面向NB-IoT的核心网问题研究

2017-12-27马洪源肖子玉卜忠贵赵存

移动通信 2017年22期

关键词：网元信令核心网

马洪源，肖子玉，卜忠贵，赵存

面向NB-IoT的核心网问题研究

马洪源，肖子玉，卜忠贵，赵存

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

为了快速实现NB-IoT核心网部署，通过对NB-IoT核心网架构以及关键技术进行研究，分析了面向NB-IoT的核心网参数模型，得到了相关网元需要具备的能力，并对网元设置方式和组网方式给出了建议。

NB-IoT 核心网 SCEF 组网

1 研究背景

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）是由3GPP定义的基于蜂窝网络的窄带物联网技术，通过在LTE基础上进行端到端优化，广泛适用于智能抄表、智能停车、智慧农林牧渔业以及智能穿戴、智慧家庭、智慧社区等LPWA（Low Power Wide Area，低功耗广覆盖）类物联网业务，具有支持海量连接、深度覆盖能力、低功耗、低成本等特点。

NB-IoT以FDD蜂窝接入技术为基础，为各种物联网UE提供安全可靠的数据传输通道，面向各行业提供物联网整体应用服务。NB-IoT物联网总体架构包含三层：感知层、网络层、管理及应用层。具体如图1所示。

2 NB-IoT核心网关键技术

NB-IoT基础网络平台包括无线接入网及核心网，提供了整个物联网业务传输通道。其中，NB-IoT核心网除了增加SCEF（Service Capability Exposure Function，服务能力开放功能）设备及S11-u接口外，与LTE核心网逻辑网元基本相同。具体如图2所示。

（1）控制面优化方案

在LTE网络中用户数据传输为UE在Idle态发起数据传输，流程复杂，信令开销远远大于数据包本身。NB-IoT提供了窄带物联网UE的接入控制和小数据传输优化技术：用户数据仅通过原控制面的非接入层分组数据单元加密打包进行传递，无需建立S1-U，节省了部分空口信令交互开销。

（2）用户面优化方案

用户面传输优化方案中用户数据仍通过S1-U进行传递，针对低频发小包传送，通过增加新的用户协议状态RRC Suspend，在用户、eNB、NB-IoT核心网中均保留原有PDN连接的上下文信息。当需要进行数据传输时，UE根据Resume ID与映射存储在eNB上的接入层上下文，eNB根据已恢复的上下文映射至S1-AP上下文，并恢复RRC和S1-AP连接。

方案对比具体如表1所示。

无论是控制面还是用户面优化方案均能减小信令开销，提升UE待机/续航能力。但对于单用户特定时间来说，只会存在一种方式，连接态时允许控制面切用户面，不允许用户面切控制面；空闲态时则无限制。对于整机来说，允许两种方式同时存在，不同应用可以选择不同的传输方式。从支持的应用场景以及对网络的改造难度方面综合分析，控制面优化方案更适合窄带小包物联网业务，通过信令优化，空口、S1接口信令可减少50%以上，但受限于控制面带宽，不适合大量用户同时接入。目前，NB-IoT将控制面数据传输方案作为必选，用户面传输方案作为可选。

2.2 功耗优化

为进一步降低终端电源消耗，NB-IoT引入了长周期TAU（Tracking Area Update，追踪区更新）、eDRX（Enhanced Discontinuous Reception，增强的非连续性接收）及PSM（Power Saving Mode，节电

eDRX允许网络和设备同步睡眠周期，增加了延迟，更适合针对网络发起的应用进行优化。对于有远程不定期监控（如远程定位、电话呼入、配置管理等）需求且实时性要求很高的场景，如果允许一定的时延，可以采用eDRX并将寻呼周期设得尽量短些。

UE可在Attach和TAU中请求开启PSM或（和）eDRX，但最终开启哪一种或两种均开启、周期是多少均由网络侧根据业务类型以及场景协商后决定。如果允许两者都使用，网络侧需配置eDRX参数使得Active Timer超时之前有多个寻呼时刻。这是为了确保即使UE处于Active Timer的Idle状态，也能够减少功耗。

2.3 协议优化

NB-IoT协议信令流程基于LTE设计，对信令进行了剪裁，并针对NB-IoT业务的特点进行了协议优化。如优化系统信息，通过延长系统信息有效降低上行随机接入、小区选择和重选的频次，降低UE功耗。

通过引入PTW，允许在PTW内多次寻呼UE，进行寻呼优化。MME通过接收并存储S1接口上UE上下文释放完成消息中携带的覆盖增强相关信息（包括全球小区标识和覆盖增强级别）在后继寻呼消息中携带该覆盖增强信息。

NB-IoT协议专门做了基于APN和服务PLMN的速率控制。基于APN建立承载个数的NAS拥塞控制是指P-GW或SCEF向UE发送APN上行速率控制命令，用于控制通过数据无线承载（S1-U）或信令无线承载（NAS数据PDU）发送到该APN的数据PDU。基于服务PLMN控制NB-IoT用户上行数据包的速率通过核心网侧Rate Control参数的下发实现。在PDN连接建立过程中，MME可向UE和P-GW/SCEF通知服务PLMN为NAS数据PDU执行的服务PLMN速率控制。

2.4 业务能力

（1）短消息

如图2所示，NB-IoT存在两种短信解决方案：基于SGs接口的短消息和基于SGd接口的短消息。其中，基于SGs接口的短信有以下两种实现方案：

方案一：标准SGs方案，UE支持电路域联合附着，需要考虑电路域设备VLR容量。

方案二：简化SGs方案，UE不支持联合附着，MME代理实现。

（2）Non-IP

对于大多数NB-IoT应用，发送的数据报告频率低、字节小，一般报告为20～200个字节，这样UDP/IP传输层协议栈的占用字节（IPv4，28字节；IPv6，48字节）所占的数据报文比例很高，尤其是在有效负荷小于20字节的情况下，报文头甚至超过了数据，所以在这种情况下，UE传输Non-IP数据可以大幅提升无线网络数据传输效率。

Non-IP数据传输有以下两种实现方式：

方案一：通过SCEF传递Non-IP数据，无需建立用户面承载，属于Non-IP专属解决方案。需新建SCEF网元节点，并且MME需要开通并支持T6a接口。

方案二：通过SGi进行UDP/IP封装，以隧道方式支持Non-IP小数据包传递。使用P-GW功能传输IP及Non-IP数据，适用于IoT UE与某个单独的AS之间协商并进行隧道加密的通信场景。网络侧需要给每个IoT UE都分配1个IP地址，MME/eNB需要支持提示UE禁用IP头压缩功能。当UE想要采用Non-IP的PDN连接来发送小数据包时，发送“Non-IP”标识给网络侧。

（3）能力开放

SCEF是专门为NB-IoT设计引入的，其除了用于解决Non-IP数据传输外，还是3GPP定义的能力开放功能逻辑网元，SCEF能够把3GPP定义的网络接口提供的网元业务能力安全地开放给第三方业务供应商。

通过调用这些API接口，能够进一步开发网络价值，为运营商带来额外收入，如通过连接RCAF（RAN Congestion Awareness Function，无线网络拥塞感知功能实体）基于无线网管能监控无线网络拥塞的天然特性，从网管中获取网络拥塞信息，加以整理和补充用户信息，将拥塞小区及受影响的用户信息发送至PCRF；通过连接BMSC（Broadcast Multicast Service Center，广播组播业务中心），实现广播与组播业务。SCEF提供的标准接口及典型功能如表2所示。

表2 SCEF提供的标准接口及典型功能

3 面向NB-IoT的核心网参数模型

物联网业务不同于人网业务，具有业务种类多样、小数据通信且上行占优、会话时间较短、终端数量巨大、时延控制、终端移动性低等特性。不同的业务对核心网资源的要求也不尽相同，提供一种通用且有代表意义的业务模型估算方法，将有助于核心网设备资源评估及规划，业务模型主要有与核心网设备密切相关的忙时PDP连接数、上行/下行数据包大小、忙时附着签约比、忙时平均每用户峰值速率、信令连接数、处于PSM状态的UE比例等参数指标。

3GPP参考模型给出了四种行为模式及其数据包大小和通信频率参考模型，具体如表3所示。

4G用户PDP连接主要包括缺省承载和专有承载，按照典型话务模型数据业务每激活用户承载个数为1.2～1.5，2016年移动设备集采模型约为1.3PDP/用户。而NB-IoT一般只有一个数据APN，理论上每用户一个PDP连接。上行/下行数据包大小可根据业务行为模式归类表3对应数据。鉴于初期用户规模较小，可以认为NB-IoT用户均接入网络且100%并发使用数据业务。基于上述假设，取定单用户数据包平均值为200 bytes，可以粗略测算忙时平均每用户峰值速率（不含开销）约为0.03 kb/s。

NB-IoT用户信令连接数与业务通信频率紧密相关，如水表、电表、燃气约为1次/天，智能停车12次/天，物流跟踪车辆监控月24次/天；而4G个人用户信令消息数约为55～75次/h。以S6a接口为例，100万4G个人用户的信令数为2 624TPS，而一个典型的NB-IoT抄表业务实验室测试数据为101TPS。

另外，开启PSM和eDRX会涉及S-GW下行缓存报文，单用户缓存报文的数量及缓存报文的时长会对S-GW内存配置产生影响。单用户缓存报文越多，时长越长，对S-GW设备内存消耗也就越多。

综上所述，NB-IoT用户基于其技术和业务特点，对核心网资源（包括数通及防火墙）的需求普遍低于4G个人用户，但由于缓存机制的存在对S-GW存储资源需求较大，呈现出非线性匹配关系。初期考虑到大部分业务为终端上报类业务，可以直接给定业务参数模型；后续随着用户规模及种类的增加，建议参考表3关于NBIoT的四种行为模式，基于用户细分业务类型对关键参数进行加权平均得出对核心网资源的需求，同时随着业务商用的深入，不断优化并提高参数的精准度。

表3 3GPP关于NB-IoT的四种行为模式的参考模型

4 NB-IoT核心网部署方案

4.1 网元能力

NB-IoT核心网与LTE核心网架构基本相同，均涉及HSS、MME、S-GW、P-GW等网元，并进行了功能的简化、优化。具体如表4所示：

表4 NB-IoT核心网新增功能和涉及网元

为更好地支撑能力开放，NB-IoT也需要PCC网元配合。

4.2 设置方式

网元设置方式主要包括集中设置和分散设置。作为基础网络平台的核心网主要起到管道连接、疏通作用，网元设置方式主要考虑面向业务应用和管理运营、面向UE和无线侧接入两方面因素。

HSS和P-GW负责用户开通、业务路由及计费，应支持物联网的统一号码管理、业务控制、运营管理和支撑管理的要求，从支撑物联网集中运营角度考虑，宜采用集中部署方式。

MME和S-GW负责基站接入、用户移动性管理及通用数据转发，应有效支撑不同技术制式本身以及制式之间对移动性管理和数据转发的需求，全网或大区集中设置不仅流程复杂、维护管理难度大，而且需要建设省际三层PTN网络，因此建议采用分省部署。

4.3 组网方式

NB-IoT基于LTE但又不同于LTE，因此NB-IoT核心网存在融合组网和独立组网两种思路。两种方案在业务满足能力方面基本相同，但在网络规划、网络组织、设备配置、安全稳定、网络演进、维护管理、能力开放等方面存在差异。具体如表5所示。

表5 NB-IoT核心网组网方案对比

考虑到物网与人网的业务模型存在较大差异，从提高投资效益、增加业务稳定及网络演进角度考虑，建议NB-IoT核心网优先考虑独立组网，尤其是随着NB-IoT业务规模的增长和NFV技术的进一步成熟。

5 结束语

本文通过对NB-IoT核心网关键技术的梳理，归纳总结了NB-IoT核心网网元应当具备的能力，并指出差异化的业务决定了NB-IoT网络配置的多样性和复杂性，而合理的网络参数设置能够充分发挥NB-IoT物联网技术特性。通过对网元设置方式及组网方式进行研究，提出NB-IoT核心网既可以通过现网升级实现，也可以采用新建方式完成，目前阶段NB-IoT核心网的组网建设方式更多地取决于市场策略，即是否需要以更低的成本和更快的速度赢得更多的市场发展空间。

[1] 中国移动通信集团公司. 中国移动NB-IoT-eMTC技术试验核心网测试规范[S]. 2016.

[2] 中国移动通信集团公司. 面向物联网的蜂窝窄带接入（NB-IoT）核心网总体技术要求[S]. 2016.

[3] 中国移动通信集团公司. 面向物联网的蜂窝窄带接入（NB-IoT）核心网设备技术要求[S]. 2016.

[4] 3GPP TS 23.401 V13.8.0. Technical Specifi cation Group Services and System Aspects; General Packet Radio Service (GPRS) Enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) Access[S].2016.

[5] 3GPP TS 36.331 V13.3.0. Technical Specifi cation Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC);Protocol specifi cation[S]. 2016.

[6] 3GPP TS 23.720 V13.0.0. Technical Specifi cation Group Services and System Aspects; Study on architecture enhancements for Cellular Internet of Things (Release 13)[S]. 2016.

[7] 3GPP TS 23.301 V14.2.0. Technical Specifi cation Group Core Network and Terminals; Non-Access-Stratum (NAS)protocol for Evolved Packet System (EPS)[S]. 2016.

[8] 3GPP TS 36.304 V13.3.0. Technical Specifi cation Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE)Procedures in Idle Mode[S]. 2016.

[9] 3GPP TS 23.682 V13.3.0. Technical Specifi cation Group Services and System Aspects; Architecture enhancements to facilitate communications with packet data networks and applications[S]. 2016.

[10] Paving the path to Narrowband 5G with LTE Internet of Things (IoT)[EB/OL]. [2017-08-15]. https://www.qualcomm.com/documents/whitepaper-paving-pathnarrowband-5g-lte-internet-things-iot.★

Research on Core Network Problems Oriented to NB-IoT

MA Hongyuan, XIAO Ziyu, BU Zhonggui, ZHAO Cun
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

In order to rapidly realize the deployment of NB-IoT core networks, the architecture and key techniques of NBIoT core networks were investigated. The core network parameter oriented to NB-IoT was addressed to obtain the capability of the corresponding network element. The suggestion on the network element confi guration method and networking mode was presented.

NB-IoT core network SCEF networking

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.22.007

TN929.5

1006-1010(2017)22-0029-07

马洪源,肖子玉,卜忠贵,等. 面向NB-IoT的核心网问题研究[J]. 移动通信, 2017,41(22): 29-35.

2017-08-15

袁婷 yuanting@mbcom.cn

马洪源：工程师，硕士毕业于北京邮电大学，现任中国移动通信集团设计院有限公司网络所高级咨询设计师，主要研究方向为移动通信核心网。

肖子玉：教授级高级工程师，美国北卡罗来纳州立大学访问学者，学士毕业于北京邮电大学，现任中国移动通信集团设计院有限公司网络所总工程师，院科技委委员，中国通信协会高级会员，主要从事通信工程咨询、设计和研究工作，在核心网5G、NFV、IMS、RCS、全业务、国际通信网、智能网、信令网、信息安全、投资评估等领域积累了丰富的咨询设计和研究经验。