低轨卫星物联网数据传输流程设计

崔雪伟，张更新，谢继东，屈德新

(南京邮电大学 通信与网络技术国家工程研究中心，江苏 南京 210003)

0 引 言

短距离通信的物联网技术如ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等[1]，只适应于小范围的智能应用，比如智能家居。专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的LPWAN(低功耗广域网络，low power wide area network)，更能适应大范围的工业环境，比如智能抄表、环境监控等。从技术解决方案看，LPWAN可分为两大类：一类是工作在非授权频段的LoRa、Sigfox等技术，另一类是工作在授权频段下3GPP(第三代合作伙伴计划，3rd generation partnership project)支持的2/3/4 G蜂窝通信技术，如NB-IoT等。NB-IoT作为基于蜂窝网络的新一代物联网技术，基于LTE(long term evolution，长期演进)技术，其标准在2016年6月份获得3GPP认证，具有完备的网络架构、齐全的产业链和成熟的运营模式[2]。

作为一种LPWAN，低轨卫星物联网在解决海洋、沙漠、森林、山区及其他偏远地区的物联网覆盖方面具有得天独厚的优势，近年来得到广泛的关注[3]。但由于低轨卫星物联网应用环境的特殊性，导致不能简单地照搬地面成熟的LPWAN技术。文中试图通过仿真研究NB-IoT协议对低轨卫星物联网应用场景的适应性，并重点研究了NB-IoT协议应用于低轨卫星物联网后业务传输流程的设计问题。

1 NB-IoT的业务流程研究

1.1 NB-IoT概述

在3GPP Rel13中引入的窄带物联网(NB-IoT)技术是这样定义的：蜂窝物联网的无线接入，在很大程度上基于非后向兼容的E-UTRA(evolved universal terrestrial radio access，演进的通用陆地无线电接入)，增强室内覆盖，支持大量的低吞吐量设备，低延迟敏感度，超低成本，低功耗设备和优化网络体系架构[4]。该系统基于LTE系统，可以支持LTE的大多数功能，并针对NB-IoT的适用场景进行必要的简化及优化操作，减少设备复杂度，降低资源开销。

现有的LTE流程，对于NB-IoT而言，发送单位数量的数据，终端的能量消耗和网络信令开销都比较高，因此对NB-IoT做出了相应的改进[5]，提出了控制面数据优化传输方案和用户面数据优化传输方案。控制面数据传输优化的基本原理是UE终端在请求RRC(radio resource control，无线资源控制)连接建立过程中，在无线信令上携带IP或者非IP小数据包，利用控制面传输用户数据。用户面数据优化传输方案的基本原理是引入RRC连接挂起和恢复流程，可以减少RRC重建立带来的更多的信令交互。为优化整个流程，NB-IoT也在网络架构上做了相应改进，如图1所示。

图1 NB-IoT端到端系统架构

图1中各网元实体的功能如下：

(1)UE(终端)：作为NB-IoT连接万物构成物联网的主导设备，终端进行数据传输需要协商NB-IoT的能力[6]，支持控制面传输方案和用户面传输方案，在进行上行数据传输时，可以进行上行功率控制。

(2)eNodeB(基站)：NB-IoT可共用LTE的基站，也为NB-IoT进行了一系列的性能优化，比如支持RRC连接挂起和恢复，会在eNodeB中存储连接上下文信息以便更快恢复连接。

(3)NB-IoT核心网：在实际网络应用中，为减少物理网元实体个数，会将部分核心网网元，如MME(mobility management entity，移动管理实体)，S-GW(serving gateway，服务网关)，P-GW(packet data network gateway，分组数据网关)一起部署，称之为CIoT服务网关节点[7]。核心网的主要功能是承担与终端非接入层的交互功能，NB-IoT可以与LTE共用核心网也可以单独组网。

(4)NB-IoT数据平台：将得到的各种NB-IoT的数据汇聚在一起，为各种应用服务提供云服务平台。

(5)NB-IoT应用服务：通过IoT平台得到的数据，根据用户需要提供相应的服务。可以进行数据分析，比如地质监测、智能电表等服务[8]。

1.2 NB-IoT数据传输业务流程

在NB-IoT中，使用用户面优化数据传输方案的前提是UE已经在初始阶段进行网络附着，并在UE侧建立AS(access stratum，接入层)承载和存储AS安全上下文，而且通过RRC连接挂起操作将RRC连接挂起。当UE处于空闲态，任何NAS(non-access stratum，非接入层)触发的相关操作都可能引起UE尝试进行RRC连接恢复操作[9]。

UE在进行RRC连接恢复操作前保证UE已经存储了用于连接恢复的相关信息，具体RRC连接恢复操作如图2所示。

图2中的流程简述如下：

(1)UE向eNodeB发起RRC连接恢复请求，UE会将存储的连接恢复标识同RRC连接恢复请求一同发送给eNodeB进行上下文恢复。该连接恢复标识是在RRC连接挂起时eNodeB生成并同RRC连接挂起消息一同传送给UE，UE将恢复标识存储起来。

(2)eNodeB向MME发送S1-AP UE上下文连接恢复请求，MME可以拒绝请求，如果MME接受RRC连接恢复请求，MME进入连接态恢复S1-AP连接。

图2 UE发起连接恢复操作流程

(3)MME向eNodeB回复连接恢复响应或者拒绝连接恢复响应。

(4)如果MME拒绝连接恢复请求，eNodeB会根据拒绝承载信息进行RRC连接重配置。

(5)如果RRC连接恢复建立，UE就可以上传数据，数据将通过eNodeB，MME，SGW传送到PGW。

(6)为了将成功恢复连接的承载信息通知到SGW，MME向SGW发起修改承载请求，消息中携带成功恢复连接的eNodeB的用户面IP地址和TEID(tunnel endpoint identifier，隧道端点标识)，并携带RRC建立原因为上行数据发送，SGW也会将修改承载请求连同RRC建立原因一起发送给PGW。

(7)PGW向SGW回复修改承载响应，SGW向MME返回修改承载响应。

从该通信流程中了解到，NB-IoT的通信协议终端与基站之间交互频繁，而在卫星环境下，动态的星座拓扑结构以及卫星位置相对地面的变化造成物联网终端与基站之间的连接是不稳定的；其次，星上资源有限，不稳定的链路尝试再次连接需要在星上存储大量的上下文信息，从而造成星上资源负载过重。因此低轨卫星物联网要想借助NB-IoT的核心网进行实施，有必要对NB-IoT的通信流程进行改进。

1.3 NB-IoT协议在低轨卫星物联网下的适应性仿真分析

在地面物联网中，大量的数据服务都是短突发数据传输。NB-IoT有着完整的接入网络和高基站密度，而且基于LTE，移动网络运营商(MNO)提供的低成本，可管理性和可靠性可以成为NB-IoT设备广泛接受和部署的推动者[10]。

文中使用NS3仿真工具进行系统级仿真[11]，仿真按照NB-IoT的参数进行设置，只是为模拟低轨卫星物联网的应用环境而加大了传输距离，并将基站节点作为卫星节点。具体参数配置如表1所示。

表1 NB-IoT仿真参数

考虑到物联网终端发送功率在23 dBm时，并不能进行远距离传输，所以首先在距离1 km到100 km之间做了仿真研究，得到吞吐量、误码率以及系统传输时延的仿真曲线，如图3所示。

图3 NB-IoT网络上行吞吐量、丢包率、系统时延与距离的变化关系

从图3可以看到，参照NB-IoT的参数无法完成远距离传输，在传输距离20 km后信号的吞吐量下降很快，而且丢包率和系统时延迅速增加，系统状态基本上是不可用的。因此采取增大终端功率的方法再次进行仿真实验，来探究在进行远距离传输时，终端所需要的发送功率。于是，仿真实验设置距离在780 km到2 000 km之间，并且设置功率变化。为保证能够进行传输，将卫星基站的天线增益增大到24 dBi，仿真结果如图4所示。

图4 不同终端发送功率下NB-IoT网络上行吞吐量、丢包率、系统时延与距离的变化关系

从图4可以看到，如果采用NB-IoT的通信协议，只有将终端发送功率增大到200 W(对于0 dBi天线增益)以上才可能得到可接受的吞吐量和丢包率。但在低轨卫星物联网中，为使终端做到低功耗，是不可能支持200 W的发送功率的。

综上来讲，照搬NB-IoT协议显然是不行的，必须要对其进行修改。其中在物理层需要进行重新设计，需要降低上行速率、增大天线增益等，而在网络层需要简化传输流程，设计一个优化的低轨卫星物联网业务流程以达到数据传输的可行性。文中接下来主要研究传输流程的优化设计。

2 低轨卫星物联网下业务初步设计与分析

2.1 低轨卫星物联网简介

相比地面物联网，利用通信卫星建立物联网具有下列优势[12-13]：覆盖地域广，可实现全球覆盖，传感器的布设几乎不受空间限制；几乎不受天气、地理条件影响，可全天时全天候工作；系统抗毁性强，自然灾害、突发事件等紧急情况下依旧能够正常工作；易于向大范围运动目标(飞机、舰船等)提供无间断的网络连接等[14]。

相比于采用对地静止轨道(GEO)卫星，采用低轨道(LEO)卫星实现物联网，将能够降低传播时延，提高消息的时效性；减小传输损耗，有助于终端的小型化；通过多颗低轨卫星构成星座实现全球无缝覆盖(含两极)，提高物联网的覆盖范围；实现见天通，解决特定地形内(如到GEO卫星视线受限的城市、峡谷、山区、丛林等区域)通信效果不佳的问题；缓解GEO卫星轨道位置和频率协调难度大的问题[15]。

因此，近年来低轨卫星物联网得到了广泛关注，已经在国内外掀起一股研究和建设的热潮。

2.2 低轨卫星物联网业务流程初步设计

针对NB-IoT在低轨卫星物联网业务中的不适应性，对低轨卫星物联网业务流程进行相应改进。以低轨卫星物联网数据传输业务为例，具体流程如图5所示。

图5 低轨卫星物联网数据传输流程

改进后的流程简述如下：

步骤1：终端进行首次附着时需要向卫星建立RRC连接，在核心网注册服务，这是数据传输进行的前提条件；

步骤2：卫星在接收到终端的连接建立请求后，要进行基本的接入鉴权，之后再发送连接建立响应；

步骤3：根据终端发送数据的QoS要求，将数据一次性传输或者进行多次传输以保证传输可靠性；

步骤4：终端接收卫星确认信息或不等待；

步骤5：卫星经过星间链路或者直接下发到信关站，或先星上存储再过顶信关站时下发数据包；

步骤6：模拟终端与基站之间的信令交互建立RRC连接；

步骤7-8：在信关站中F-UE与F-eNodeB恢复RRC连接之后，信关站中的F-eNodeB向MME发送S1-AP UE上下文恢复请求，MME如果接受请求，再向信关站发送S1-AP UE上下文恢复响应；

步骤9-11：与NB-IoT传输流程基本相似，进行核心网的数据传输工作。

针对NB-IoT数据传输业务流程进行改进，设计一个可行的低轨卫星物联网业务流程。改进方案具体如下：

在步骤6信关站中采用欺骗机制模拟终端与基站之间的信令交互，再与核心网进行连接。具体来说，信关站在DPG(data process gateway，数据处理网关)中创建F-UE(模拟UE)与F-eNodeB(模拟eNodeB)，并将已创建的F-UE保存在数据处理网关的缓存中，信关站接收到数据包后，依据数据包上标识的终端信息在缓存中查询，判断已创建的模拟终端是否包含该数据包所述终端。若包含，则从缓存中获取已创建的F-UE，并查询该F-UE的连接上下文，与F-eNodeB进行数据恢复连接请求；若不包含，则建立新的F-UE，与F-eNodeB进行数据连接，随后将F-UE放入缓存中。DPG会在一段时间内保存所建立的模拟终端，以便减少终端在短时间内再次发送数据需要频繁建立模拟终端所带来的资源消耗。

2.3 低轨卫星物联网业务流程仿真

对NB-IoT数据传输流程以及改进后的NB-IoT数据传输流程，在卫星环境下进行整个系统的上行时延对比。在实验中对数据传输参数中的终端传输功率进行了加大，保证通信的可行性，以假设这两种方案在物理层上是可行的。仿真结果如图6～图8所示。

图6 NB-IoT数据传输方案与低轨卫星物联网新型数据传输方法在卫星环境下 终端发送60个数据包上行归一化吞吐量与距离的变化关系

图7 NB-IoT数据传输方案与低轨卫星物联网新型数据传输方法在卫星环境下 终端发送60个数据包上行丢包率与距离的变化关系

图8 NB-IoT数据传输方案与低轨卫星物联网新型数据传输方案在卫星环境下 终端发送60个数据包上行平均时延与距离的变化关系

从图中可以看到，在终端数相对较少时，NB-IoT的传输性能与新型低轨卫星物联网的传输性能相差不大，然而随着终端数的增大，系统吞吐量会下降，而且误码率会越来越高。原因在于，随着终端数的增大，接入的碰撞几率会增加，造成丢包的几率也越来越大，继而造成重传的次数也会增加，导致传输时延增加。从图8可以看出，这种因素对NB-IoT传输流程影响较大，对设计的新型低轨卫星物联网数据传输方案影响较小。因此，证明了新型低轨卫星物联网数据传输流程性能的优越性。

将终端与卫星的交互和卫星下发数据到信关站再到核心网分为两段，在终端与卫星之间采用简单的交互，而将真正的交互放在信关站中设置的数据处理网关，也就相当于地面物联网的终端与基站，可与地面的核心网以及业务层形成整个业务流程的实体框架。通过分段式的处理方式，减少了终端与卫星之间的信令交互，解决了卫星环境下动态链路不能为终端与卫星之间提供稳定连接的问题，有效缓解现有技术存在的传输时延大的问题。

3 结束语

通过仿真证明了将NB-IoT协议直接搬移到低轨卫星通信场景是不可行的，需要在物理层、链路层和网络层对NB-IoT协议分别进行调整。为此，设计了一种基于NB-IoT的分段式低轨卫星物联网数据传输业务流程，并通过仿真验证了该业务流程传输的可行性以及时延上的改进。受技术条件、能力和时间的限制，目前只是针对NB-IoT数据传输业务流程进行了初步改进，要完善整个低轨卫星物联网系统业务流程还需要进一步努力。