基于NFV的NB-IoT核心网部署方案研究

张科锋



基于NFV的NB-IoT核心网部署方案研究

张科锋

中国联合网络通信有限公司河南省分公司，河南 郑州 450000

窄带物联网（NB-IoT）已进入快速发展阶段，根据其特点及网络架构，对NB-IoT核心网的专网部署优势、网元部署方案和虚拟化部署优势进行了分析，给出了一个基于NFV技术的NB-IoT核心网部署案例，并对NB-IoT核心网的进一步发展进行了展望。

窄带物联网；网络架构；网络功能虚拟化；部署策略

1 NB-IoT现状及特点

当前，人与人之间的连接趋于饱和，人和物、物和物的连接将成为新的增长点，一个强有力实现万物互联的物联网的重要性愈加突出。2016年6月，3GPP宣布已完成NB-IoT的标准化，这意味着Release13中面向NB-IoT的核心协议已经完成，促使NB-IoT的商用速度进一步加快。据权威机构预测，2018年物联网终端总量会超过智能手机和电脑之和；2020年物联网的连接量将达到数百亿，产业规模将达到万亿美元。

NB-IoT聚焦于低功耗广覆盖物联网市场，是一种可以在全世界范围内得以应用的新技术。它具备四大特点：一是广覆盖，在频段相同条件下，NB-IoT相对于GSM网络来说覆盖可提高约20 dB；二是低功耗，NB-IoT引入eDRX省电技术和PSM省电模式，利用减少不必要信令和在省电模式不接收寻呼信息来实现省电目的，保障电池10年以上的使用寿命；三是海量连接，NB-IoT的上行容量比GSM、UMTS、LTE网络有50～100倍的提升，其接入数可实现相应倍数的提升；四是低成本，NB-IoT芯片可以做得很小，其成本降低，模块的成本也相应降低。

2 NB-IoT网络架构研究

2.1 NB-IoT网络组成

根据3GPP协议，逻辑上NB-IoT由终端、无线侧、NB-IoT核心网、应用平台等几部分组成。

终端由支持NB-IoT的芯片和模组组成各式各样的物联网终端，以实现诸如智能停车、水务治理、智能抄表、智能制造、智能农业等丰富的应用。

无线侧主要指支持NB-IoT的基站，它提供无线接入，作为传输通道需支持S1接口。

NB-IoT核心网主要涉及MME、SGW、PGW及HSS等，它需要支持NB-IoT用户的接入，还需要支持eDRX/PSM等技术，以达到减少信令、降低功耗的目的。

应用平台包括：（1）连接管理平台，提供基于SIM卡的卡管理、业务计费、资费策略配置等功能；（2）设备管理平台，提供设备的接入与控制和不同类型设备的统一管控功能；（3）应用支撑平台，提供物联网应用所需通用业务，如语音、短信、地图、规则引擎等；（4）数据分析平台，通过对设备行为进行建模，从而运用大数据分析方法实现数据分析服务。

2.2 NB-IoT核心网部署的关键因素

当前，诸多运营商都在积极地开展NB-IoT的测试、试商用及商用。我们在部署NB-IoT核心网时，不仅要立足于当前的分组核心网的网络架构和业务需求，还要在快速部署和节省投资的同时着眼于网络的长期演进，以满足未来的需要。针对NB-IoT的特点，在部署NB-IoT核心网时重点考虑如下方面：在各省部署独立的NB-IoT核心网还是与现有EPC网络共用核心网；NB-IoT核心网网元是大区统一建设还是由各省独立建设；网络部署采用传统的硬件设备还是虚拟化设备[1]。

3 NB-IoT核心网部署的策略研究

基于NB-IoT特点、组成和关键因素，选取以下3个方面对NB-IoT核心网的部署策略进行探讨。

3.1 NB-IoT核心网专网部署优势

在部署NB-IoT核心网时，按是否利用现有EPC分组核心网，有两种可选方案。方案一：人物分离，新建专用的NB-IoT核心网；方案二；人物共用核心网，升级现有的网络。

方案一优点：物联网服务对象多为行业用户，需求差异性大，独立建设利于满足行业用户多种业务需求；NB-IoT引入eDRX、PSM等技术，与现有网络有较大差异；新建设备具备招标优势，投资具有商务优势；新建专用核心网可采用NFV（Network Function Virtualization，网络功能虚拟化）架构，符合网络演进趋势，利于发挥NFV技术优势。方案一缺点：网元需要新建，实施周期长，机房资源配套需求较多。

方案二优点：现网设备功能升级，实施周期短；机房配套需求小。方案二缺点：物联网业务开通、业务特性需求与现有网络差异大，影响现有网络；升级改造现网网元对业务影响大；基于现有设备进行功能升级，商务议价空间小；功能升级基于传统设备架构，无法采用NFV架构。

综上所述，方案一的优点多于方案二，建议采用方案一，专网部署NB-IoT核心网。

3.2 NB-IoT核心网虚拟化部署优势

在部署NB-IoT核心网时，按新建网元的设备类型分有两种可选方案。方案一，新建基于传统架构NB-IoT核心网设备；方案二，新建基于虚拟化架构NB-IoT核心网设备。

方案一优点：现网设备产业成熟度高，稳定可靠；建设人员对设备建设模式熟悉，建设速度快；维护人员对设备熟悉，与现有维护管理方式相同，维护便捷。方案一缺点：按照传统采购周期，后期网络扩容周期长，需要三个月至半年；不符合技术发展趋势，未来短期内仍存在采用虚拟化设备进行替换的可能。

方案二优点：扩容、减容便利为虚拟化的优势之一，网络调整周期可以缩短为天级别，需要做好相应的硬件资源规划及管理编排规划；产业已经基本成熟，符合网络演进、业务发展趋势；基于通用硬件的虚拟化建设给网络带来了更大的可能性，具有更强的战略性意义。方案二缺点：技术新，各省对NFV设备的建设模式不熟悉，建设速度较慢；各省对设备不熟悉，与现有维护管理方式不尽相同，会引起维护体制变化。

综上所述，尽管方案二暂时稍有不足之处，但是NB-IoT核心网的网元虚拟化符合网络长期演进方向，将为网络适配业务带来便利，建议采用方案二，逐步改变网络建设、运行维护模式，为未来的网络部署探索打下基础[2]。

3.3 NB-IoT核心网网元部署方案

在部署NB-IoT核心网时，PGW、HSS由总部统一设置，而新建MME/SGW的设置有两种可选方案。方案一，MME/SGW分大区集中设置；方案二，MME/SGW由各省设置。

方案一优点：网元少，配套资源需求少，初期业务部署上线速度快；便于实施针对行业用户的定制化QoS需求；先期分大区部署三层解耦，利于积累经验，后期再全国推广。方案一缺点：承载B网、IPRAN启用新的物联网S1接口VPN地址规划，规划复杂；S1接口跨省，故障定位、处理难度大。

方案二优点：可以利旧各省现有分组核心网中已分配S1地址；故障定位、处理与现网类似。方案二缺点：网元多，初期业务部署上线速度慢，行业用户定制化QoS需求数据维护量大；所有省份进行三层解耦虚拟化部署，网元部署周期长，资源需求大；三层解耦仍有大量问题需要探索，全国一次性招标到位，各省厂家份额基本定型，后期开展网络优化时处于被动地位。

综上所述，考虑到网络投资及风险，在NB-IoT核心网建设初期，建议按方案一实施，后期根据各省业务拓展需求可按方案二实施。

4 基于NFV的NB-IoT部署案例

2017年4月，某省公司集团客户部向网络建设部提出NB-IoT业务测试环境需求。鉴于此业务需求急，前期客户和潜在客户多，决定采取与测试条件具备情况较好广东物联网中心进行对接来实现NB-IoT测试网络的部署，待南京物联网中心具备条件后再将用户回迁。经过多方努力，该省公司已于2017年7月实现基于NFV的NB-IoT测试方案部署，以下对该部署方案进行简要介绍。利用前期进行三层解耦测试的中兴虚拟化设备vMME、vSGW组成新建的省内NB-IoT网络；现网eNodeB经升级后支持NB-IoT功能并通过省内IPRAN实现与中兴vMME、vSGW的对接；河南vSGW与广东PGW间S5接口，通过IP承载B网对接；河南vMME与广东HSS间的S6a接口，通过IP承载B网，由武汉DRA转接，在武汉DRA上配置MME及HSS上的河南NB号段数据。

该NB-IoT网络部署组网图如图1所示：

图1 某公司NB-IoT网络部署案例图

5 结束语

本文讨论了NB-IoT的现状、特点及网络组成，重点分析了NB-IoT核心网的专网部署优势、NB-IoT核心网的虚拟化部署优势及NB-IoT核心网网元设置方案，并给出了一个在某省公司已经实现的一个基于NFV的NB-IoT核心网部署案例。后续，随着NB-IoT网络的大量试点和规模化商用以及海量物联网终端的接入，我们需要从NB-IoT的业务场景和业务模型方面，开展对NB-IoT网络用户面近端疏通、网关的控制面和用户面的分离等的进一步研究。

[1]3GPP. Study on architecture enhancements for cellular internet of things （release 13）： TR23.720 V13.0.0[S]. 2016.

[2]帅晶.基于NFV虚拟化的NB-IOT发展和部署研究[J].数字技术与应用，2016（11）：35-38.

Research on the Deployment Scheme of NB-IoT Core Network Based on NFV

Zhang Kefeng

China United Network Communications Corp. Henan Branch, Henan Zhengzhou 450000

The narrowband Internet of Things (NB-IoT) has entered a stage of rapid development. According to the characteristics and network architecture, special network deployment advantage of NB-IoT core network, network element deployment scheme and virtualization deployment advantages are analyzed, a NB-IoT core network deployment case based on NFV technology is given, and the further development of NB-IoT core network is discussed.

NB-IoT; network architecture; NFV; deployment strategy

TN915.01

A

1009-6434（2017）10-0020-03

张科锋，毕业于西安邮电学院，本科学历，现工作于中国联合网络通信有限公司河南省分公司。