4G网络适应物联网应用的增强设计和实现

郑武

摘要：为了支持物联网应用，在分析安全性、传输时延、移动性和传输有效性的基础上，指出有必要增强现有的网络架构、更新相关信令流程的问题，并给出终端进入网络，发起数据传输以及终结数据传输场景下的具体消息交互过程，通过分析表明这是一个较优的解决方案，能达到预设的各项指标。

关键词：物联网 机器类通信 非频繁小数据传输

1 引言

IoT（Internet of Things，物联网）是当前互联网的革命性的演进，网络从提供人的互联发展到可以使物物互联[1-2]。IoT将感知或收集到的数据转化为智能的信息，使人们的生活环境更加智能[3-4]。物联网应用涉及诸多场景[5]，包括：

◆智能家居：家庭的个人生活模式得到增强，可以更加便利地远程监控和操作家庭设备和系统；

◆工业自动化：依赖于最小的人力干预，机器人设备通过电脑控制以完成制造任务；

◆智能医疗：在患者身上或药品中嵌入传感器和激振器，用于监测和跟踪患者的身体状况；

◆智能电网：电网运营者可据此来控制和管理资源，以使得电力的供应量正比于人口的增长，因此家庭和建筑物的电力消耗可得到增强；

◆智慧城市：以简便的方式为居民提供感兴趣的信息，从而提高城市生活质量；例如：依据人们需要，多个互联的系统可智能地提供感兴趣的服务，包括交通、基础设施和医疗等。

就IoT而言，它由六个部分组成：标记、传感、通信、计算、服务和语义信息的理解。标记可以是电子产品编码，用于命名和匹配所需要的服务；传感是从相关的对象收集数据并将其发送给数据库、数据仓库和数据中心等；通信是用于连接这些传感对象和数据设施等；计算是指執行任务的硬件处理单元（如微控制器、微处理器和可编程门阵列等）和软件应用，云平台是IoT的一个特定的重要计算部分；服务分为4类：基于身份的服务、信息汇集服务、协作感知的服务和泛在的服务；语义信息的理解是指智能地提取知识的能力，以便提供所需的服务[5]。

实现IoT的一个重要环节就是通信，移动通信是其中发展最为活跃的方式[6-7]。当前移动通信系统正向第5代（5G）发展，预计2020年可以预商用。进入本世纪以来，3G在话音通信的基础上提供了基本的数据服务；4G实现了移动互联网；5G则强调数据、连接性和用户的体验，并积极发展移动物联网。

2 业务特性

当前的移动通信网络是为人与人之间的通信而设计的，定义了会话型业务、流媒体业务、交互式业务和背景型业务等诸多类型。与业务类型相关联，在网络结构、协议栈和传输模式的设计等方面均要适配这些业务，以保障信息传输的有效性、可靠性、安全性和经济性[8]。

物联网的机器类通信业务呈现出低移动性、小数据量和非频繁数据传输等诸多特性，某些应用示例下的业务流量模型如表1所示[9]。为了适应这类业务的快速发展，现有的移动通信网络应做出调整和相应的增强，在保证传统“人-人”通信的服务质量的基础上，努力改善某些物联网业务的性能。

3 现有4G网络中数据传输通道的准备过程

4G移动通信网络包括接入网和核心网两部分，如图1所示。eNB（evolved Node B，演进的节点B，即基站）是接入网的唯一设施，它为UE（User Equipment，用户终端）提供用户平面和控制平面的连接。其中用户平面用于用户数据的传输，控制平面则传递RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）消息，实现无线承载控制、无线接入控制、连接状态下的移动性管理和资源的动态分配等。MME（Mobile Management Entity，移动管理实体）、S-GW（Serving Gateway，服务网关）、PDN-GW（Packet Data Network Gateway，分组数据网络网关）以及HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器）和PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略与计费规则功能）节点均为核心网的逻辑节点。MME跨越eNB与UE交互的控制信令称之为NAS（Non-Access Stratum，非接入层信令）；作为UE在核心网的代理，MME与HSS交互完成UE的安全和认证等操作，并更新UE的位置信息等。S-GW和PDN-GW是用户数据传输的通道，两者跨域eNB与UE保持连通。这两个网关是MME基于网络的负载状况来为UE选择的，也就是说，信令通道较用户数据通道更早建立。在建立用户数据通道时，为适配各种业务的服务质量（QoS）需求，如不同的数据速率、差错率和时延要求等，驻留在PDN-GW中的PCEF（Policy and Charging Enforcement Function，策略与计费执行功能）节点与PCRF节点协商并在其指导下，为该条用户数据的传输通道预留资源，以保证用户数据在UE与PDN-GW之间安全、可靠和有效地传输。

网络进入（Attach）是指UE注册网络进而获得网络所提供服务的过程。本节以Attach为例，描述UE为获得数据传输的通路所涉及的节点和信令交互，具体流程如图2所示[10]：

（1）UE向eNB发送Attach请求，包含UE的ID、安全性、位置和业务请求等信息；

（2）eNB向MME转发Attach请求；

（3）如果Attach请求未进行完整性保护，则MME分别与UE和HSS交换信息，完成认证操作；

（4）如果UE自上次离开网络，更新到了新的跟踪区（TA），则MME与HSS交互完成相应位置更新的请求和响应；

（5）MME向S-GW发送“建立会话请求”；

（6）S-GW向PDN-GW转发“建立会话请求”；

（7）如果采用动态的策略控制，驻留在PDN-GW中的功能实体PCEF向PCRF请求建立该会话，PCRF修改与该会话承载所关联的参数，并告知PDN-GW；

（8）PDN-GW向S-GW发送“建立会话响应”；

（9）S-GW向MME转发“建立会话响应”；

（10）MME向eNB发送Attach接受；

（11）eNB向UE转发Attach接受；

（12）UE向eNB发送Attach完成；

（13）eNB向MME转发Attach完成。

至此，UE经eNB和S-GW到PDN-GW的上行链路以及反方向上的下行链路建立完毕，用户数据可沿着此链路传递。

4 面向物联网数据传输的网络结构和流

程优化

4.1 网络结构优化

上文業已描述既有4G网络数据传输的特征：

◆进入核心网后，网络节点各司其职，MME负责终结UE的NAS信令，并与HSS交换安全性和位置信息；S-GW和PDN-GW则是用户数据传输的中介节点；

◆在获得用户数据传输的通道之前，先建立信令通道；

◆在动态策略控制的前提下，PDN-GW与PCRF需交互信息以配置数据传输通道。

显然，对于一般意义上的数据通信而言，例如VoIP（Voice over IP，基于IP的话音）业务，尽管每20 ms产生的数据包较小，但就电话通信而言，持续的时间可达几十秒到几十分钟，流媒体业务或者文件传输等则会有更大的数据量。当传输的数据量较大或者占用的时长较长时，完整地走完上述3个步骤是值得的，它以建立数据通道的信令开销和时延这两个方面为代价。

对于小数据量非频繁传输的这类物联网应用而言，按照这样3个步骤来实施，可能造成的结果就是，为构建数据通路的准备时间会远大于数据通路的实际占用时间，为构建数据通路所付出的信令开销会远大于真正在数据通路上传输的数据量。另外，物联网所涉及的终端数目又很多，面对这种无效的传输方式，必须在物联网应用大规模开展之前，对既有面向“人-人”通信的体制进行更新和升级，尽量以较小代价来获取性能的提升。为此，可考虑对现有4G网络架构中某些节点的功能做些扩充，主要内容如下：

（1）在核心网中，处理信令和数据的节点不要做绝对严格的划分，而是有些类似2G/3G分组域当中SGSN这个节点的功能，将MME和S-GW合二为一，并将该节点称之为C-SGN。

（2）允许小数据量非频繁传输的这类物联网应用可以在控制平面上传输，即用户数据可以封装在NAS中，作为信令在C-SGN与UE间传送。

（3）接入网中的eNB应做某些软件升级，记为CIoT-BS（Cellular Internet of Things Base Station，蜂窝物联网-基站），在与UE的能力协商的信息交互中，获取UE所执行的业务特性是否属于小数据量非频繁传输的这类物联网应用，如是，则后续的信息传递给C-SGN；否则回到4G通信网络的传统传输模式，在控制平面和用户平面分别与MME和S-GW交互信息。

（4）对于小数据量非频繁传输的这类物联网应用，较为单一的业务特性可不必采用动态的策略控制，即屏蔽与PCRF的信息交互；在静态策略控制下，可完全由C-SGN配置信息传输的QoS特性和计费参数等。

（5）在非漫游情形下，C-SGN直接与外部网络互联，即与执行小数据量非频繁传输的这类物联网应用的UE所关联的应用服务器连通，如图3所示：

（6）在漫游情形下，C-SGN则借助PDN-GW与外部的应用服务器连接，如图4所示：

4.2 流程优化

当做了这样的网络结构优化之后，重新审视如图2所示的Attach流程，则在非漫游情况下，第5～9步这些涉及数据传输通道的构建步骤都可以避免，且C-SGN直接与外部的应用服务器连接。在漫游情况下，由于MME同S-GW合二为一，第5步和第9步的实现成为节点内部的交互，可忽略；静态策略控制使得第7步可省略；第6步和第8步的C-SGN与PDN-GW的通路构建仍需保留。

进一步地，考察在其他业务建立过程中的信令精简是否得到有效实施，本节分别考虑由UE发起的业务数据传输和终结到UE的业务数据传输两种情形。

在完成Attach过程之后，UE与C-SGN之间构成了安全的传输通道。当UE发起小数据非频繁物联网应用数据传输时，其工作过程如图5所示：

（1）UE请求建立RRC连接，NAS消息用于承载加密的小数据分组，称之为NAS PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元），且指示对于该分组传输是否需要来自于应用服务器的确认或响应；没有必要建立专门的数据承载；

（2）CIoT-BS识别出业务数据属于小数据非频繁物联网应用，将该NAS PDU转发给C-SGN；

（3）C-SGN解密该NAS消息，获得原始的小数据分组，并将其转发给应用服务器；在UE漫游情况下，这一过程需借助PDN-GW；

（4）当没有对小数据分组的确认/响应，则C-SGN立即释放连接；否则，该确认/响应会传递给C-SGN；

（5）该确认/响应被加密后封装在NAS消息中，由C-SGN发送给CIoT-BS；

（6）CIoT-BS将包含NAS消息的信息转发给UE，随后释放RRC连接。

在完成Attach过程之后，UE与C-SGN之间构成了安全的传输通道。当终结到UE的小数据非频繁物联网应用数据传输时，其工作过程如图6所示：

（1）C-SGN接收到小数据分组；

（2）如果UE与C-SGN之间不存在信令连接，则C-SGN缓存接收到的小数据分组，寻呼UE，UE收到寻呼消息后反馈服务请求消息给C-SGN；如存在信令连接，则2a/2b/2c的信令传输过程可忽略；

（3）C-SGN将小数据分组加密后作为NAS PDU封装在NAS消息中，传递给CIoT-BS；CIoT-BS进一步转发该消息给UE，在此过程中，数据在信令承载上传送，没有必要建立专门的数据承载；

（4）如果要求UE对于接收到的信息给予确认/响应，则UE加密该信息形成NAS PDU，并经RRC消息发送给CIoT-BS；CIoT-BS进而向C-SGN转发该NAS PDU；

（5）C-SGN对收到的信息进行解密，随后发送给应用服务器。

当采用简化的分组核心网络架构，设置C-SGN作为专门的网络节点，以提供组合的控制平面和用户平面的功能，将具有小数据量且非频繁的物联网特性传输承载在NAS信令消息中，使得数据传输的流程得以优化，降低了信令的开销，同時减少了传输的时延。

5 结束语

现有的移动通信网络是为“人-人”通信设计的，而正在逐步兴起的物联网应用呈现出了许多新的特性。本文针对小数据非频繁传输的业务模式，在网络架构和信令的流程等方面都做了优化，主要包括：

（1）控制平面节点MME同用户平面节点S-GW合二为一；

（2）允许用户数据在控制平面上传输；

（3）对于此类传输允许静态的策略控制，以避免与PCRF之间的信令交互。

做出这些变化，有无后向兼容性的问题仍需考虑如下的几个方面：

◆安全性：现有4G网络中，在接入网PDCP子层执行安全性操作[11]。在控制平面执行加密和完整性保护，而在用户平面只需处理加密。在新的网络架构之下，用户数据也承载在控制平面的信令中，有了更多的处理，有了更好的安全保护，但这是以付出一定的复杂度为代价的。

◆传输时延：由于C-SGN作为控制平面和用户平面合二为一的节点，避免了原先数据传输通路上的MME到S-GW到PDN-GW的建立时间。同时由于涉及更少的节点，无论建立时间还是后续的数据传输，都会有更小的时延。

◆移动性管理：移动性管理是依赖于控制平面上MME与UE和HSS之间的交互维系的，所以在新的网络架构下，不涉及移动性管理的变化。

◆策略控制：由于无需PCRF的参与，只能采用静态的策略控制，在服务质量的控制上会略有损失，但小数据非频繁传输的业务特性可以将影响降到很低程度。

◆传输有效性：现有4G网络的头压缩技术只适用于数据平面，在控制平面不做任何处理。这样在PDU的传输中，由于报头不压缩，使得传输的效率会有所下降。但对于小数据非频繁这类应用，传输的数据包较少同时再次传输的间隔时间较长，这种效率上的损失可以忽略。

这种增强的网络架构和信令流程对现有的传输有效性和策略控制等方面虽影响有限，但仍不失为一个较好的解决方案。

参考文献：

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[9] 3GPP TR 23.720. Architecture enhancements for cellular internet of things[S]. 2016.

[10] 3GPP TS 23.401. General packet radio service （GPRS） enhancements for evolved universal terrestrial radio access network （E-UTRAN） access[S]. 2016.

[11] 3GPP TS 36.323. Packet Data Convergence Protocol （PDCP） specification[S]. 2016. ★