APN設置對NB-IoT業務應用影響研究

戴明珠 李鐘瑞

摘 要：基于蜂窩的窄帶物聯網（NB-IoT）技術在復雜應用環境中往往會出現連接不穩定、時延過長等問題。為解決由APN參數設置導致的NB-IoT業務問題，優化用戶體驗，對不同種類的NB-IoT業務中包括APN參數在內的一系列關鍵參數進行了研究。分析了NB-IoT業務的組網架構，通過對比不同參數設置對固定NB-IoT業務應用的影響，確定各關鍵參數的推薦配置值。以某智能小區內安裝的NB智能門禁模組遇到的網絡問題為案例，對NB-IoT的端到端業務優化工作進行分析，通過實驗證明關鍵參數推薦配置值的有效性，為NB-IoT技術在不同垂直行業中的應用提供參考。

關鍵詞：物聯網;NB-IoT;APN;關鍵參數;智能門禁

DOI：10. 11907/rjdk. 181740

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）003-0168-05

0 引言

近年來，物聯網作為移動通信行業的新興業務發展迅猛，針對低功耗廣覆蓋類LPWA應用設計的新型窄帶蜂窩物聯網NB-IoT技術，由于具有大連接、低功耗、低成本等優勢受到越來越多的關注，NB-IoT的標準、設備、芯片、模組、測試、應用、網絡發展迅速[1-5]。2017年是三大運營商物聯網業務發展的突破之年，各項NB-IoT物聯網應用頻頻推出[6-9]。雖然2016年NB-IoT對應的3GPP核心協議已全部完成[10-11]，但作為新興的網絡制式和組網模式，NB-IoT的網絡優化工作仍任重道遠。

APN是手機上網必須配置的一個參數，它決定了手機通過哪種接入方式訪問網絡。由于物聯網業務種類較為復雜，選擇不同的APN可讓終端接入不同的核心網，從而享有差異化的服務功能。已有的APN優化方案主要通過APN融合和APN參數修改兩種方式進行業務優化。2013年，楊繼為和楊麗等[12-13]分別提出了APN融合改造方案，結合現網情況給出了推薦方案;同年，周俊茂等 [14]完成了對其提出的APN融合網絡改造技術的可行性分析。雖然APN融合方案有著諸多優點，但對于接入網點單一的業務類型來說，ANP融合方案很不合適，對于此種類型的業務用戶一般采用優化APN參數的方法進行業務改進[15-18]。

本文介紹了NB-IoT的業務種類、網絡組網、關鍵參數，引入部分案例對NB-IoT的端到端業務優化工作進行分析。通過對APN及相關參數的介紹，闡述了NB-IoT在智能抄表、智能家居、市政物聯、物流追蹤、智能穿戴、廣域物聯和工業物聯等垂直行業中的應用，尤其針對不同業務種類特點進行了網絡配置及參數優化，可為后續優化工作提供參考。

1 NB-IoT

1.1 物聯網簡介

物聯網，顧名思義是把所有物品通過網絡連接起來，實現任何物體、任何人、任何時間、任何地點的智能化識別、信息交換與管理[19-20]。物與物之間進行通信的網絡稱為物聯網，即Internet of Things，簡稱IoT，它是通過無線射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把物品與互聯網連接起來進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。比如車聯網、家電聯網、動物聯網等，物聯網應用行業及場景見表1。

在人機匹配率達到95%以上的當下，物聯網對運營商和設備制造商而言，相當于挖到了一座寶藏，蘊藏著巨大的商業價值和社會價值。根據預測，2020年全球終端連接數將達到500億個，物網連接數將達到人網連接數的4倍。

1.2 物聯網技術標準

物聯網對功耗、覆蓋、連接數量這幾個指標較為敏感，但大部分物聯網應用對網絡的傳輸速率卻不敏感。于是，低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network，LPWAN）概念應運而生。

LPWAN物聯網包括很多技術標準，目前使用的主流技術標準包括NB-IoT、LoRa、Sigfox、eMTC，見表2。

由于頻譜原因，LoRa技術和Sigfox技術在競爭上沒有明顯優勢。在長期不斷的博弈和競爭過程中，NB-IoT脫穎而出，處于暫時領先地位。可以和NB-IoT勢均力敵的是eMTC（enhanced Machine Type of Communication），即增強型機器類型通信。但是eMTC和NB-IoT的應用場景不同，eMTC適合對速度和帶寬有較高要求的物聯網應用。鑒于此，我們把研究重點放在當前比較熱門的NB-IoT上。

1.3 NB-IoT特性與優勢

NB-IoT的主要優勢如圖1所示，具體有以下幾個方面：

（1）功耗能耗方面，NB-IoT犧牲了速率卻換回了更低的功耗。采用簡化的協議更合適的設計，大幅提升了終端待機時間，部分NB終端待機時間甚至可以達到10年。

（2）信號覆蓋方面，NB-IoT有更好的覆蓋能力（20dB增益），地下停車場甚至是埋在井蓋下面的水表，也不影響信號收發。

（3）連接數量方面，每個小區可以支持5萬個終端。

（4）最重要的是成本價格方面，NB-IoT通信模塊成本很低，每模組在5美元以內，有利于大批量采購和使用。

2 NB-IoT網絡介紹

2.1 NB-IoT網絡架構

如圖2中的NB-IoT網絡架構所示，NB-IoT業務端到端網絡主要分為以下6個部分：①NB終端，包含模組和芯片;②無線接入網絡;③省內核心網網元;④物聯網專網;⑤物聯網開放平臺;⑥客戶應用。

以某運營商為例，NB-IoT終端通過全國800M無線網絡接入，經過31個省的核心網網元數據處理（MME，SGW）后，將數據匯聚到物聯網專網，并經過物聯網開放平臺處理后發送到客戶平臺。

2.2 NB-IoT Attach附著流程

UE通過Attach流程，實現在EPC上進行EPS注冊。Attach流程完成后，UE附著到窄帶網絡上，處于EMM-REGISTERED狀態，核心網獲得UE位置并可對其進行尋呼。

Attach流程：RRC建立→鑒權→安全模式識別→Attach成功，如圖3所示。

圖3中，T3410表示UE側定時器，T3450表示MME等待附著TAU完成GUTI重分配響應定時器。Attach request消息由MAG5攜帶，通過Initial UE message發送到核心網。其它消息如鑒權、加密等均攜帶在NAS PDU中。

3 NB-IoT關鍵參數

3.1 Active Time激活定時器（T3324）

圖4所示為NB-IoT終端PSM圖例，Power saving mode （PSM）是3GPP R12引入的功能，允許終端在TAU和Attach流程后，在激活定時器T3324超時后進入深度休眠期即節電模式，在節電模式終端不監聽尋呼，同時終端關閉自己的射頻收發單元，從而使耗電量比空閑狀態大大減少。在節電模式下，網絡無法訪問終端，只能等待終端喚醒后向基站發起隨機接入過程以進入連接狀態，在Active Time這段時間內被叫業務才能使用。

配置建議：按照核心網配置參數建議配置。

配置說明及影響：配置過大會導致UE的耗電量增加，配置過小可能導致尋呼不及時。

3.2 MME本地配置的周期性跟蹤區更新定時器（T3412）

UE在PSM期間，不接收任何網絡尋呼。對于網絡側來說UE此時是不可達的，數據、短信、電話均進不來，只有當TAU周期請求定時器（T3412）超時（周期TAU/RAU定時器超時后需要執行周期TAU/RAU），或者UE有MO業務要處理而主動退出時，UE才會退出PSM模式進入空閑態，進而進入連接態處理上下行業務。TAU周期請求定時器（T3412）由網絡側在Attch和TAU消息中指定，3GPP協議規定默認為54min，最大可達310h。

表4為T3412參數配置建議，按照核心網建議配置的86400s進行配置。該參數配置過小將會導致UE的耗電量增加，配置過大可能導致尋呼不及時，一般來說，該參數設置應比數據上傳周期大一點。

3.3 eDRX周期

圖5所示為NB-IoT 終端eDRX圖例，空閑態eDRX引入超幀hyper SFN（H-SFN），即eDRX周期長度以hyper SFN（H-SFN）為單位，最大1 024個H-SFN。一個H-SFN包括1 024個SFN，因此最大的eDRX周期為10 485.76s（174min），這樣終端可以用更長的周期監測Paging，更有效地節電。終端和核心網在注冊或TA更新流程中協商eDRX周期長度和PTW（Paging Transmission Window），尋呼終端時，核心網在S1接口的Paging消息中攜帶eDRX周期和PTW給無線。PTW是在每個DRX周期內終端監測尋呼消息的時長。

表5為eDRX周期參數配置建議，按照核心網建議配置的43.68min進行配置。該參數配置過小會導致UE耗電量增加，配置過大可能導致尋呼不及時。

3.4 尋呼窗口定時器PTW Value

PTW（Paging Transmission Window）值是在每個DRX周期內終端監測尋呼消息的時長。UE在PTW內周期性監聽尋呼信道，判斷是否有下行業務。

表6為PWT值參數配置建議，按照核心網建議配置的40.96s進行配置。該參數值配置過大將導致UE的耗電量增加，過小可能導致尋呼不及時。

4 NB-IoT APN

4.1 APN

APN即Access Network Point，主要由APN Network Identifier和APN Operator Identifier兩部分組成，亦即網絡標識和運營商標識。網絡標識是必須包含的，運營商標識只在某些場景下必須攜帶。一個有網絡標識和運營商標識組成的APN指示一個相應核心網的域名名稱。網絡標識需要使用一個或多個標簽（label）進行表示，運營商的表示方式與此類似。

選擇不同的APN可讓終端接入不同的核心網，從而在享有的服務功能上有所差別。

4.2 APN分配與使用

NB終端不同于其它物聯網終端，NB終端無需設置APN即可直接撥號，核心網MME設備會根據號碼簽約的APN自動下發配置。對于變更APN或TAU定時器的操作，只需重新附著網絡就會給終端下發新的APN配置參數。

為適應不同的業務場景，NB卡提供了9種特殊定制的APN，如表7所示。不同的APN對應不同的省電參數，在業務受理時根據需要選擇合適的APN和TAU定時器。

NB業務中最常用的兩種APN是ctNB（默認）和psm0.eDRX0.ctNB。其中，ctNB是省電模式的APN，開啟PSM功能;psm0.eDRX0.ctNB是下發控制模式的APN，同時關閉PSM和dDRX功能。NB卡默認簽約APN為“ctNB”，終端不需要設置，由網絡下發。不同的APN對應不同的定時器參數，根據業務需要選擇合適的定時器參數。

5 NB-IoT APN配置優化案例

5.1 背景介紹

某小區位于某市龍生路與茶苑路的交匯處，是一個占地面積0.225 km2能容納近4000戶的“公園”樓盤，現為該區域最大的高檔居民小區，為打造成該市第一個智能小區，要建設智能門禁、水表、電表和停車等智能功能。為此與開發商簽訂戰略合作，以智能門禁為試點，實現水、電和停車的智能商用。

5.2 問題描述

客戶投訴小區內安裝的NB智能門禁模組時好時壞，時延時高時低，主要表現為：①模組在門禁盒外可以正常開啟，放置門內過段時間則無法開門;②放進門內時延很高，開門有時需要長達10s左右;③模組失效后，放到門禁盒外需要重啟才能正常使用。

5.3 業務流程及信令解析

小區智能門禁業務流程如圖6所示。用戶使用APP開門，消息通過服務器發送給IoT平臺，平臺響應，尋呼消息由核心網下發至基站，基站尋呼模組。

基站尋呼模組后，進行空口RRC連接，交互NAS消息模組控制門禁開門，后釋放RRC連接。正常模組開門空口信令如圖7所示。

5.4 問題排查

（1）排查無線側問題。由于模組在門禁盒外可以正常開啟，放置門內過段時間則無法開門，懷疑是門禁盒對無線信號的接收產生影響，但取出外置一段時間后發現故障依然存在。

（2）端到端核查。聯合核心網、設備廠家、NB物聯網平臺及網優后臺進行信令跟蹤，APP平臺下發消息，IoT收到消息后并未向下尋呼轉發。

（3）判斷為APN問題。由于故障時好時壞，懷疑是參數配置問題，首先查看APN配置。經核查，NB卡APN模式處于默認模式（CTNB），該模式下終端開啟PSM，周期進入深度睡眠模式，導致尋呼不到的情況，初步判斷為開卡特性不符合現場門禁業務。

（4）參數。門禁業務和水表電表業務不同，水表電表對時延和頻次要求不高，因此可以采用CTNB模式，現場模組放置門禁盒子內，直接接通外部電源，業務需長時間待機在線，不需要休眠省電。更換設備并將NB卡APN模式修改為psm0.eDRX0.ctNB模式（開門延時在3-4s，客戶表示能接受）。關閉PSM特性，終端不會深度睡眠，長時間待機。更換開卡APN后，現場測試均正常。

（5）IoT平臺24h會話?；顔栴}。開卡APN后，當天各時間段測試均正常。第二天接到客戶消息，門禁NB終端未響應、開不了門。多節點信令跟蹤，問題為IoT平臺沒下發尋呼。查詢核心網終端狀態正常為idle態。經與省內核心網確認，終端每小時會進行TAU位置更新，所以在核心網側并未拆線。通過IoT平臺排查未有終端會話，經核實平臺會話?；疃〞r器為24h，由于終端未主動上報數據導致IoT平臺定時器超時會話失活，省內外終端狀態不一致導致無法正常開門。

在定時器超時前，終端需主動發送心跳包至平臺，平臺收到后會重新更新定時器。與終端廠家確認，終端并未加入相應的數據主動上報機制，導致平臺會話定時器超時。

模組廠家重新對設備進行更新，設置相應的主動上報機制。現場測試前后2次開門時間超過24h，能正常開門，說明IoT平臺能收到模組主動上報心跳包，刷新會話存活時間。

5.5 問題總結

NB應用不僅僅局限于水表電表，簡單地用默認APN配置不能支撐其它業務應用。隨著更多新應用的推出，會有不同的問題出現。NB問題定位涉及端到端各節點問題，其往往不是無線側能直接定位的問題，需要拉通所有節點協助定位，網絡優化人員要熟悉業務特性，熟悉端到端網絡架構，熟悉參數配置等。

6 結語

以上研究和測試說明，NB-IoT業務和其它傳統的移動網絡業務不一樣，NB-IoT業務涉及的專業范圍廣、內容多，各行各業的業務訴求也存在較大差異，如對時延、頻次、傳輸速率等都有不同要求。問題定位涉及端到端各節點問題，往往不是靠簡單的現象就可以判定的，需要維護人員貫穿所有節點協助定位。要熟悉業務實質，梳理業務流程，聯合其它節點跟蹤，才能定位出問題的準確位置。

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（責任編輯：杜能鋼）