SCHC在NB-IoT上的应用

张壹驰 马克

（青海师范大学 青海省西宁市 810000）

2016年，IETF组织成立IPv6 over Low Power Wide-Area Networks 工作组，该工作组的主要任务是让低功耗广域网网络能够使用IPv6 进行连接。自工作组成立以来，其一直致力于研究将IPv6 协议与 LPWAN 网络底层通信协议整合的方案，并发布了一系列相关草案，其中最重要的是提出静态上下文报头压缩[1]。静态上下文报头压缩是通信双方预先定义压缩解压规则，通过发送压缩规则标识号及压缩剩余字节以代替发送数据包报头的一种报头压缩机制[2]。

1 窄带物联网简介

3GPP(The 3rd Generation Partnership Project,第3 代合作伙伴计划)于 2015年9月正式确定NB-IoT(Narrow Band Internet of Things,窄带物联网)标准立项，2016年6月NB-IoT 标准协议核心部分宣告完成，并正式公布基于Release 13 规范的NB-IoT 标准体系[3]。NB-IoT 拥有海量连接、超低功耗、超低成本、超强覆盖能力的优势，并且满足非实时敏感的低速业务需求[4]，NB-IoT 的上述优势使其越来越受研究者们的重视，下面具体介绍NB-IoT 的主要优势：

（1）低功耗：借助于节电模式（Power Saving Mode，PSM）和扩展周期不连续接收（extended Discontinuous Reception，eDR）两种工作模式[5]，NB-IoT 终端可实现更长待机，NB-IoT 终端如果每天发送一次200Byte 报文，使用AA 电池续航时间可以达 10年之久[6]。

（2）广覆盖：NB-IoT 技术本身具备更高覆盖能力，相比现有移动通信网络增加20dB 覆盖，可提供更佳的室内覆盖。可解决安装分散、安装位置条件复杂等网络覆盖问题，更易实现接入并保持长久在线[7]。

（3）大连接：对于单个200kHz 的服务小区，NB-IoT 可以容纳10 万个UE(User Equipment)的连接，承载能力是现有网络的100 倍[8]。

（4）低成本：单个接连模块的成本可控制在5 美金以内，甚至更低[9]。

NB-IoT 网络架构由用户终端（User Equipment,UE）、基站(eNodeB,eNB)、演进的核心系统(Evolved Packet Core,EPC)组成，具体结构如图1所示。

图1：NB-IoT 网络架构

图2：用户平面上的数据架构

图3：控制平面上的数据架构

EPC 是窄带物联网网络架构核心的组成部分，负责对终端用户的建立和控制，包括各个逻辑节点和各个接口。下面将对EPC 核心网元的功能进行介绍：

需要注意的是，最后产物中的酰卤其实就是第一步反应中的酰卤，所以催化剂的作用只是将羧酸转变为酰卤，而酰卤的a-H具有较高的活性，从而发生互变异构进而发生卤代反应。

（1）MME（Mobility Management Entity,移动性管理实体）：非接入层命令信号的安全、接入层控制系统的安全性、跟踪区域列表的管理、信息漫游等功能。

（2）S-GW(Service Gateway,服务网关)：处理接收的数据进行，监听用户，对打包的数据进行路由转发。

（3）P-GW(Packet Gateway,分组数据网关)：负责用户IP 地址的分配、基于每个用户包的过滤、合法拦截、上下行分组传输的标记等功能[10]。

（4）HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器）：负责用户签约的数据和位置变更管理。

（5）SCEF（Service Cability Exposure Function,服务能力开发单元）：负责支持新的 PDN 类型为非 IP 数据包的控制传输[10]。

图4：SCHC 实体用户平面上的放置位

图5：SCHC 实体控制面上的放置位

图6：使用NIDD 时SCHC 实体的放置位

2 NB-IoT空口协议栈

NB-IoT 空口协议栈概括性得称为“三层两面”，“三层”分别是物理层（L1 层）、数据链路层（L2 层）、网络层（L3 层），“两面”即用户平面和控制平面。

2.1 用户平面

用户平面负责主要处理业务数据，协议栈如图2所示。

用户平面协议栈只包含2 层，即物理层和数据链路层，其中数据链路层又有3 个子层。它们分别是PDCP、RLC 和MAC 层。其中PDCP 主要实现用户数据传输、加密和解密以及切换时重传PDCP SDU 等功能[11]。RLC 为上层提供数据传输服务，并在确认模式下通过自动重传请求纠错，还提供数据的分段、级联等功能。MAC 层在数据链路层与物理层之间，其位置十分关键，而且是整个数据链路层的核心，在很大程度上会影响产品的性能。MAC层主要功能有完成逻辑信道和传输信道之间的映射、SDU 复用和PDU解复用、随机接入、逻辑信道优先级等。物理层负责实现编解码、调制解调、多天线映射等功能。

2.2 控制平面

控制平面主要处理信令数据，协议栈如图3所示。

3 IP数据传输

3.1 用户平面上的SCHC

仅在无线链路上应用SCHC 时，需要将SCHC 作为用户平面数据传输的一部分。接入层是负责传输的功能层，通过无线连接传输数据并管理无线资源。用户平面的接入层主要有保证传输的安全性、分片和重组等功能。在实际的传输过程中，需要根据传输数据的大小、所需要的能量以及噪声的干扰等因素来进行优化。其优化的方法通常通过使用不同的调制和编码方式来实现。传输时间间隔(transmission time interval,TTI)是一个MAC 层的概念，它说明了一个MAC 传输块时间上的长度。每一个传输块都有不同的调制和编码方式和可发送的大小。

3.1.1 SCHC 实体的放置

在当前的架构中，常使用ROHC 对IPv6 报头进行压缩，SCHC实体可参考ROHC 部署。在这种情况下，如果数据包的大小超过了传输块的荷载，RLC 层将对数据包进行分片处理，SCHC 中的分片功能就没有必要启用以此来减少协议的开销。在未来的实际应用中，可能会出现需要使用SCHC 分片功能的特殊情况，在这种情况下，SCHC 数据包将匹配最小传输块大小对于PDCP 和MAC 报头作压缩处理。SCHC 实体位置如图4所示。

3.2 控制平面上的SCHC

3.2.1 NAS 简介

NAS 主要负责UE 和蜂窝网络之间控制信令的传输。在长期的实践过程中，NAS 功能被设计得十分适合低频次小数据的传输。NAS 中传输的数据被称为DoNAS（Data over NAS）或者控制平面上的CIoT EPS 优化。在DoNAS 中，NAS 为UE 提供安全保护，UE 将上行小数据在初始化的NAS 上行链路中传输，并使用附加的NAS 消息接收下行小数据。网络侧的数据由C-SGN 负责加密，并封装到NAS PDU 中。网络侧的设备会根据数据类型不同来选择分配IP 地址（IP 数据）或只是建立一个直接转发路径（non-IP 数据）。DoNAS 受到协议的速率控制，这意味着每个设备都要预约并在设备中配置单位时间可以传输的最大比特数。当处于省电模式的UE需要进行上传或接收来自网络侧的下行指令并反馈时，通常需要使用DoNAS。根据要传输的数据的大小，UE 可以被指示部署连接模式的传输，从而将DoNAS 传输限制到预定义的值，以此带来终端和网络侧的资源优化平衡。为了让DoNAS 具有更好的移动性，可以在报头中加入更多的控制信息，但这样会占用更多的带宽，需要在实际应用中灵活的选择。

3.2.2 SCHC 实体的放置

在控制平面协议栈中，将SCHC 实体布置在NAS 层是最为合理的选择，这意味着SCHC 实体在网络侧将部署在核心网中的C-SGN，而不是基站中，如图5所示。

3.3 SCHC相关参数设置

3.3.1 SCHC 上下文初始化

根据RRC（Radio Resource Control,无线资源控制）协议配置3GPP 接入层的各项参数。SCHC 将参考RoHC 的方法以类似方法进行配置并且符合RRC 协议的要求。

3.3.2 SCHC 规则

在典型场景中，上下文中的规则由网络运营商定义。因此，网络管理员必须知道设备将执行的IP 通信类型。这意味着网络管理员必须为不同的设备设置兼容的配置方案。网关设备为多个网络间提供数据转换服务，自然需要支持不同网络之间的各种协议，具有更高的复杂性。

3.3.3 规则标识号

在将SCHC 应用于NB-IoT 的场景下，可以合理预计需要9 个字节的无线开销，其中包括PDCP 层中的5 个字节和RLC 层、MAC 层的4 个字节。如果追求在数据包中的控制信息尽可能少，在极端的情况下，SCHC 开销不能超过的最小实用传输块的可用位数。因为3GPP 网络处理的数据包是字节对齐的，所以可能的最小有效负载（包括填充字节）是8 比特。因此，为了利用最小的传输块，SCHC 最多占用8 比特，其中除了规则标识号之外还必须包括原先报头中不压缩的字段。另一方面，更复杂的NB-IoT 设备（例如毛细网关）可能需要额外的比特位来处理更高层协议带来的更多的相关参数。在这种情况下，网络管理员可能希望配置方案具有很好的可选择性，可以根据设备的类型、数量等因素选择出较优的配置方案。规则标识号就占用2 到8 个比特位，可以最少表示4 条压缩解压规则，最多表示256 条压缩解压规则。当然，在必要的情况下配置更多比特位来表示更多的控制信息，但是这样压缩之后的报头必然占据更大的带宽。如果在使用最小的传输块（8 比特）的应用场景下，除去规则标识号的最少使用的2 比特，留下给原先报头中不压缩的字段就只有6 比特了。

3.3.4 分片重组功能

在控制面协议中建议禁止使用SCHC 中的分片重组功能，因为在NB-IoT 协议栈中RLC 层主要负责分片重组的功能，若再使用SCHC 的分片重组功能势必导致协议开销上的过度浪费。

4 非IP数据传输

NB-IoT 的UE 支持非IP 数据传输（non-IP Data Delivery，NIDD），这是NB-IoT 在LTE 的基础上作出的重大改变。非IP 数据传输，包括终端发起和接受数据两部分。

将非IP 数据传输主要有2 种方案：

（1）通过服务能力开发单元的非IP 数据传输。

（2）通过的分组数据网关非IP 数据传输。

4.1 SCHC实体的放置

在使用NIDD 的两种情况下，SCHC 实体可以放置于协议栈的顶部，即应用层，如图6所示。

4.2 SCHC的各项参数

4.2.1 SCHC 上下文初始化

由于SCHC 是在应用层进行处理的，上下文需要根据应用程序具体的情况具体分析再进行处理，可能在上下文初始化之前利用IP数据传输。

4.2.2 SCHC 规则

在使用NIDD 的情况下，在传输的过程中，SCHC 数据作为应用层数据来传输，对于3GPP 网络来说是透明的，也会和IP 传输一样受到一些限制。在此情况下只需要考虑最大程度地减少协议开销即可。

4.2.3 规则标识号

与IP 传输类似，规则标识号的长度可以在传输之前根据流量类型和部署的应用程序类型进行设置。

4.2.4 分片重组功能

原则上，对于大于1358 字节的数据包应该激活分片功能，但由于这里的SCHC 数据作为应用层的数据，过大的数据包自有下层进行处理，对于简单的点对点连接，设置为NO-ACK 模式即可。

5 结束语

随着物联网的快速发展，接入互联网的设备越来越多，无线资源越来越紧张。网络数据传输效率低下，网络信道资源浪费等问题已经对全网络 IP 化的发展造成了很大的障碍。对IP 报头进行压缩可以提高网络资源利用率，并在一定程度提高系统响应速度。因此，IP 报头压缩技术已日益受到重视，并成为研究的重点。本文所研究的静态上下文报头压缩技术旨在将IPv6 引入NB-IoT,不仅解决了当前IPv4 地址匮乏的问题而且将IPv6 本身的优势带入了NB-IoT。由此可见，如果静态上下文报头压缩在NB-IoT 网络中得以商用，将给NB-IoT 带来良好的灵活性和可扩展性，也将IPv6 协议带入到更多的应用场景中去，实现真正的万物互联。