蜂窩物聯網核心網部署及業務實現方案

王計艷，周維

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蜂窩物聯網核心網部署及業務實現方案

王計艷，周維

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

分析了蜂窩物聯網核心網的網絡架構選擇、功能特性，并根據網元特性對網元進行分類，確定網元部署原則；基于NB與eMTC的技術特性，重點分析了接入網元（MME和SGW）的部署方案，提出4種部署方案進行比較。此外，還對物聯網數據業務、短信業務及語音業務的實現方案進行分析。經過多方案比較分析，對于MME和SGW，建議采用升級改造現網設備同時在部分省份新建NFV設備的方式進行建設。

蜂窩物聯網；NB；eMTC；部署方案；業務實現

1 引言

蜂窩物聯網（cell-IoT，C-IoT）通常指基于蜂窩的物聯網，廣義上來講包括所有基于移動蜂窩接入的物聯網技術，包括2G/3G/4G物聯網、NB-IoT（narrow band internet of things，窄帶物聯網）和eMTC（LTE enhanced machine-to-machine），其中2G/3G/4G物聯網已有較為廣泛的應用，核心網的部署方案也已成熟。NB-IoT和eMTC是近年來新興的物聯網技術，本文重點分析基于NB-IoT和eMTC的核心網部署和業務實現方案。

2 蜂窩物聯網核心網網絡架構和技術特性

2.1 蜂窩物聯網核心網網絡架構

本文所述的蜂窩物聯網包括NB-IoT和eMTC兩種技術，根據參考文獻[1-3]，其核心網架構與4G EPC相同，均涉及移動管理實體（MME）、服務網關（SGW）、分組數據網網關（PGW）、歸屬簽約用戶服務器（HSS）、策略及計費控制單元（PCRF/SPR）等功能單元，網絡架構如圖1所示。

3GPP定義了R13給出的簡化的網絡架構，將原EPC的MME、SGW、PGW中的IoT所需的功能單獨組合成為1個新的網元，即C-SGN，EPC原有的S11、S5/S8等接口全部變成網元內部交互，但從廠商實現上看，目前均采用現有4G EPC架構。

相對于4G EPC，為實現控制面數據傳輸，蜂窩物聯網對S1、接口和S11接口進行了增強，同時S5、S6a等接口有少量信元變化。

2.2 蜂窩物聯網核心網功能特性

NB-IoT是為了更好地滿足LPWA（low-power wide-area，低功耗廣域）業務所需的廣覆蓋、低功耗要求而全新定義的LTE系統，而eMTC是在大網LTE基礎上，新增的廣覆蓋、低功耗的功能合集。

在新增功能方面，相對于現網核心網，NB-IoT新增功能涉及接入類型、數據傳輸、功耗優化、協議優化、業務能力、計費6個方面，eMTC新增功能涉及功耗優化、協議優化、業務能力3個方面，NB-IoT新增功能完全包含eMTC新增功能。

圖1 EPC網絡架構（SGW與PGW分設）

圖2 物聯網業務核心網網元分類

3 蜂窩物聯網核心網元部署原則

物聯網業務核心網網元分類如圖2所示。物聯網業務核心網元部署需考慮以下因素。

? 向上（面向業務應用和管理運營）：應支持物聯網的統一號碼管理、業務控制、運營管理和支撐管理的要求，應包容技術制式的差異影響。

? 向下（面向終端和無線側接入）：基礎網絡管道應充分適應各類無線基站的接入需要，應有效支撐不同技術制式本身以及制式之間對移動性管理和數據轉發的需求。

根據以上考慮，作為業務疏通管道層的核心網設備，其部署可劃分為以下兩部分考慮。

（1）HSS、PGW、PCRF/SPR

HSS、PGW、PCRF/SPR為業務控制運營相關網元，負責用戶開通、策略控制、個性化路由和計費。現網已采用“專屬網絡、集中設置”的形勢部署了物聯網專網M-HLR/HSS、M-GGSN/PGW、M-PCRF、M-SMSC等，滿足2G/3G/4G物聯網業務發展和集中運營的需求。

考慮到蜂窩物聯網業務去屬地化特征以及“一點發卡、全網服務”的特征以及蜂窩物聯網將與現有物聯網專網共用專網碼號、業務路由和管理方式的需求，為支撐2G/3G/4G及蜂窩物聯網的統一發展、運營，同時考慮現有用戶業務繼承、路由、策略一致性需求，HSS、PGW、PCRF/SPR適合集中設置，可與2G/3G/4G物聯網專網網元融合部署。

（2）MME、SGW

MME、SGW為與接入和基本管道功能相關的網元，負責基站接入、用戶移動性管理和通用數據轉發。為充分共用基站接入等網絡資源，保持穩定，目前服務于2G/3G/4G物聯網用戶移動管理的SGSN/MME和通用數據轉發的SGW，采用與2G/3G/4G大網共用的方式。

考慮到MME、SGW需與海量NB-IoT、eMTC基站連接，全網或大區集中設置不僅流程復雜、維護管理難度大，而且需新建省際三層PTN（packet transport network，分組傳送網），因此建議蜂窩物聯網核心網MME、SGW應分省設置。

4 蜂窩物聯網核心網部署方案

蜂窩物聯網核心網HSS、PGW、PCRF/SPR適合與2G/3G/4G物聯網專網核心網網元融合集中部署，本文主要討論MME和SGW的部署方案。

4.1 MME和SGW設置方式

蜂窩物聯網包括NB-IoT和eMTC兩種技術。

（1）從業務應用角度分析

根據參考文獻[4-6]，NB-IoT為降低終端功耗和節省終端成本，數據傳輸極簡，通過控制面傳輸低頻次、低流量的數據分組，適用于時延不敏感、10 s或分鐘級、移動速率極低的純物終端及應用，不涉及“人”的領域，終端與人需通過“業務平臺”間接交互，因此NB-IoT核心網MME、SGW與大網可分可合。

eMTC天然支持通過用戶面實現數據傳輸以及語音業務和切換等高移動性，適用于智能穿戴等存在人物共用、人物交互的場景。同時，未來還存在服務個人的終端通過支持eMTC，實現功耗優化、協議優化等提升個人終端覆蓋和節能省電的可能。另外，若獨立設置MME、SGW，eMTC終端在無eMTC信號或者eMTC信號弱，但有大網無線信號時，會通過大網無線網接入大網MME、SGW，出現獨立核心網和公網切換等互操作，影響用戶感知；且eMTC終端使用VoLTE業務時，將CMNet承載獨立設置的SGW與大網PGW間IMS APN，VoLTE語音質量無保障。綜上所述，由于eMTC適用于具有“人味”的物聯網領域，未來存在服務個人終端的可能，且獨立設置MME、SGW對業務有影響，因此eMTC核心網MME、SGW宜與大網合設。

（2）從網絡功能角度分析

NB-IoT采用獨立的RAT-type、cell、TA，從無線網開始就可實現與服務于人的LTE邏輯上獨立。另外NB-IoT核心網相對大網新增了接入類型、數據傳輸、功耗優化、協議優化、業務能力、計費6個方面的功能，且對大網功能進行了裁剪，僅與大網共用部分功能。因此NB-IoT核心網MME、SGW與大網可以分設，也可以合設。

eMTC是LTE的增強功能（相對大網新增功耗優化、協議優化、業務能力3個方面功能），未對大網功能進行裁剪，可共用大網全部功能，因此eMTC是LTE的一部分，從無線到核心網，天然與大網融合。

若eMTC核心網MME與大網核心網MME分設，目前僅有DéCOR和eDECOR兩種技術，但兩種技術均不成熟，且對網絡影響較大。

? DéCOR：eMTC基站首先將用戶發送的NAS（非接入）消息發給大網MME，大網MME需要根據本地配置判斷是否允許該終端在本地注冊，如果不允許，則大網MME向eMTC基站發送重定向消息，eMTC基站根據重定向消息中的內容為終端選擇獨立設置的MME。該方案需要大網MME和eMTC的eNB新增Reroute（重路由）等功能，而且大幅增加大網MME與eMTC基站間信令，對大網MME影響較大。

? eDECOR：相對DéCOR進行了優化，可大幅減少大網MME與eMTC基站間信令，但需大網核心網、無線網以及終端支持，且該功能尚未標準化，無法滿足年底商用的需求。另外，eDECOR無法實現國際漫游入eMTC終端選擇至獨立MME。

eMTC核心網SGW與大網核心網SGW，需要現網DNS針對相同TA配置不同的解析數據組，當獨立MME查詢時，返回獨立SGW，大網MME查詢時，返回大網SGW，數據配置和網絡管理復雜、工作量大。

綜上所述，eMTC核心網MME、SGW宜與大網合設。

4.2 MME和SGW部署方案

根據對蜂窩物聯網MME和SGW設置方式的分析，考慮到NB-IoT核心網MME、SGW與大網可分可合，eMTC核心網MME、SGW宜與大網融合的情況，MME、SGW有4種建設方案。

4.2.1 方案一：新建傳統平臺設備獨立組網

以省為單位，采用傳統平臺，集中、新建MME和SGW（不配置CG），僅接入NB-IoT基站。考慮業務與網絡安全，同時為加快建設進度，每省新建兩套MME和兩套SGW，并均采用pool組網方式。同類新建設備設置在具備不同市電引入和傳輸的異局址，滿足容災要求。方案一如圖3所示。

4.2.2 方案二：新建軟硬解耦虛擬化設備獨立組網

以省為單位，基于三層架構軟硬解耦方式，集中、獨立新建vMME和vSGW，接入省內NB-IoT基站。

? 硬件基礎設施：以省為單位在2個局址部署兩個資源池，兩個局址資源池具備不同市電引入和傳輸的異局址，部署x86服務器、存儲、交換機內網防火墻等設備。

? 軟件：包括虛擬層、VNF（MME和SGW，不含CG）、EMS、MANO等。

考慮業務與網絡安全，新建的兩套vMME和兩套vSGW，并均采用pool組網方式。方案二如圖4所示。

圖3 MME、SGW部署方案一

圖4 MME、SGW部署方案二

4.2.3 方案三：升級改造現網融合組網

以省內業務區為單位，升級改造現網部分MME和SGW支持蜂窩物聯網，升級改造的MME和SGW同時接入2G/3G/4G和NB-IoT基站，未升級改造的MME和SGW接入2G/3G/4G基站。

考慮容災備份，以核心網業務區為單位，每個業務區原則上升級改造現網兩套MME和兩套SGW，接入本業務區全部NB-IoT基站。基于NB-IoT新RAT type和獨立的TA，通過數據配置實現NB-IoT基站僅選擇升級改造的MME和SGW。

考慮到一個業務區內存在多個MME pool和多個SAE-GW pool的情況，升級改造的MME和SGW的選擇有以下兩種方式。

? 方式一：選擇一個MME pool內的兩個MME和一個SAE-GW pool內的兩個SGW進行升級改造。

? 方式二：選擇兩個MME pool內的各一個MME和兩個SAE-GW pool內的各一個SGW進行升級改造。

為保障網絡安全，便于支持蜂窩物聯網的MME和SGW組pool，建議采用方式一，并優先選擇平臺新、負荷低、對蜂窩物聯網支持較好的現網設備進行升級改造。根據目前情況，華為技術有限公司、中興通訊股份有限公司、愛立信公司設備對現網MME和SGW支持情況相對較好，諾基亞公司設備的支持情況相對較差。

4.2.4 方案四：升級改造現網融合組網，部分省同步新建虛擬化vMME和vSGW

在方案三基礎上，為推動核心網NFV演進，在部分有NFV運營經驗的省份新建vMME和vSGW：包括x86服務器、存儲、交換機內網防火墻等硬件資源池和虛擬層、VNF（MME和SGW，不含CG）、EMS、MANO等軟件。方案四如圖5所示。

新建vMME和vSGW組網方式有以下兩種。

? 方式一：vMME和vSGW獨立組pool，接入省內部分NB-IoT基站。

? 方式二：vMME和vSGW分別與升級改造支持蜂窩物聯網的現網MME、SGW融合組pool，共同接入本省/業務區內NB-IoT基站。

為便于工程實施、數據配置和維護管理，建議采用方式一。

4.2.5 方案比較及建議

考慮年底商用進度需求，結合eMTC的MME、SGW宜與省網融合設置的情況，同時為推動NFV成熟，建議初期建設時采用方案四。4種方案比較具體見表1。

圖5 MME、SGW部署方案四

表1 MME、SGW建設方案比較

5 蜂窩物聯網業務實現方案

5.1 數據業務實現方案

蜂窩物聯網的數據業務有兩種實現方案：CP優化方案和UP優化方案。

（1）CP優化方案：基于控制面優化的增強方案（data over NAS）

用戶數據僅通過原控制面的NAS PDU打包進行傳遞，無需建立S1-U；UE側需要支持方案相關處理流程，MME、SGW需要相應的功能改造；對HSS、PGW 等網元無影響。在NB-IoT接入時，CP優化為必選。

（2）UP優化方案：基于用戶面優化的增強方案（RRC suspend and resume）

用戶數據仍通過S1-U進行傳遞；針對低頻發小分組傳送，增加新的用戶協議狀態RRC suspend，在用戶、eNB、C-SGN中均保留原有PDN連接的上下文信息。在eMTC接入時，UP優化為必選。

圖6 數據業務疏通方式

數據業務疏通方式如圖6所示。

數據業務可采用兩種數據分組方式：IP或者non-IP，non-IP是為應對蜂窩物聯網發送的數據分組頻率低、字節小而產生的，對于蜂窩物聯網的數據分組來說，UDP/IP傳輸層協議棧的占用字節（IPv4：28 byte；IPv6：48 byte）占的數據報文比例很高，尤其是在有效負荷小（如20 byte）的情況下，報文頭甚至超過了數據，所以在這種情況下終端傳輸non-IP數據可以大幅提升無線網絡數據傳輸效率。

5.2 短信業務實現方案

蜂窩物聯網短信業務有以下兩種實現方式，如圖7所示。

圖7 蜂窩物聯網短信業務實現方式

（1）方案一：采用MME與SGs MSC（提供CSFB業務）間SGs接口方式

方案一實現簡單（如果為減少終端功能，由MME代理短信，MME需增加功能），但需占用MSC/VLR能力，隨著VoLTE和C-IoT終端數量增長迅猛，將會出現VLR容量不足的情況，需要擴容。

（2）方案二：采用MME與SMSC間的SGd接口方式

方案二需要現網MME新增與物聯網專網M-SMSC間的SGd接口，若目前不支持SGd接口，則需要M-SMSC升級改造和聯網調測。

5.3 語音業務實現方案

目前3GPP規范并未在NB-IoT中要求具有語音功能，對于eMTC來說，若開通語音業務，有以下兩種方式。

? 方式一：采用CSFB語音，需要通過SGs接口回落到CS域疏通，具體方式與人網方式相同。

? 方式二：采用VoLTE語音，則有兩種方式。一種采用與人網相同的方式，即為eMTC的VoLTE建立專用承載，通過EPC網絡接入，通過大網IMS網絡控制實現VoLTE語音；另一種為eMTC的VoLTE建立專用承載，通過EPC網絡接入，通過政企專網IMS網絡控制實現VoLTE語音。

6 結束語

本文針對NB與eMTC的技術特性，分析了核心網的網絡架構，并重點分析了核心網網元的部署原則，針對網元的不同特性將網元分為面向業務應用和管理運營的網元，如HSS、PGW、PCRF、SPR和面向終端和無線側接入的網元，如MME、SGW，提出面向業務應用和管理運營的網元適宜集中設置，面向終端和無線側接入的網元適宜分省設置。通過對分省設置的網元部署方案的比較，提出采用升級改造現網設備的同時在部分省份新建NFV設備的方式進行建設。最后對蜂窩物聯網數據、短信、語音業務的實現方案進行論述。

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Deployment and service implementation of C-IoT core network

WANG Jiyan, ZHOU Wei

China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China

The C-IoT core network architecture, function and characteristics were analyzed.According to the classification of network element characteristics, the network deployment principle was determined.Based on technical characteristics of NB and eMTC, the access network elements (MME and SGW) deployment plan were analyzed, 4 kinds of deployment plans were compared. In addition, the implementation of C-IoT data service, short message service and voice service was analyzed. Through the comparison and analysis of multiple schemes, for MME and SGW, it is recommended to upgrade and reform existing network equipment and build a new NFV equipment in some special provinces.

C-IoT, NB, eMTC, deployment scheme, service implementation

TN915.02

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018192

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、物聯網、流量經營。

周維（1976?），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。

2018?04?05；

2018?06?03