移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用及演進(jìn)

□ 文 谷群 李?lèi)?ài)華 張翀 張彥 魏彬 苑紅

1、引言

雖然移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)初衷是為“物物”通信服務(wù)的，但是其主要架構(gòu)仍然是沿用現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了功能裁剪和增強(qiáng)，具體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)“端到端”主要包括四個(gè)部分，即物聯(lián)網(wǎng)終端，無(wú)線接入網(wǎng)，核心網(wǎng)及服務(wù)平臺(tái)；核心網(wǎng)的用戶數(shù)據(jù)傳輸鏈路起始于演進(jìn)型基站（eNodeB），經(jīng)由服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S-GW）和PDN網(wǎng)關(guān)（P-GW）的轉(zhuǎn)發(fā)，終止于應(yīng)用服務(wù)器（AS）；同時(shí)，核心網(wǎng)還包含存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的HSS，負(fù)責(zé)移動(dòng)性和會(huì)話管理的MME，執(zhí)行策略和計(jì)費(fèi)功能的PCRF以及業(yè)務(wù)能力開(kāi)放網(wǎng)元SCEF。如果用戶有短信或者話音的業(yè)務(wù)需求，則還會(huì)涉及移動(dòng)交換中心（MSC）、短信中心（SMSC）等CS域網(wǎng)元以及呼叫會(huì)話管理功能（CSCF）等IMS域網(wǎng)元。

在此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)了多種精簡(jiǎn)的數(shù)據(jù)傳輸方案以降低網(wǎng)絡(luò)資源開(kāi)銷(xiāo)并靈活滿足終端的業(yè)務(wù)需求；設(shè)計(jì)了新的節(jié)電機(jī)制提高終端的續(xù)航能力，降低終端維護(hù)成本；針對(duì)未來(lái)業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)設(shè)計(jì)了多種移動(dòng)性優(yōu)化機(jī)制；并將網(wǎng)絡(luò)能力抽象整合成可對(duì)外開(kāi)放的服務(wù)能力，以便為用戶提供更有針對(duì)性的服務(wù)。同時(shí)，為了兼顧移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)及存量終端向下一代的演進(jìn)需求，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)針對(duì)目前現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用可能存在的問(wèn)題以及當(dāng)前技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的功能增強(qiáng)和演進(jìn)技術(shù)。

圖1 CIoT網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

2、核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

為了滿足萬(wàn)物互聯(lián)的多元化需求，基于終端特性提供定制化高效的通信服務(wù)，移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)主要包括高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，新型的節(jié)電機(jī)制，移動(dòng)性優(yōu)化以及能力開(kāi)放等內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)部分運(yùn)營(yíng)商在現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用部署中可能存在的實(shí)際問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決方案

2.1 高效數(shù)據(jù)傳輸

移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)終端的數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景多種多樣，既有間隔較長(zhǎng)的小包數(shù)據(jù)傳輸，也有頻繁的大包數(shù)據(jù)傳輸。如果不同的傳輸場(chǎng)景采用不同的傳輸方式，可以有效減少控制面的信令開(kāi)銷(xiāo)并降低傳輸時(shí)延。

對(duì)于間隔時(shí)間較長(zhǎng)的小包數(shù)據(jù)，如果每次傳輸都進(jìn)行一次數(shù)據(jù)鏈路的建立和拆除，無(wú)疑是對(duì)信令資源的巨大浪費(fèi)。若采用控制面?zhèn)鬏攦?yōu)化方案，由MME將待傳輸數(shù)據(jù)包封裝在NAS消息中并下發(fā)給UE，這樣在發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求時(shí)就不需要每次都重建用戶面的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，既可以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源，還能降低功耗。

對(duì)于頻繁的大包數(shù)據(jù)傳輸，由于鏈路容量等因素的限制，通過(guò)NAS消息進(jìn)行傳輸無(wú)法滿足傳輸?shù)囊螅m合使用用戶面優(yōu)化傳輸方案，同時(shí)還可以通過(guò)將承載鏈路“掛起”和“恢復(fù)”的方式實(shí)現(xiàn)鏈路的快速恢復(fù)。

盡管這兩種傳輸方式已經(jīng)被明確定義，但是在部分運(yùn)營(yíng)商的現(xiàn)網(wǎng)部署中可能遇到了一些實(shí)際問(wèn)題，例如用戶或網(wǎng)絡(luò)如何實(shí)現(xiàn)由控制面?zhèn)鬏敺桨赶蛴脩裘鎮(zhèn)鬏敺桨傅霓D(zhuǎn)換；現(xiàn)網(wǎng)當(dāng)中支持控制面?zhèn)鬏數(shù)腟11-U接口和支持用戶面?zhèn)鬏數(shù)腟1-U接口分屬于兩個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)，這兩個(gè)接口應(yīng)該如何部署；如何降低控制面?zhèn)鬏敽陀脩裘鎮(zhèn)鬏敃r(shí)的IP頭開(kāi)銷(xiāo)。

圖2 空閑態(tài)控制面向用戶面?zhèn)鬏數(shù)霓D(zhuǎn)換流程

圖3 連接態(tài)控制面向用戶面?zhèn)鬏數(shù)霓D(zhuǎn)換流程

圖4 上行傳輸頭壓縮方案

圖5 下行傳輸頭壓縮方案

針對(duì)上面三個(gè)問(wèn)題，本章將詳細(xì)介紹對(duì)應(yīng)的解決方案和關(guān)鍵技術(shù)。

2.1.1 控制面和用戶面優(yōu)化傳輸方案的轉(zhuǎn)換

（1）空閑態(tài)控制面向用戶面?zhèn)鬏數(shù)霓D(zhuǎn)換

如果終端處于空閑態(tài)，終端已知即將傳輸大數(shù)據(jù)包，決定將傳輸方案從控制面轉(zhuǎn)換為用戶面優(yōu)化傳輸方案，則基本的信令流程如下：

· 在終端和MME采用控制面優(yōu)化傳輸方案時(shí)，如果終端處于空閑態(tài)且終端決定采用用戶面優(yōu)化方案?jìng)鬏敽罄m(xù)的業(yè)務(wù)，UE發(fā)起Service Request流程，并經(jīng)由eNB轉(zhuǎn)發(fā)給MME。

· MME完成鑒權(quán)及安全流程之后，刪除下行TEID等控制面優(yōu)化方案中建立的S11-U相關(guān)信息，然后MME向eNodeB發(fā)送S1-AP Initial Context Setup Request消息以觸發(fā)無(wú)線承載建立流程。此時(shí)，終端就可以經(jīng)eNodeB，S-GW發(fā)送上行數(shù)據(jù)到達(dá)P-GW。

· 但是，到目前為止下行數(shù)據(jù)鏈路仍未打通，在eNodeB向MME發(fā)送S1-AP message Initial Context Setup Complete消息后， MME和S-GW通過(guò)Modify Bearer Request/Modify Bearer Response消息打通下行數(shù)據(jù)鏈路。

（2）連接態(tài)控制面向用戶面?zhèn)鬏數(shù)霓D(zhuǎn)換

如果終端處于連接態(tài)，終端或MME決定將傳輸方案從控制面轉(zhuǎn)換為用戶面優(yōu)化傳輸方案，則基本的信令流程如下：

· 若為終端決定的轉(zhuǎn)換方案，UE發(fā)送Control Plane Service Request消息經(jīng)由eNodeB轉(zhuǎn)發(fā)給MME。若為MME決定的轉(zhuǎn)換方案，則不會(huì)包含這兩條消息。

· MME在S11-U接口發(fā)送完隊(duì)列中的上行數(shù)據(jù)，隨后刪除在控制面優(yōu)化方案中已經(jīng)建立的S11-U相關(guān)信息。

· 對(duì)于所有未設(shè)置為Control Plane Only Indicator的PDN連接，MME向eNodeB發(fā)送S1-AP Initial Context Setup Request消息。此時(shí)，終端就可以經(jīng)eNodeB，S-GW發(fā)送上行數(shù)據(jù)到達(dá)P-GW。

· 為了打通下行數(shù)據(jù)鏈路，eNodeB向MME發(fā)送S1-AP message Initial Context Setup Complete消息后， MME向S-GW發(fā)送Modify Bearer Request消息。此時(shí)S-GW可以開(kāi)始向UE發(fā)送下行數(shù)據(jù)，并向MME返回Modify Bearer Response消息。

基于上述轉(zhuǎn)換方案，可以根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景靈活調(diào)整傳輸方案，避免不必要的信令開(kāi)銷(xiāo)，減小數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延，最大限度地滿足用戶的業(yè)務(wù)需求。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)接口獨(dú)立方案

在進(jìn)行控制面?zhèn)鬏斚蛴脩裘鎮(zhèn)鬏數(shù)霓D(zhuǎn)換時(shí)，最初標(biāo)準(zhǔn)定義的S1-U接口的F-TEID和S11-U接口的F-TEID為同一個(gè)值，并未考慮部分運(yùn)營(yíng)商在現(xiàn)網(wǎng)部署當(dāng)中S1-U接口和S11-U接口可能分屬于兩個(gè)承載網(wǎng)的情況。

為了滿足控制面和用戶面的轉(zhuǎn)換要求，同時(shí)避免對(duì)承載網(wǎng)進(jìn)行調(diào)整，并保持兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的隔離狀態(tài)，則需對(duì)用戶附著，切換以及跨MME的TAU的相關(guān)信令流程進(jìn)行修改以使其能夠同時(shí)攜帶不同S1-U SGW F-TEID和S11-U SGW F-TEID。MME收到這兩個(gè)F-TEID之后保存下來(lái)，并在需要進(jìn)行傳輸優(yōu)化方案的切換時(shí)，能夠發(fā)送給服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S-GW）供其使用。

2.1.3 IP頭壓縮

在移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)當(dāng)中，小數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)占有相當(dāng)?shù)谋壤藭r(shí)，IP包頭要求的資源開(kāi)銷(xiāo)就尤為明顯，但如果采用IP包頭壓縮技術(shù)就可以有效地降低此類(lèi)開(kāi)銷(xiāo)。若移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)終端采用控制面優(yōu)化傳輸方案，UE執(zhí)行上行IP頭壓縮，MME執(zhí)行上行解壓縮功能；與之相反，對(duì)于下行數(shù)據(jù)，MME執(zhí)行下行IP頭壓縮，UE執(zhí)行下行解壓縮功能。如果終端采用用戶面優(yōu)化方案進(jìn)行傳輸，IP頭壓縮和解壓縮功能分別在終端和eNodeB上實(shí)現(xiàn)。

2.2 新型節(jié)電機(jī)制

低功耗技術(shù)是移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)重要技術(shù)，它不僅可以減少不必要的信令交互，節(jié)約無(wú)線空口資源，還可以降低功耗，提高終端的續(xù)航能力。目前物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)電技術(shù)主要包括PSM技術(shù)和eDRX技術(shù)。

圖6 PSM時(shí)序示意圖

圖7 eDRX時(shí)序示意圖

圖8 SMSC短信緩存流程

圖9 基于NB-IoT類(lèi)型的擁塞控制

2.2.1 PSM/eDRX增強(qiáng)

（1）PSM技術(shù)

PSM技術(shù)即省電模式技術(shù)，其原理是終端進(jìn)入空閑態(tài)后會(huì)觸發(fā)T3324定時(shí)器。如果定時(shí)器超時(shí)后仍沒(méi)有上下行的數(shù)據(jù)交互，移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)終端就會(huì)關(guān)閉射頻模塊。T3324定時(shí)器由MME通過(guò)附著完成消息下發(fā)給終端，MME獲得T3324定時(shí)器的途徑包括終端上報(bào)，MME本地配置或HSS簽約。雖然終端的射頻模塊被關(guān)閉，核心網(wǎng)側(cè)仍會(huì)保留用戶上下文，當(dāng)用戶主動(dòng)進(jìn)入空閑態(tài)/連接態(tài)時(shí)無(wú)需再進(jìn)行附著或PDN連接建立。

（2）eDRX機(jī)制增強(qiáng)技術(shù)

eDRX技術(shù)即延長(zhǎng)型的非連續(xù)接收技術(shù)，可以認(rèn)為是對(duì)DRX技術(shù)的增強(qiáng)。此技術(shù)通過(guò)將DRX周期延長(zhǎng)到10.24秒以上，有效地降低了頻繁接收和發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)所帶來(lái)的功耗。eDRX技術(shù)雖然增加了接收的時(shí)延，但是網(wǎng)絡(luò)側(cè)在一個(gè)可預(yù)期的周期性時(shí)間內(nèi)仍可通過(guò)發(fā)起尋呼的方式完成網(wǎng)絡(luò)與終端之間交互的，這也是eDRX技術(shù)與PSM技術(shù)的最大區(qū)別。

2.2.2 節(jié)電模式下的短信緩存

節(jié)電技術(shù)PSM和eDRX的引入給現(xiàn)有的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)一定的影響，例如下行短信不可達(dá)的問(wèn)題。由于PSM狀態(tài)下用戶的下行不可達(dá)時(shí)間大于短信緩存的時(shí)長(zhǎng)72小時(shí)，這樣會(huì)導(dǎo)致短信下送的失敗率大大增加。

為了解決此問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)側(cè)需要使用短消息中心（SMSC）對(duì)短信進(jìn)行暫時(shí)緩存：MME在收到MSC下發(fā)的SGs Paging消息后，若發(fā)現(xiàn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)用戶暫時(shí)不可達(dá)，則通知MSC網(wǎng)元此用戶暫時(shí)不可達(dá)；MSC發(fā)送失敗上報(bào)消息（Failure Report）給SMS-GMSC，SMS-GMSC向HSS/HLR訂閱UE可達(dá)時(shí)的消息通知；MME在尋呼窗口到來(lái)前尋呼UE，尋呼成功后需向HSS通知UE可達(dá)，HSS發(fā)送Alert-SC到短消息中心（SMSC），短消息中心（SMSC）重傳下行短信。此方案可提高節(jié)電模式下短信發(fā)送的成功率。

2.3 移動(dòng)性優(yōu)化

2.3.1 擁塞控制

若大量移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)用戶采用控制面優(yōu)化方案?jìng)鬏敃r(shí)，終端請(qǐng)求接入網(wǎng)絡(luò)或發(fā)送請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的Control Plane Service Request消息可能會(huì)突然呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，由于用戶數(shù)據(jù)是通過(guò)NAS消息與正常NAS信令一起傳輸，因此可能會(huì)導(dǎo)致傳輸鏈路發(fā)生擁塞，甚至影響正常信令的傳輸，給網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行安全帶來(lái)影響。

MME支持基于NB-IoT接入類(lèi)型的NAS擁塞控制，包括控制新用戶接入以及請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的消息。MME判斷網(wǎng)絡(luò)擁塞后會(huì)在發(fā)送的attch reject或CPRS reject中攜帶back-off timer信元，且back-off timer信元的值應(yīng)當(dāng)離散化以降低并發(fā)的接入量，UE收到back-off timer后待定時(shí)器超時(shí)后嘗試重新發(fā)送請(qǐng)求。

此方案降低了核心網(wǎng)發(fā)生擁塞的概率，并提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

2.3.2 短信機(jī)制優(yōu)化

移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)大量設(shè)備的聯(lián)合附著會(huì)給MSC網(wǎng)元帶來(lái)擴(kuò)容的壓力，因此可按需對(duì)特定用戶進(jìn)行聯(lián)合附著，而非所有的移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)用戶。在現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用中可對(duì)聯(lián)合附著流程進(jìn)行優(yōu)化，避免不必要的容量浪費(fèi)。

主要的聯(lián)合附著流程如下：

· 物聯(lián)網(wǎng)終端發(fā)起聯(lián)合附著請(qǐng)求，Attach Type為EPS attach，同時(shí)Additional update type為SMS only；UE進(jìn)行EPS附著的相關(guān)流程；

· MME通過(guò)Update Location Request消息向HSS請(qǐng)求終端的相關(guān)簽約信息，HSS通過(guò)Update Location Answer消息返回簽約信息；

· MME基于IMSI或MSISDN號(hào)段判斷該終端需不需要短信業(yè)務(wù)，若不需要通過(guò)SGs接口進(jìn)行聯(lián)合附著，則直接返回Attach Accept，其中Attach Result信元為EPS only；若需要進(jìn)行聯(lián)合附著，則MME按照正常聯(lián)合附著流程向MSC等網(wǎng)元發(fā)起聯(lián)合附著流程。

2.4 能力開(kāi)放

面向物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)涉及的終端節(jié)電、終端移動(dòng)性事件監(jiān)控、會(huì)話管理等業(yè)務(wù)訴求，面向物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)了網(wǎng)業(yè)分離的能力開(kāi)放架構(gòu)，將運(yùn)營(yíng)商獨(dú)有的網(wǎng)絡(luò)能力與業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)解耦，SCEF能力平臺(tái)負(fù)責(zé)抽象、匯聚和封裝網(wǎng)絡(luò)側(cè)能力，連接管理平臺(tái)負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)接入和簽約管理，兩者協(xié)同將終端移動(dòng)性能力、會(huì)話能力、參數(shù)配置能力、操作維護(hù)能力等開(kāi)放給物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商，豐富移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)內(nèi)容。

圖10 MME基于號(hào)段有選擇地進(jìn)行聯(lián)合附著

3、核心網(wǎng)的演進(jìn)技術(shù)

移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)的技術(shù)演進(jìn)以功能增強(qiáng)和向下一代網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)為方向。結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用可能存在的問(wèn)題和當(dāng)前技術(shù)的不足，功能增強(qiáng)主要考慮以下幾個(gè)方面：

（1）移動(dòng)性增強(qiáng)，即針對(duì)控制面優(yōu)化方案和數(shù)據(jù)面優(yōu)化方案的跨區(qū)移動(dòng)時(shí)的鏈路重建立功能；

（2）定位增強(qiáng)，即在NB-IoT核心網(wǎng)中復(fù)用大網(wǎng)中的定位服務(wù)功能，并針對(duì)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)增強(qiáng)；

（3）覆蓋增強(qiáng)的簽約功能，覆蓋增強(qiáng)功能雖然是NB-IoT的一個(gè)重要功能，但卻會(huì)占用大量的網(wǎng)絡(luò)資源，因此有必要對(duì)相關(guān)用戶通過(guò)簽約進(jìn)行控制；

（4）QoS控制，隨著控制面優(yōu)化方案在NBIoT中被大量使用，基于控制面優(yōu)化方案進(jìn)行差異化的QoS控制也是非常有必要的。

面向下一代網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，需考慮現(xiàn)有NB-IoT和5G mIoT之間業(yè)務(wù)能力的繼承、NB-IoT核心網(wǎng)和5G網(wǎng)絡(luò)的共存和演進(jìn)關(guān)系，以及物聯(lián)網(wǎng)新業(yè)務(wù)能力的滿足等三大方面。

4、總結(jié)

本文首先介紹了移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在此技術(shù)上介紹了核心網(wǎng)側(cè)的關(guān)鍵技術(shù)及部署優(yōu)化方案，之后闡述了核心網(wǎng)的演進(jìn)技術(shù)。無(wú)論是EPC網(wǎng)絡(luò)還是未來(lái)的5G核心網(wǎng)，對(duì)于移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的增強(qiáng)技術(shù)以及新增功能的研究仍有待進(jìn)一步探索。■