網(wǎng)絡(luò)層面，考慮2G無(wú)線逐步退網(wǎng)、頻譜重耕等因素，建議初期2G維持現(xiàn)狀，自然退網(wǎng)；考慮NB是未來(lái)中低速率物聯(lián)網(wǎng)主要承載網(wǎng)絡(luò)，且具備獨(dú)立無(wú)線電接入技術(shù)（radio access technology，RAT）類型[7-8]，建議NB存量和新增用戶全部通過(guò)融合核心網(wǎng)承載；4G物聯(lián)網(wǎng)由于在接入層面無(wú)法和toC用戶區(qū)分，因此4G接入需要復(fù)用toC核心網(wǎng)接入類網(wǎng)元，然后再疏通到toB融合核心網(wǎng)；5G toB用戶全部通過(guò)融合核心網(wǎng)承載。

在網(wǎng)元層面，需要考慮用戶數(shù)據(jù)、策略控制、網(wǎng)關(guān)和接入類網(wǎng)元演進(jìn)策略。

（1）考慮物聯(lián)網(wǎng)用戶與toC用戶行為習(xí)慣差異較大，現(xiàn)有存量2G/4G模組基本無(wú)法升級(jí)支持5G功能需求，且物聯(lián)網(wǎng)用戶對(duì)碼號(hào)依賴性較低，因此新增用戶可考慮采用新卡新號(hào)開(kāi)通業(yè)務(wù)。

（2）考慮網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和用戶策略一致性，建議新增4G、NB、5G等toB用戶策略控制統(tǒng)一由toB核心網(wǎng)的二融合PCF/UDR負(fù)責(zé)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)，存在以下兩種部署思路。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)目標(biāo)架構(gòu)演進(jìn)策略示意圖

思路1 toB網(wǎng)絡(luò)PCF/UDR設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)容，以滿足增量用戶需求。不考慮存量用戶升級(jí)支持5G功能，新增用戶采用新卡新號(hào)支持策略數(shù)據(jù)簽約與控制。

思路2 toB網(wǎng)絡(luò)PCF/UDR設(shè)備在滿足增量用戶需求的同時(shí)，對(duì)傳統(tǒng)存量用戶進(jìn)行替換。如果傳統(tǒng)策略與計(jì)費(fèi)規(guī)則功能（policy and charging rules function，PCRF）單元存量用戶相對(duì)較少，可考慮用戶遷移升級(jí)以實(shí)現(xiàn)支持5G功能。替換后，所有策略控制設(shè)備為兩融合PCF/UDR，會(huì)話管理功能/PDN網(wǎng)關(guān)/GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（session management function/PDN gateway/GPRS gateway support node，SMF/PGW/GGSN）不再支持Gx接口。

為提升用戶感知，避免融合網(wǎng)關(guān)因無(wú)法識(shí)別4G、5G用戶而造成的策略尋址失敗問(wèn)題，建議采用思路2。

（3）對(duì)于5G核心網(wǎng)（5G core，5GC）控制面網(wǎng)元及用戶面功能（user plane function，UPF）網(wǎng)元，物聯(lián)網(wǎng)2G/4G用戶只能通過(guò)toC網(wǎng)絡(luò)服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)/移動(dòng)管理實(shí)體（serving GPRS support node/mobility management entity，SGSN/MME）接入。NB用戶統(tǒng)一采用toB融合網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證管理功能/移動(dòng)管理實(shí)體（authentication management function/mobility management entity，AMF/MME）接入，同時(shí)AMF融合NB MME功能?，F(xiàn)有5G toB網(wǎng)絡(luò)SMF/PGW-C融合GGSN-C，UPF/PGW-U融合GGSN-U。toB用戶簽約的接入點(diǎn)名稱/數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名稱（access point name/data network name，APN/DDN）類型較多，APN/DNN與手機(jī)制式無(wú)關(guān)，存在不同制式終端使用的可能性，需要SMF/PGW-C支持2G/4G/NB功能。

2.4 技術(shù)演進(jìn)

為保持技術(shù)領(lǐng)先、支撐toB業(yè)務(wù)發(fā)展，可考慮引入需求迫切、技術(shù)成熟、產(chǎn)業(yè)進(jìn)度可期的5G新功能。面向行業(yè)監(jiān)管要求和一線業(yè)務(wù)拓展需要，可考慮優(yōu)化增強(qiáng)業(yè)務(wù)、容災(zāi)、安全管控等能力?；诙说蕉斯餐鞔_的Rel-16引入策略，按需引入toB相關(guān)核心網(wǎng)新能力。toB網(wǎng)絡(luò)與toC網(wǎng)絡(luò)同步通用新功能，如多切片4G/5G互操作、計(jì)費(fèi)能力增強(qiáng)、N9轉(zhuǎn)發(fā)隧道等。同時(shí)為提升“定制化、精確化、區(qū)域化”等專網(wǎng)新能力，考慮引入5G LAN、PNI-NPN、eLCS等行業(yè)場(chǎng)景新功能。

考慮部分行業(yè)應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、專用、安全、服務(wù)支撐等存在特殊要求，“網(wǎng)絡(luò)專用”需求不斷涌現(xiàn)，亟須快速整合能力，重構(gòu)專網(wǎng)核心網(wǎng)產(chǎn)品體系。近期業(yè)內(nèi)主要有以下兩種解決方案。

●增強(qiáng)型UPF方案：在現(xiàn)有UPF能力基礎(chǔ)上，集成極簡(jiǎn)AMF、SMF、UDM功能，滿足toB大網(wǎng)設(shè)備故障或連接中斷時(shí)本地?cái)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)急接入能力，即在園區(qū)內(nèi)用戶訪問(wèn)業(yè)務(wù)不受和上層網(wǎng)絡(luò)連接故障的影響，實(shí)現(xiàn)用戶不掉線、業(yè)務(wù)不中斷。

●定制化下沉核心網(wǎng)方案：針對(duì)特定行業(yè)安全隔離管控要求，在局域/封閉場(chǎng)景下，配合專用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，可提供定制化核心網(wǎng)下沉解決方案，在運(yùn)行態(tài)與大網(wǎng)保持相對(duì)獨(dú)立的狀態(tài)。

2.5 業(yè)務(wù)解決方案

物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)融合進(jìn)程中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、語(yǔ)言業(yè)務(wù)、短信業(yè)務(wù)以及計(jì)費(fèi)等均存在不同的解決思路。

2.5.1 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過(guò)APN/DNN進(jìn)行隔離和疏通。面向定向流量場(chǎng)景，可通過(guò)APN/DNN指向特定的用戶面設(shè)備；面向低時(shí)延、本地?cái)?shù)據(jù)處理等場(chǎng)景，通過(guò)APN/DNN是目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的唯一標(biāo)識(shí)的特點(diǎn)，4G APN可通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將終端接入專用APN標(biāo)識(shí)的客戶內(nèi)網(wǎng)，并將訪問(wèn)通道與公網(wǎng)隔離，從而確保網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的安全性及數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃矫苄?。?duì)APN的描述、定義和使用同樣適用于5G DNN指向邊緣的用戶面設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)包含面向通用數(shù)據(jù)接入的通用APN/DNN和面向業(yè)務(wù)特性獨(dú)立設(shè)置的專用APN/DNN。其中通用APN/DNN負(fù)責(zé)疏通到互聯(lián)網(wǎng)公網(wǎng)的數(shù)據(jù)流量；專用APN/DNN是客戶根據(jù)需求申請(qǐng)開(kāi)通專用APN/DNN（專用隧道需求、節(jié)電參數(shù)單獨(dú)配置需求、網(wǎng)絡(luò)性能單獨(dú)統(tǒng)計(jì)等）。

2G APN建議保留在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，隨2G退網(wǎng)逐步消亡。4G和NB數(shù)據(jù)通用APN通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)PGW與融合核心網(wǎng)融合網(wǎng)關(guān)設(shè)備按權(quán)重負(fù)荷分擔(dān)承載存量及新增用戶業(yè)務(wù)需求，并隨網(wǎng)絡(luò)云化融合遷移至融合設(shè)備。4G和NB的數(shù)據(jù)專用APN可根據(jù)客戶業(yè)務(wù)運(yùn)行情況按需割接到融合核心網(wǎng)。通用APN/DNN依然可以采用覆蓋范圍內(nèi)全網(wǎng)負(fù)荷分擔(dān)，區(qū)域性專用APN/DNN可以通過(guò)歸屬地網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行疏通，全網(wǎng)性專用APN/DNN可以按照通用APN/DNN選擇部分網(wǎng)關(guān)進(jìn)行疏通，新增用戶通過(guò)域名系統(tǒng)（domain name system，DNS）設(shè)置選擇融合網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)疏通。

2.5.2 語(yǔ)音業(yè)務(wù)

物聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音業(yè)務(wù)建議優(yōu)先采用VoIMS（voice over IMS）方案。IP多媒體子系統(tǒng)（IP multimedia subsystem，IMS）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署涉及以下幾種思路。

（1）接入邊界會(huì)話控制器/代理呼叫會(huì)話控制功能（session border controller/proxy-call session control function，SBC/P-CSCF）方案有兩種思路：思路1為減少路由迂回，復(fù)用功能穩(wěn)定的toC網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；思路2為按照獨(dú)立建設(shè)、物理隔離方式部署，4G復(fù)用toC、5G獨(dú)立部署。

（2）為避免大量改造，支撐業(yè)務(wù)靈活迭代，控制面方案有3種部署思路：思路1按照獨(dú)立部署虛擬化替換雙跨IMS，與物聯(lián)網(wǎng)（含車聯(lián)網(wǎng)）語(yǔ)音業(yè)務(wù)、開(kāi)通/計(jì)費(fèi)密切相關(guān)的呼叫會(huì)話控制功能（call session control function，CSCF）、VoLTE應(yīng)用服務(wù)器（VoLTE application server，VoLTE AS）、SCP AS/業(yè)務(wù)控制點(diǎn)（service control point，SCP）、電話號(hào)碼映射工作組/域名系統(tǒng)（telephone number mapping working group/domain name system，ENUM/DNS）等網(wǎng)元集中獨(dú)立設(shè)置，同步考慮雙跨用戶對(duì)CSCF、固網(wǎng)歸屬用戶服務(wù)器（home subscriber server，HSS）的需求；思路2復(fù)用toC網(wǎng)絡(luò)IMS；思路3是I/S-CSCF、ENUM/DNS復(fù)用toC網(wǎng)絡(luò)IMS，VoLTE AS獨(dú)立部署。

從滿足業(yè)務(wù)需求、兼顧網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，減少網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)調(diào)整，按需替換老舊設(shè)備角度考慮，建議VoIMS方案接入SBC/P-CSCF復(fù)用toC網(wǎng)絡(luò)，I/S-CSCF、應(yīng)用服務(wù)器（application server，AS）、ENUM/DNS等控制面設(shè)備獨(dú)立部署虛擬化設(shè)備替換傳統(tǒng)雙跨IMS。未來(lái)隨著向VoNR演進(jìn)，通過(guò)復(fù)用雙跨IMS只需要將被割接省份SBC/P-CSCF數(shù)據(jù)配置從傳統(tǒng)專網(wǎng)PGW上刪除，重新配置在融合SMF/SAEGW-C上，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)無(wú)額外改造要求。

2.5.3 短消息業(yè)務(wù)

使用IMS語(yǔ)音的終端可以采用IP短消息方案；對(duì)于不支持IMS協(xié)議棧的終端，仍然需要采用基于SGs接口的短消息方案?？紤]2G逐步退網(wǎng)，需要提前準(zhǔn)備解決方案，一方面可以通過(guò)升級(jí)終端支持IP短消息或非接入層（non access stratum，NAS）短消息，另一方面可通過(guò)研究替代解決方案，保留拜訪位置寄存器（visitor location register，VLR）及SGs接口功能。為促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)消息的接入統(tǒng)一，可考慮將多個(gè)短消息系統(tǒng)進(jìn)行融合部署，主要存在以下兩種思路。

思路1 部署SMSC、MSC/VLR、SMSF和IP-SM-GW四融合，替換現(xiàn)有短消息相關(guān)系統(tǒng)，支持多制式用戶統(tǒng)一接入和數(shù)據(jù)共享。

思路2 實(shí)現(xiàn)SMSC、MSC/VLR兩融合替換現(xiàn)有SMSC，IP-SMGW和SMSF獨(dú)立設(shè)置，由3類網(wǎng)元共同承載各類物聯(lián)網(wǎng)消息。

為簡(jiǎn)化架構(gòu)、優(yōu)化信令流程、共享同類資源、提高設(shè)備效率、并支持2G退網(wǎng)后短消息業(yè)務(wù)延續(xù)，建議采用思路1，統(tǒng)一滿足4G/5G/NB物聯(lián)網(wǎng)各類短消息業(yè)務(wù)需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與2G電路域功能解耦。

2.5.4 計(jì)費(fèi)

5G toB網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了在線計(jì)費(fèi)和離線計(jì)費(fèi)的融合，SMF支持融合PGW-C功能，SMF/PGW-C統(tǒng)一產(chǎn)生計(jì)費(fèi)信息，不再使用2G/4G分組域網(wǎng)絡(luò)中的PGW/GGSN的Gy接口和Ga接口，后續(xù)統(tǒng)一通過(guò)Nchf接口將計(jì)費(fèi)信息發(fā)送至計(jì)費(fèi)功能（charging function，CHF）。

3 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)論是用戶行為、業(yè)務(wù)模型、市場(chǎng)發(fā)展，還是網(wǎng)絡(luò)策略，toB和toC網(wǎng)絡(luò)之間既存在一定聯(lián)系又存在明顯差異。基于業(yè)務(wù)定位，面向5G、通過(guò)建設(shè)一張?jiān)苹诤系奈锫?lián)網(wǎng)核心網(wǎng)既可以滿足不同接入類型用戶共享網(wǎng)絡(luò)容量，有效避免不同類型用戶發(fā)展不均衡帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)；同時(shí)，采用全網(wǎng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)能力底座、按需疊加特色專用功能的靈活組合，又能夠有效支撐不同行業(yè)客戶差異化需求、凸顯以價(jià)值為導(dǎo)向的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)理念。通過(guò)明確目標(biāo)思路、演進(jìn)策略、組網(wǎng)架構(gòu)及業(yè)務(wù)解決方案，將實(shí)現(xiàn)向云化融合、集約運(yùn)營(yíng)、縱深分布的物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)有序演進(jìn)。

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Discussion on the evolution of architecture of the core network of cellular Internet of things

MA Hongyuan1, ZHOU Wei1, FU Yan1, SHAO Yongping1, LI Dan2

1. China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China 2. China Mobile Communications Co., Ltd., Beijing 100032, China

At present, there are two Internet of things networks facing 2G, 4G, NB-IoT and facing toB core networks. In order to simplify the network, enhance the capability, enhance the benefit, and facilitate the operation and maintenance, it is necessary to define the target architecture of 5G-oriented Internet of things core network. Based on the existing network problems and combined with the driving force of network evolution, the network evolution target structure, evolution strategy and service solution were analyzed and discussed. It provides a reference for operators to plan and construct the Internet of things.

5G, cellular Internet of things, core network, toB

TP393

A

10.11959/j.issn.1000–0801.2023007

2022–05–05；

2023–01–04

馬洪源，mahongyuan@cmdi.chinamobile.com

馬洪源（1984– ），男，中國(guó)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)橐苿?dòng)通信核心網(wǎng)。

周維（1977– ），男，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司高級(jí)工程師、咨詢?cè)O(shè)計(jì)總監(jiān)，主要研究方向?yàn)楹诵木W(wǎng)。

付艷（1985–- ），女，中國(guó)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)橐苿?dòng)通信核心網(wǎng)。

邵永平（1978– ），男，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司高級(jí)工程師、咨詢?cè)O(shè)計(jì)總監(jiān)，主要研究方向?yàn)楹诵木W(wǎng)。

黎丹（1981– ），女，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信核心網(wǎng)。