面向NB-IoT的核心網業務模型和組網方案

王計艷，王曉周，吳倩，朱黎黎，高賢謖，盧云，鄒銘明

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

面向NB-IoT的核心網業務模型和組網方案

王計艷，王曉周，吳倩，朱黎黎，高賢謖，盧云，鄒銘明

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

窄帶物聯網（NB-IoT）的市場空間巨大，是未來重點的發展方向，全球主流電信運營商均開始積極布局。為更好地確定網絡部署的建設方案和資源配置，從NB-IoT的業務場景出發，對NB-IoT業務特性進行分析，給出面向NB-IoT的核心網業務模型參數和組網方案，對后續NB-IoT核心網資源配置和規劃方案有重要指導意義。

LPWA；窄帶物聯網；eMTC；業務特性；業務模型；組網方案

1 引言

相對于個人通信業務來說，物聯網（IoT）業務種類繁多、應用場景多樣化、發展空間巨大。根據對未來物聯網業務的預測，2020年全球將會產生500億個IoT連接，其中60%（即300億）的連接來自于LPWA（low power wide area，低功耗廣域）市場，遠高于中高速率連接市場的規模。LPWA是低功耗、廣覆蓋、低成本、低速率、大連接類業務的統稱。

LPWA的主要業務特性包括海量設備接入、低速率小數據分組、模組超低成本、超低功耗、廣覆蓋、可接受一定范圍內的通信時延、大部分終端處于靜止或低速移動。

LPWA也包含多種技術，如Sigfox、LoRa、eMTC和NB-IoT（narrowband-internet of things，窄帶物聯網）等，其主要技術指標情況見表1。

表1 LPWA主要技術指標情況

NB-IoT作為LPWA的一種，具有海量設備接入、低速率小數據分組、模組超低成本、超低功耗、廣覆蓋、時延不敏感、大部分終端處于靜止或低速移動等業務特性，十幾家國內外運營商均表示要重點發展NB-IoT業務，并積極開展試點和技術驗證工作。

2 NB-IoT對核心網的要求

2.1 面向NB-IoT的核心網標準發展情況

3GPP R13版本中（TS23.401標準）面向NB-IoT/eMTC的核心網 EPC架構的核心部分已凍結。3GPP R14版本（Stage2）正在進行架構增強及業務流程的優化，包括對尋呼、SMS支持、授權用戶覆蓋增強等方面，預計在2017年下半年有相對成熟的版本。

以上標準對eMTC涉及較少，目前較為確定的是：基于控制面優化的小分組傳送增強方案作為NB-IoT的核心網必選方案、eMTC的可選方案；而基于用戶面優化的小分組傳送增強方案作為NB-IoT和eMTC的可選方案。

2.2 面向NB-IoT的核心網架構

針對NB-IoT的海量設備接入、低速率小數據分組、超低功耗、廣覆蓋等業務特性，若采用現有 EPC核心網承載 NB-IoT業務，將存在如下問題。

（1）控制面效率低下

物聯網業務大部分是小數據分組，所需速率很低，但海量的設備接入將引起大量的附著、業務請求、TAU等，這將導致控制效率及資源使用效率低下，且有系統過載風險。

（2）EPC大量功能冗余

NB-IoT業務通信行為單一，大部分為純上報數據或伴有少量的下行數據，用戶靜止或限制移動性，所以需要簡化EPC的移動性管理、會話管理、尋呼等相關功能。

（3）不利于終端節電

現有LTE/EPC與終端信令交互流程繁瑣，與物聯網終端對超長續航能力需求相矛盾。比如小分組數據傳輸及間隔時，網絡需建立連接及釋放連接，從而產生大量的上下文傳遞相關信令，不利于終端節電。

（4）不支持non-IP數據類型

non-IP類用戶數據經常被應用在海量傳感器網絡，未來NB-IoT業務應用也會有non-IP類用戶數據的需求，現有EPC不支持此功能。

（5）IP分組頭壓縮效率低下

由于非頻繁的小分組數據傳輸及移動性，eNB和UE中保留的頭壓縮上下文可能會被重置，這將導致數據分組產生全量的頭開銷。

（6）對SMS的支持需要優化

現有4G用戶的SMS是通過SGs支持的，無法避免聯合附著，而NB-IoT終端沒必要進行聯合附著。

為解決上述問題，3GPP針對NB-IoT對EPC核心網架構進行了優化，優化后的EPC核心網架構如圖1所示。

圖1 優化后的EPC核心網架構

NB-IoT核心網采用簡化網絡架構，將原EPC的MME、SGW、PGW中NB-IoT所需的功能單獨優化出來組成一個新的網元，EPC原有的S11、S5/S8等接口全部變成網元內部交互，且可以復用已經產生的NAS設置安全連接，這使得整體效率得到提升。優化后的核心網與無線采用新的S1-lite接口，該接口基于原EPC的S1-C優化而來，針對高效的小分組數據傳遞處理，S1-lite僅保留了S1-C中必要的相關功能，支持將用戶數據在NAS PDU中打包，并由無線側通過S1-lite傳遞給C-SGN。無線側RAN需要支持 S1-lite接口，終端側也需要具備處理S1-lite協議棧相關流程的能力。

C-SGN具備現有EPC的部分能力，并有幾個方面的增強：基于控制面的小分組數據傳輸優化；基于用戶面的小分組數據傳送優化；僅為高效的小分組數據傳輸保留必要的安全流程；針對NB-IoT用戶支持無聯合附著的SMS傳遞能力；面向覆蓋增強的尋呼優化；non-IP用戶數據支持兩種方案，分別為SGi隧道或SCEF；支持不建立默認PDN連接的附著。

根據對現有電信設備廠商的調研，目前各廠商的設備并未采用3GPP的C-SGN架構，基本仍采用現有EPC設備架構，在EPC設備的基礎上進行上述NB-IoT功能增強，滿足NB-IoT業務特性的要求。

3 NB-IoT核心網業務模型分析

根據 GSMA對 NB應用場景進行分類，NB-IoT業務可分為七大類21小類。各類業務按發展先后的順序分為A、B、C、D、E共5類，其中A類具有最優先發展需求，千萬級以上的A類業務包括智能檢測（燃氣、水表等）、智能停車傳感器、工業資產跟蹤、集裝箱定位追蹤等。NB-IoT業務典型應用預測見表2。

由表2可知，NB-IoT的這些業務基本在小區范圍內靜止，網絡帶寬需求低于100 kbit/s。對于這些業務的消息量和通信頻率，3GPP給出了4種行為模式，并給出了每種行為模式的數據分組大小和通信頻率參考模型，具體見表3。4種行為模式包括終端自主上報異常報告（mobile autonomous reporting exception report）、終端自主上報周期性報告（mobile autonomous reporting periodic report）、網絡命令（network command）、軟件升級/設備重配置（software update/reconfiguration model）。

根據現有的2G物聯網的業務特性類比分析，每種業務同時擁有上述4種行為中的幾種，本文也參考了國外運營商 NB-IoT的采購模型。經分析，NB-IoT控制面約為4G模型的1/10，轉發面流量更低，約為4G模型的萬分之一，因此建議核心網建設初期對NB-IoT的業務模型參考表4中的模型進行初步估算。

以上參考模型針對活躍用戶而非發卡用戶，對于NB-IoT業務的附著激活比，參考設備廠商的設備配置方式，建議參考4G用戶的附著激活比。另外，針對NB-IoT海量連接的特性，除現有EPC核心網關注的模型參數外，還需確認設備的連接能力是否成為瓶頸。

4 NB-IoT核心網組網方案

根據NB-IoT業務模型分析，NB-IoT用戶業

務模型指標不到個人4G用戶的10%，若按現有EPC設備能力大致估算（假定設備支持的連接數量不是瓶頸的情況下），NB-IoT對核心網設備需求應大致為現網EPC的10%。

表2 NB-IoT業務典型應用預測

表3 4種行為模式的數據分組大小和通信頻率參考模型

表4 NB-IoT核心網參考的業務模型

NB-IoT核心網的建設方案有兩種。

（1）方案一：改造現網 EPC核心網支持NB-IoT業務接入

方案一有兩種實施方式，方式一為改造部分EPC網元支持NB-IoT，負責全網/全省的NB-IoT業務接入，組網架構如圖2所示。

圖2 改造部分EPC網元支持NB-IoT業務接入

根據業務模型進行預測，NB-IoT核心網元需求量較少，可通過改造部分EPC網元全省集中負責NB-IoT業務，此方案需考慮對現網MME池、SGW的影響來確定MME、SGW的改造范圍，同時需結合業務運營和業務管理平臺的設置情況考慮PGW的設置方式。

此方案的優點為改造規模小，對現網業務影響范圍小。缺點為可能需要調整省內S1接口的傳輸電路，實現全省NB-IoT基站的接入；網絡架構相對復雜；不利于物聯網業務持續發展。

方式二為改造全部EPC網元支持NB-IoT，負責全網/全省的NB-IoT業務接入，組網架構如圖3所示。

圖3 改造全部EPC網元支持NB-IoT業務接入

此方案也需對MME、SGW及PGW的設置方式分別進行探討，需結合業務運營和業務管理平臺的設置情況考慮PGW的設置方式。

此方案的優點為網絡架構簡單，沒有電路調整需求。缺點為所有網元的功能改造及NB-IoT的大規模發展，對現網業務影響較大。

（2）方案二：新建獨立的NB-IoT核心網設備

方案二是新建獨立的 NB-IoT核心網設備滿足NB-IoT業務接入需求，組網架構如圖4所示。

此方案新建NB-IoT核心網，基于C-SGN邏輯架構或EPC架構，新建NB-IoT核心網獨立設備，實現控制面和轉發面功能；根據技術實現（如non-IP的實現方式是通過SCEF還是PGW）、業務發展和運營需求，考慮是否建設SCEF。若現網有物聯網專網HSS和SMSC設備，建議共用現有的物聯網專網HSS和SMSC設備；若沒有，建議新建物聯網專網HSS和SMSC設備。

圖4 新建NB-IoT核心網滿足NB-IoT業務接入

從標準化程度、廠商支持程度、建設工作量等維度對方案一和方案二進行比較，見表5。

表5 NB-IoT核心網建設方案比較

考慮到NB-IoT業務發展的不確定性、對現網調整工作量以及對現網業務的影響等因素，建議初期采用方案二新建獨立的 NB-IoT核心網進行建設，后續根據業務發展情況和核心網網絡演進情況考慮是否與現網EPC融合組網。

考慮到以下因素。

· 建議網絡演進的需求：只有基于NFV才能實現未來5G核心網網絡切片等能力。

· 方便業務部署和靈活擴容：目前并無NB-IoT的商用場景，其模型皆為預估，在NFV基礎上部署，方便靈活縮/擴容，可彌補業務模型變化帶來的影響，同時方便相關功能的快速部署和升級等。

· NFV引入契機：NFV目前處在技術驗證階段，應盡快推動NB-IoT EPC的NFV技術成熟，爭取在NB-IoT商用階段，同步采用NFV技術建設EPC核心網。

因此，建議采用NFV方式建設NB-IoT核心網設備，滿足未來網絡演進和物聯網業務的靈活部署等需求。

5 結束語

NB-IoT已被列為各運營的重要業務戰略，2017年起，國內三大運營商將進行大量試點及現網部署工作。為更好地確定網絡部署的建設方案和資源配置，從 NB-IoT的業務場景出發，對NB-IoT業務特性進行分析，給出面向NB-IoT的核心網業務模型參數和組網方案，對后續NB-IoT核心網資源配置和規劃方案有重要指導意義。

[1] 3GPP. General packet radio service (GPRS) enhancements for evolved universal terrestrial radio access network (E-UTRAN) access (release 14): TS23.401 V14.0.0[S]. 2016.

[2] 3GPP. Study on architecture enhancements for cellular internet of things (release 13): TR23.720 V13.0.0[S]. 2016.

[3] 3GPP. Enhancements of dedicated core networks selection mechanism (release 14): TR23.711 V0.4.0[S]. 2016.

[4] 3GPP. Feasibility study on new services and markets technology enablers for massive internet of things (release 14): TR22.861 V1.0.0[S]. 2016.

王計艷（1978?），女，中國移動通信集團設計院有限公司高級工程師，主要研究方向為核心網、流量經營、物聯網等。

王曉周（1982?），男，中國移動通信集團設計院有限公司高級工程師，主要研究方向為核心網、物聯網。

吳倩（1981?），女，中國移動通信集團設計院有限公司高級工程師，主要研究方向為核心網、物聯網。

朱黎黎（1985?），女，中國移動通信集團設計院有限公司高級工程師，主要研究方向為核心網、物聯網。

高賢謖（1988?），男，中國移動通信集團設計院有限公司高級工程師，主要研究方向為核心網。

盧云（1983?），男，中國移動通信集團設計院有限公司高級工程師，主要研究方向為業務規劃、網絡規劃。

鄒銘明（1976?），女，中國移動通信集團設計院有限公司高級工程師，主要研究方向為核心網、時間同步網。

Core network service model and networking scheme oriented NB-IoT

WANG Jiyan, WANG Xiaozhou, WU Qian, ZHU Lili, GAO Xiansu, LU Yun, ZOU Mingming
China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China

It is a huge market space for narrowband-ineternet of things (NB-IoT), and NB-IoT is the focus of future development direction. The global telecommunications operators have begun to distributed actively. In order to better determine the network deployment of the construction program and resource allocation, from the business scene of NB-IoT, the NB-IoT service characteristics were analyzed, and the NB-IoT core network business model parameters and networking solutions were given, which was of great significance to the follow-up NB-IoT core network resource allocation and planning scheme.

LPWA, NB-IoT, eMTC, service characteristic, service model, networking scheme

TN915.81

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017083

2017?02?20；

2017?03?23