基于NFV的NB-IoT核心網部署方案研究

張科鋒

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基于NFV的NB-IoT核心網部署方案研究

張科鋒

中國聯合網絡通信有限公司河南省分公司，河南 鄭州 450000

窄帶物聯網（NB-IoT）已進入快速發展階段，根據其特點及網絡架構，對NB-IoT核心網的專網部署優勢、網元部署方案和虛擬化部署優勢進行了分析，給出了一個基于NFV技術的NB-IoT核心網部署案例，并對NB-IoT核心網的進一步發展進行了展望。

窄帶物聯網；網絡架構；網絡功能虛擬化；部署策略

1 NB-IoT現狀及特點

當前，人與人之間的連接趨于飽和，人和物、物和物的連接將成為新的增長點，一個強有力實現萬物互聯的物聯網的重要性愈加突出。2016年6月，3GPP宣布已完成NB-IoT的標準化，這意味著Release13中面向NB-IoT的核心協議已經完成，促使NB-IoT的商用速度進一步加快。據權威機構預測，2018年物聯網終端總量會超過智能手機和電腦之和；2020年物聯網的連接量將達到數百億，產業規模將達到萬億美元。

NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋物聯網市場，是一種可以在全世界范圍內得以應用的新技術。它具備四大特點：一是廣覆蓋，在頻段相同條件下，NB-IoT相對于GSM網絡來說覆蓋可提高約20?dB；二是低功耗，NB-IoT引入eDRX省電技術和PSM省電模式，利用減少不必要信令和在省電模式不接收尋呼信息來實現省電目的，保障電池10年以上的使用壽命；三是海量連接，NB-IoT的上行容量比GSM、UMTS、LTE網絡有50～100倍的提升，其接入數可實現相應倍數的提升；四是低成本，NB-IoT芯片可以做得很小，其成本降低，模塊的成本也相應降低。

2 NB-IoT網絡架構研究

2.1 NB-IoT網絡組成

根據3GPP協議，邏輯上NB-IoT由終端、無線側、NB-IoT核心網、應用平臺等幾部分組成。

終端由支持NB-IoT的芯片和模組組成各式各樣的物聯網終端，以實現諸如智能停車、水務治理、智能抄表、智能制造、智能農業等豐富的應用。

無線側主要指支持NB-IoT的基站，它提供無線接入，作為傳輸通道需支持S1接口。

NB-IoT核心網主要涉及MME、SGW、PGW及HSS等，它需要支持NB-IoT用戶的接入，還需要支持eDRX/PSM等技術，以達到減少信令、降低功耗的目的。

應用平臺包括：（1）連接管理平臺，提供基于SIM卡的卡管理、業務計費、資費策略配置等功能；（2）設備管理平臺，提供設備的接入與控制和不同類型設備的統一管控功能；（3）應用支撐平臺，提供物聯網應用所需通用業務，如語音、短信、地圖、規則引擎等；（4）數據分析平臺，通過對設備行為進行建模，從而運用大數據分析方法實現數據分析服務。

2.2 NB-IoT核心網部署的關鍵因素

當前，諸多運營商都在積極地開展NB-IoT的測試、試商用及商用。我們在部署NB-IoT核心網時，不僅要立足于當前的分組核心網的網絡架構和業務需求，還要在快速部署和節省投資的同時著眼于網絡的長期演進，以滿足未來的需要。針對NB-IoT的特點，在部署NB-IoT核心網時重點考慮如下方面：在各省部署獨立的NB-IoT核心網還是與現有EPC網絡共用核心網；NB-IoT核心網網元是大區統一建設還是由各省獨立建設；網絡部署采用傳統的硬件設備還是虛擬化設備[1]。

3 NB-IoT核心網部署的策略研究

基于NB-IoT特點、組成和關鍵因素，選取以下3個方面對NB-IoT核心網的部署策略進行探討。

3.1 NB-IoT核心網專網部署優勢

在部署NB-IoT核心網時，按是否利用現有EPC分組核心網，有兩種可選方案。方案一：人物分離，新建專用的NB-IoT核心網；方案二；人物共用核心網，升級現有的網絡。

方案一優點：物聯網服務對象多為行業用戶，需求差異性大，獨立建設利于滿足行業用戶多種業務需求；NB-IoT引入eDRX、PSM等技術，與現有網絡有較大差異；新建設備具備招標優勢，投資具有商務優勢；新建專用核心網可采用NFV（Network Function Virtualization，網絡功能虛擬化）架構，符合網絡演進趨勢，利于發揮NFV技術優勢。方案一缺點：網元需要新建，實施周期長，機房資源配套需求較多。

方案二優點：現網設備功能升級，實施周期短；機房配套需求小。方案二缺點：物聯網業務開通、業務特性需求與現有網絡差異大，影響現有網絡；升級改造現網網元對業務影響大；基于現有設備進行功能升級，商務議價空間小；功能升級基于傳統設備架構，無法采用NFV架構。

綜上所述，方案一的優點多于方案二，建議采用方案一，專網部署NB-IoT核心網。

3.2 NB-IoT核心網虛擬化部署優勢

在部署NB-IoT核心網時，按新建網元的設備類型分有兩種可選方案。方案一，新建基于傳統架構NB-IoT核心網設備；方案二，新建基于虛擬化架構NB-IoT核心網設備。

方案一優點：現網設備產業成熟度高，穩定可靠；建設人員對設備建設模式熟悉，建設速度快；維護人員對設備熟悉，與現有維護管理方式相同，維護便捷。方案一缺點：按照傳統采購周期，后期網絡擴容周期長，需要三個月至半年；不符合技術發展趨勢，未來短期內仍存在采用虛擬化設備進行替換的可能。

方案二優點：擴容、減容便利為虛擬化的優勢之一，網絡調整周期可以縮短為天級別，需要做好相應的硬件資源規劃及管理編排規劃；產業已經基本成熟，符合網絡演進、業務發展趨勢；基于通用硬件的虛擬化建設給網絡帶來了更大的可能性，具有更強的戰略性意義。方案二缺點：技術新，各省對NFV設備的建設模式不熟悉，建設速度較慢；各省對設備不熟悉，與現有維護管理方式不盡相同，會引起維護體制變化。

綜上所述，盡管方案二暫時稍有不足之處，但是NB-IoT核心網的網元虛擬化符合網絡長期演進方向，將為網絡適配業務帶來便利，建議采用方案二，逐步改變網絡建設、運行維護模式，為未來的網絡部署探索打下基礎[2]。

3.3 NB-IoT核心網網元部署方案

在部署NB-IoT核心網時，PGW、HSS由總部統一設置，而新建MME/SGW的設置有兩種可選方案。方案一，MME/SGW分大區集中設置；方案二，MME/SGW由各省設置。

方案一優點：網元少，配套資源需求少，初期業務部署上線速度快；便于實施針對行業用戶的定制化QoS需求；先期分大區部署三層解耦，利于積累經驗，后期再全國推廣。方案一缺點：承載B網、IPRAN啟用新的物聯網S1接口VPN地址規劃，規劃復雜；S1接口跨省，故障定位、處理難度大。

方案二優點：可以利舊各省現有分組核心網中已分配S1地址；故障定位、處理與現網類似。方案二缺點：網元多，初期業務部署上線速度慢，行業用戶定制化QoS需求數據維護量大；所有省份進行三層解耦虛擬化部署，網元部署周期長，資源需求大；三層解耦仍有大量問題需要探索，全國一次性招標到位，各省廠家份額基本定型，后期開展網絡優化時處于被動地位。

綜上所述，考慮到網絡投資及風險，在NB-IoT核心網建設初期，建議按方案一實施，后期根據各省業務拓展需求可按方案二實施。

4 基于NFV的NB-IoT部署案例

2017年4月，某省公司集團客戶部向網絡建設部提出NB-IoT業務測試環境需求。鑒于此業務需求急，前期客戶和潛在客戶多，決定采取與測試條件具備情況較好廣東物聯網中心進行對接來實現NB-IoT測試網絡的部署，待南京物聯網中心具備條件后再將用戶回遷。經過多方努力，該省公司已于2017年7月實現基于NFV的NB-IoT測試方案部署，以下對該部署方案進行簡要介紹。利用前期進行三層解耦測試的中興虛擬化設備vMME、vSGW組成新建的省內NB-IoT網絡；現網eNodeB經升級后支持NB-IoT功能并通過省內IPRAN實現與中興vMME、vSGW的對接；河南vSGW與廣東PGW間S5接口，通過IP承載B網對接；河南vMME與廣東HSS間的S6a接口，通過IP承載B網，由武漢DRA轉接，在武漢DRA上配置MME及HSS上的河南NB號段數據。

該NB-IoT網絡部署組網圖如圖1所示：

圖1 某公司NB-IoT網絡部署案例圖

5 結束語

本文討論了NB-IoT的現狀、特點及網絡組成，重點分析了NB-IoT核心網的專網部署優勢、NB-IoT核心網的虛擬化部署優勢及NB-IoT核心網網元設置方案，并給出了一個在某省公司已經實現的一個基于NFV的NB-IoT核心網部署案例。后續，隨著NB-IoT網絡的大量試點和規模化商用以及海量物聯網終端的接入，我們需要從NB-IoT的業務場景和業務模型方面，開展對NB-IoT網絡用戶面近端疏通、網關的控制面和用戶面的分離等的進一步研究。

[1]3GPP. Study on architecture enhancements for cellular internet of things （release 13）： TR23.720 V13.0.0[S]. 2016.

[2]帥晶.基于NFV虛擬化的NB-IOT發展和部署研究[J].數字技術與應用，2016（11）：35-38.

Research on the Deployment Scheme of NB-IoT Core Network Based on NFV

Zhang Kefeng

China United Network Communications Corp. Henan Branch, Henan Zhengzhou 450000

The narrowband Internet of Things (NB-IoT) has entered a stage of rapid development. According to the characteristics and network architecture, special network deployment advantage of NB-IoT core network, network element deployment scheme and virtualization deployment advantages are analyzed, a NB-IoT core network deployment case based on NFV technology is given, and the further development of NB-IoT core network is discussed.

NB-IoT; network architecture; NFV; deployment strategy

TN915.01

A

1009-6434（2017）10-0020-03

張科鋒，畢業于西安郵電學院，本科學歷，現工作于中國聯合網絡通信有限公司河南省分公司。