移动运营商核心网升级支持蜂窝物联网方案研究

林冀宁

本文通过分析对比3GPP提出的蜂窝物联网核心网架构以及目前国内运营商商用的核心网架构，提出蜂窝物联网和现有核心网融合组网进行深入研究，提出融合组网的解决方案。

一、蜂窝物联网核心网简介

3GPP提出了蜂窝物联网（C-IoT）核心网架构。蜂窝物联网无线基站通过S1接口连接核心网，针对蜂窝物联网特有的低速小报文，3GPP定义了C-SGN融合简化现有EPC核心网。

C-SGN主要由CIoT服务网关节点（C-SGN）、业务能力开放单元（SCEF）、归属签约用户服务器（HSS）、域名服务器（DNS）等功能单元组成。对比现有EPC核心网，新引入网元包括：

（一）C-SGN

蜂窝物联网（CIoT）服务网关节点（C-SGN）是一个包含MME、S-GW、P-GW的相应EPC功能的联合节点，从而减少了网元数量。C-SGN的各接口功能支持EPC下MME、S-GW、P-GW的相应接口功能，并进行了性能优化。

（二）SCEF

业务能力开放单元（SCEF）是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提供商。SCEF在核心网侧可与PCRF融合设置。

新引入的接口包括：

S11-U接口：MME和P-GW之间的接口。实现数据的控制面优化传输。

T6a接口：C-SGN和SCEF之间的接口，支持经由SCEF的非IP数据传输。

二、蜂窝物联网核心网融合建设方案

在2/3/4G时代，三大运营商均建设有独立的物联网专网和物联网平台。虽然蜂窝物联网在全国范围的覆盖和大规模商用，从容量角度来看，物联网专用核心网需要扩容支持，且用于基站接入MME和S-GW 应设置在本省，与无线网密切相关，负责接入控制、移动性和路由管理，通过软件升级改造，新增了面向LPWA业务所需的广覆盖、低功耗等能力。

（一）以省为单位核心网建设部分

对比EPC核心网，蜂窝物联网核心网从网元和接口两方面都进行了增强和演进，以满足LPWA类蜂窝物联网业务的低功耗、低成本和大连接需求。包括网元功能增强和接口功能增加和增强。因此建议运营商以省为单位分业务区改为现有MME和S-GW。

网元功能增强：MME、S-GW等网元，引入了更高效的数据传输方式、更简单的移动性管理、更独立的会话管理、更灵活的数据承载方式。

接口增加和增强：新增加S11-U接口，实现数据的控制面优化传输；增强S1、S6a、S5/8、S10、S11等接口，满足C-IoT的新增功能要求。

新增功能涉及接入类型、数据传输、功耗优化、协议优化、业务能力、计费等六个方面。

（二）集中设置物联网专网建设部分

集中设置P-GW、M-HSS、M-SMC、PCRF/SPR，按全国物联网用户数按需扩容，对于用户规模大的地区，考虑分裂集中设置的物联网专网变集中设置为大区设置。

三、蜂窝物联网核心网网络架构

（一）蜂窝物联网核心网网络组织

1.蜂窝物联网核心网与无线网间网络组织

每个业务区选取现有MME POOL内1对MME融合改造，负责本业务区蜂窝物联网的S1口的接入。

2.蜂窝物联网省内核心网内网络组织

MME间S10接口、MME与S-GW间的S11/S11-U接口通过IP承载网络传送，基站eNB到S-GW的报文通过MME的S11-U传送。

MME与MSC Server之间的SGs接口通过IP承载网互通，再通过七号信令网转接至M-SMC。

MME与省内三融合HSS之间的S6a接口Diamter消息通过所属省内1对LDRA以负荷分担方式转接。

3.蜂窝网物联网省内核心网与集团物联网专网间网络组织

本省S-GW与集团物联网专网P-GW的S8接口通过IP承载网络互通，通过省内Gp出口路由器至物联网专网P-GW互通。

MME与物联网专网M-HSS的S6a接口省际Diamter消息通过接入LDRA至HDRA转接。

（二）蜂窝物联网核心网路由方案

1.数据业务路由原则

C-IOT用户接入MME，MME向现网2/3/4G DNS发起EPC查询，查询消息中包含用户APN（用户提交或试验HSS签约）和用户当前所在的TAI；MME根据DNS返回的SGW和PGW的主机名，再向DNS发起A记录查询，获得SGWPGW的IP地址；MME再通过S11接口通知SGW和PGW为用户建立承载。

（1）承载建立等：C-IOT终端→ C-IOT RAN →C-IOT MME（通过现网2/3/4G DNS解析）→ C-IOT S-GW → C-IOT P-GW。

（2）C-IOT通用APN业务路由（IP、Non-IP）

控制面：用户侧发起，C-I O T终端→ C-I O T RAN→C-IOT MME →C-IOT S-GW →C-IOT P-GW →物联网平台→C-IOT第三方应用服务器；网络侧发起则路径相反。

用户面：用户侧发起，C-IOT终端→ C-IOT RAN→C-IOT S-GW →C-IOT P-GW →物联网平台→C-IOT第三方应用服务器；网络侧发起则路径相反。

（3）C-IOT专用APN业务路由（IP、Non-IP）

控制面：用户侧发起，C-IOT终端→ C-IOT RAN→C-IOT MME → C-IOT S-GW → C-IOT P-GW→C-IOT第三方应用服务器；网络侧发起则路径相反。

用户面：用户侧发起，C-IOT终端→ C-IOT RAN→C-IOT S-GW →C-IOT P-GW →C-IOT第三方应用服务器；网络侧发起则路径相反。

2.短信业务路由原则

C-IOT用户接入MME，在完成EPC网络的鉴权附着后，MME通过与SGs MSC Server之间的SGs接口完成用户在电路域的位置更新，然后，C-IOT用户在C-IOT无线覆盖范围内即可正常发送和接收短信。

（1）发送短信（MO）的业务路由：C-IOT终端→C-IOT RAN→ C-IOT MME →SGs MSC Server→归属STP→C-IOT物联網专网短信中心SMSC；

（2）接收短信（AO）的业务路由：C-IOT物联网专网短信中心SMSC→（通过归属STP向归属HSS/HLR查询路由信息，获得MME连接的SGs MSC Server信息后）→归属STP→SGs MSC Server→ C-IOT MME→ C-IOT RAN → C-IOT终端。

3.Diameter信令路由原则

（1）MME与省内HSS间的路由遵循以下原则：从MME到归属汇接区DRA（负荷分担）再到HSS，反之亦然。

（2）MME与物联网专网M-HSS间的路由遵循以下原则：从MME→归属汇接区DRA（负荷分担）到目的汇接区DRA（同平面）再到HSS，反之亦然。

四、结束语

本文探讨了基于现有核心网融合改造升级支持蜂窝物联网，并结合物联网专网同步建设支持蜂窝物联网无线基站接入的方案，既保护了现有投资又保证现有核心网快速升级部署支持蜂窝物联网全面覆盖。对国内运营商制定蜂窝物联网核心网建设方案具有一定的参考价值。今后5G技术将支持物联网业务的蓬勃发展，为人们提供更加便利的服务。

作者单位：中国移动通信集团江苏有限公司