蜂窩物聯網核心網目標架構演進探討

馬洪源，周維，付艷，邵永平，黎丹

工程與應用

蜂窩物聯網核心網目標架構演進探討

馬洪源1，周維1，付艷1，邵永平1，黎丹2

（1. 中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080；2. 中國移動通信集團有限公司，北京 100032）

物聯網存在面向2G、4G、窄帶物聯網（narrow band Internet of things，NB-IoT）的傳統專用核心網以及面向5G的toB物聯網核心網。隨著網絡的進一步云化演進，為簡化網絡、增強能力、提升效益、方便運維，需要明確面向未來的物聯網核心網目標架構。基于現網存在的問題，結合網絡演進驅動力，對物聯網網絡演進目標架構、演進策略以及業務解決方案進行了分析和探討，以此為運營商物聯網規劃建設提供參考。

5G；蜂窩物聯網；核心網；toB

0 引言

蜂窩物聯網存在2G、4G、窄帶物聯網（narrow band Internet of things，NB-IoT）、5G等不同制式的接入網絡以及為不同制式接入用戶提供服務的物聯網核心網。截至2021年年中，全球蜂窩物聯網連接總規模超過20億，其中中國三大運營商幾乎占到3/4[1]。隨著網絡建設和運營使用的深入，物聯網核心網在容量、模型、網絡功能、網絡架構及網絡運維等方面出現了如下較為突出的問題。

（1）網絡容量需要匹配業務發展需要

物聯網用戶總規模穩步增長，活躍度顯著提升，結構有所優化。因此，一方面，容量體現在物聯網開卡用戶的增長對核心網及相關業務系統的需求；另一方面，物聯網用戶組成結構的變化以及用戶網絡模型的變化，對核心網容量也產生了新的需求。例如，某運營商某省物聯網用戶忙時激活比例從2020年年初的15%穩步提升至2021年的21%；隨著4G、5G物聯網用戶的增加，忙時單用戶平均流速也從1～3 kbit/s逐步提升到10～200 kbit/s。

（2）網絡功能需要完善增強以保持技術領先

一方面，需要增強優化現網設備以滿足物聯網用戶多樣化業務需求和相關安全管控要求，例如，網關功能增強以支持靜態IP二次認證、終端互訪，策略控制和計費（policy control and charging，PCC）功能增強以支持區域位置限制、機卡綁定增強等；另一方面，為保持技術領先，進一步增強網絡新能力，支撐toB業務發展，需要引入需求迫切、技術成熟、產業進度可期的5G新功能，面向監管要求和市場業務拓展，優化增強業務、容災、安全管控等能力。

（3）網絡架構需要有效優化以保持高效靈活

當前多種制式網絡共存造成組網、路由組織及規劃建設復雜。專用物聯網核心網及業務平臺大多仍采用傳統設備，版本繁多、形態各異，設備占地空間大、能耗及運維成本高，且不具備持續演進升級條件，不符合網絡云化演進趨勢；同時，現有核心網集中部署模式不能滿足客戶在智能控制、視頻回傳、業務實時辦理等高可靠低時延、安全隔離等特定行業的需求。

1 網絡演進驅動力

為解決現網存在的突出問題，更好地滿足業務發展，亟須構建更加合理完善的物聯網核心網目標架構。本文首先從政策與環境、業務與產業及技術與標準3個方面對物聯網核心網演進驅動因素進行分析。

（1）政策與環境驅動

國家要求加快5G等新型網絡基礎設施建設進度，行業全面實施“5G+”計劃，物聯網演進發展應符合國家政策相關要求，支撐公司戰略轉型發展。

2021年7月，工業和信息化部等十部門印發《5G應用“揚帆”行動計劃（2021—2023年）》，明確2023年5G在大型工業企業滲透率超過35%、5G行業虛擬專網數達到3 000個，并指明toB發展的重點行業。揚帆計劃七大量化指標如圖1所示。

圖1 揚帆計劃七大量化指標

2020年5月，工業和信息化部辦公廳發布了《關于深入推進移動物聯網全面發展的通知》，引導新增物聯網終端不再使用2G/3G網絡，推動存量2G/3G物聯網業務向NB-IoT/4G（Cat1（LTE UE-Category 1，數字是用來衡量用戶終端設備無線性能的，主要用來劃分終端速率（等級）））/5G網絡遷移，2G退網大勢所趨，符合國家政策要求和降本增效目標[2]。

（2）業務與產業驅動

需要滿足多種制式用戶連接和功能特性需求，滿足行業需要統籌規劃、構建協同發展的蜂窩物聯網網絡體系。

蜂窩物聯網分制式承載規劃如圖2所示，不同速率用戶通過不同制式物聯網接入方式承載。NB-IoT針對低功耗廣域（low power wide area，LPWA）技術設計，商用Release-13（Rel-13）版本速率低于2G、Rel-14版本速率與2G基本相當。eMTC/Cat1/Cat1 bis/Cat4本質是4G，5G NR能力最高，可用于垂直行業需求；面向物聯網需求，Rel-17設計了NR Light（NR設備低性能）[3]。

圖2 蜂窩物聯網分制式承載規劃

針對窄帶物聯網場景，在技術層面NB已在多方面對2G形成替代優勢，標準層面具備可持續演進條件；在覆蓋和價格上，當前NB基站已基本完成連續覆蓋，根據某運營商招標結果顯示，NB模組已降至12元，價格優勢進一步顯現。

Cat1主要面向物聯網中低速率場景。根據最新一期某運營商招標結果，Cat1模組價格已進入40元以內區間[4]。隨著產業日趨成熟，未來針對高速率以及特殊要求場景的5G（含輕量化5G技術（reduced capability，RedCap））物聯網也將逐步規模化應用[5]。

（3）技術與標準驅動

技術標準的演進、網絡能力的提升以及網絡產品的升級等技術驅動需要物聯網核心網目標架構能夠靈活地適配。

在標準層面，5G能力三角的完善不斷為行業場景帶來新技術、新功能。Rel-16標準完善了5G能力三角，引入了5G局域網（local area network，LAN）、增強的位置定位服務（enhanced location service，eLCS）、非公共網絡（non-public network，NPN）、高精度定位、NB演進（CIoT）等功能，進一步增強了5G網絡面向toB業務的服務能力。Rel-17/Rel-18繼續對Rel-16的增強演進進行定義，提出卓越網絡、智生智簡、低碳高效三大演進方向。

在網絡能力層面，信息與通信技術（information and communication technology，ICT）融合、專享網絡、工業現場網技術、通信技術（communication technology，CT）與運營技術（operational technology，OT）融合對未來網絡演進及組網均有不同要求。

在產品層面，構建行業專網需要通過能力定制實現核心網絡能力不同程度的下沉，以賦能5G應用重點領域，保持核心網絡技術領先。

隨著數據安全法、信息保護法的陸續頒布，網絡及數據安全管控日益趨緊。同時，運營商網絡戰略轉型也要求實現核心網功能升級、容量全云化目標。

2 目標架構及演進策略

2.1 架構分析

基于網絡現狀及演進驅動力，結合典型蜂窩物聯網業務特性分析，物聯網核心網目標架構設計主要存在以下兩種思路，目標架構設計思路對比分析見表1。

表1 目標架構設計思路對比分析

思路1 5G toB核心網與傳統物聯網專網融合。根據不同層級網元特點，其可分為全融合和部分融合。全融合是指一張融合云化核心網滿足所有制式蜂窩物聯網接入，通過共享設備容量，按需部署新功能，以滿足業務發展需要。部分融合是指僅用戶的數據類網元融合，接入與會話承載類網元分設。

思路2 5G toB核心網與傳統物聯網獨立發展。傳統物聯網主要滿足中低速率窄帶物聯網和部分中速率寬帶物聯網業務需求，支持2G、NB和4G接入，對物聯網云化改造可以滿足新增容量和功能需求。5G toB網絡定位于高價值物聯網客戶，主要滿足部分寬帶物聯網業務、低時延高可靠通信（ultra-reliable & low-latency communication，URLLC）（如多路冗余傳輸的增強功能）業務，僅支持5G接入[6]。可通過擴容升級滿足新增容量和功能需求。

基于業務特點、標準及產業情況、業務影響、路由組織、資源利用等維度進行方案思路分析，統籌考慮，可優先采用思路1.1作為目標架構，簡化網絡架構、支持各種類型接入制式共享網絡容量。

2.2 目標架構

基于上述分析，面向未來應逐步構建一張云化融合、功能靈活、接入統一、立體分層、運維集約的物聯網核心網，適配和支撐業務發展，有效保持網絡技術領先，構建差異化核心網絡競爭能力。物聯網核心網目標架構如圖3所示。

（1）云化融合：采用全云化、全融合架構，不同制式用戶共享設備容量提高設備利用效率，滿足全業務、全場景需求。

（2）功能靈活：基于基礎功能底座，疊加專用網絡能力，通過虛擬網絡切片或定制化產品實現功能靈活組合。

（3）接入統一：支持4G、5G、NB統一接入，2G建議保留在傳統專網。

（4）立體分層：集中+邊緣架構，采用專線/行業網關滿足地市共享容量需求，采用邊緣網絡實現業務本地閉環，滿足高可靠低時延業務。

圖3 物聯網核心網目標架構

（5）運維集約：基于簡化網絡架構，統一開通、計費，簡化運維流程。

2.3 演進策略

面向目標、立足現狀，可按近期、遠期兩階段逐步完成網絡架構優化調整、存量用戶有序遷移，有效保護投資、簡化多代網絡，逐步構建全云化、全融合、統一接入的物聯網融合核心網。物聯網核心網目標架構演進策略示意圖如圖4所示。

在網絡層面，考慮2G無線逐步退網、頻譜重耕等因素，建議初期2G維持現狀，自然退網；考慮NB是未來中低速率物聯網主要承載網絡，且具備獨立無線電接入技術（radio access technology，RAT）類型[7-8]，建議NB存量和新增用戶全部通過融合核心網承載；4G物聯網由于在接入層面無法和toC用戶區分，因此4G接入需要復用toC核心網接入類網元，然后再疏通到toB融合核心網；5G toB用戶全部通過融合核心網承載。

在網元層面，需要考慮用戶數據、策略控制、網關和接入類網元演進策略。

（1）考慮物聯網用戶與toC用戶行為習慣差異較大，現有存量2G/4G模組基本無法升級支持5G功能需求，且物聯網用戶對碼號依賴性較低，因此新增用戶可考慮采用新卡新號開通業務。

（2）考慮網絡演進和用戶策略一致性，建議新增4G、NB、5G等toB用戶策略控制統一由toB核心網的二融合PCF/UDR負責。根據網絡現狀和業務發展趨勢，存在以下兩種部署思路。

圖4 物聯網核心網目標架構演進策略示意圖

思路1 toB網絡PCF/UDR設備進行擴容，以滿足增量用戶需求。不考慮存量用戶升級支持5G功能，新增用戶采用新卡新號支持策略數據簽約與控制。

思路2 toB網絡PCF/UDR設備在滿足增量用戶需求的同時，對傳統存量用戶進行替換。如果傳統策略與計費規則功能（policy and charging rules function，PCRF）單元存量用戶相對較少，可考慮用戶遷移升級以實現支持5G功能。替換后，所有策略控制設備為兩融合PCF/UDR，會話管理功能/PDN網關/GPRS網關支持節點（session management function/PDN gateway/GPRS gateway support node，SMF/PGW/GGSN）不再支持Gx接口。

為提升用戶感知，避免融合網關因無法識別4G、5G用戶而造成的策略尋址失敗問題，建議采用思路2。

（3）對于5G核心網（5G core，5GC）控制面網元及用戶面功能（user plane function，UPF）網元，物聯網2G/4G用戶只能通過toC網絡服務GPRS支持節點/移動管理實體（serving GPRS support node/mobility management entity，SGSN/MME）接入。NB用戶統一采用toB融合網絡認證管理功能/移動管理實體（authentication management function/mobility management entity，AMF/MME）接入，同時AMF融合NB MME功能。現有5G toB網絡SMF/PGW-C融合GGSN-C，UPF/PGW-U融合GGSN-U。toB用戶簽約的接入點名稱/數據網絡名稱（access point name/data network name，APN/DDN）類型較多，APN/DNN與手機制式無關，存在不同制式終端使用的可能性，需要SMF/PGW-C支持2G/4G/NB功能。

2.4 技術演進

為保持技術領先、支撐toB業務發展，可考慮引入需求迫切、技術成熟、產業進度可期的5G新功能。面向行業監管要求和一線業務拓展需要，可考慮優化增強業務、容災、安全管控等能力。基于端到端共同明確的Rel-16引入策略，按需引入toB相關核心網新能力。toB網絡與toC網絡同步通用新功能，如多切片4G/5G互操作、計費能力增強、N9轉發隧道等。同時為提升“定制化、精確化、區域化”等專網新能力，考慮引入5G LAN、PNI-NPN、eLCS等行業場景新功能。

考慮部分行業應用對網絡質量、專用、安全、服務支撐等存在特殊要求，“網絡專用”需求不斷涌現，亟須快速整合能力，重構專網核心網產品體系。近期業內主要有以下兩種解決方案。

●增強型UPF方案：在現有UPF能力基礎上，集成極簡AMF、SMF、UDM功能，滿足toB大網設備故障或連接中斷時本地數據業務的應急接入能力，即在園區內用戶訪問業務不受和上層網絡連接故障的影響，實現用戶不掉線、業務不中斷。

●定制化下沉核心網方案：針對特定行業安全隔離管控要求，在局域/封閉場景下，配合專用無線網絡，可提供定制化核心網下沉解決方案，在運行態與大網保持相對獨立的狀態。

2.5 業務解決方案

物聯網核心網融合進程中數據業務、語言業務、短信業務以及計費等均存在不同的解決思路。

2.5.1 數據業務

數據業務通過APN/DNN進行隔離和疏通。面向定向流量場景，可通過APN/DNN指向特定的用戶面設備；面向低時延、本地數據處理等場景，通過APN/DNN是目標網絡的唯一標識的特點，4G APN可通過4G網絡將終端接入專用APN標識的客戶內網，并將訪問通道與公網隔離，從而確保網絡訪問的安全性及數據傳輸的私密性。對APN的描述、定義和使用同樣適用于5G DNN指向邊緣的用戶面設備。物聯網現網包含面向通用數據接入的通用APN/DNN和面向業務特性獨立設置的專用APN/DNN。其中通用APN/DNN負責疏通到互聯網公網的數據流量；專用APN/DNN是客戶根據需求申請開通專用APN/DNN（專用隧道需求、節電參數單獨配置需求、網絡性能單獨統計等）。

2G APN建議保留在傳統網絡，隨2G退網逐步消亡。4G和NB數據通用APN通過物聯網現網PGW與融合核心網融合網關設備按權重負荷分擔承載存量及新增用戶業務需求，并隨網絡云化融合遷移至融合設備。4G和NB的數據專用APN可根據客戶業務運行情況按需割接到融合核心網。通用APN/DNN依然可以采用覆蓋范圍內全網負荷分擔，區域性專用APN/DNN可以通過歸屬地網關設備進行疏通，全網性專用APN/DNN可以按照通用APN/DNN選擇部分網關進行疏通，新增用戶通過域名系統（domain name system，DNS）設置選擇融合網關進行數據業務疏通。

2.5.2 語音業務

物聯網語音業務建議優先采用VoIMS（voice over IMS）方案。IP多媒體子系統（IP multimedia subsystem，IMS）網絡設備部署涉及以下幾種思路。

（1）接入邊界會話控制器/代理呼叫會話控制功能（session border controller/proxy-call session control function，SBC/P-CSCF）方案有兩種思路：思路1為減少路由迂回，復用功能穩定的toC網絡設備；思路2為按照獨立建設、物理隔離方式部署，4G復用toC、5G獨立部署。

（2）為避免大量改造，支撐業務靈活迭代，控制面方案有3種部署思路：思路1按照獨立部署虛擬化替換雙跨IMS，與物聯網（含車聯網）語音業務、開通/計費密切相關的呼叫會話控制功能（call session control function，CSCF）、VoLTE應用服務器（VoLTE application server，VoLTE AS）、SCP AS/業務控制點（service control point，SCP）、電話號碼映射工作組/域名系統（telephone number mapping working group/domain name system，ENUM/DNS）等網元集中獨立設置，同步考慮雙跨用戶對CSCF、固網歸屬用戶服務器（home subscriber server，HSS）的需求；思路2復用toC網絡IMS；思路3是I/S-CSCF、ENUM/DNS復用toC網絡IMS，VoLTE AS獨立部署。

從滿足業務需求、兼顧網絡演進，減少網絡架構調整，按需替換老舊設備角度考慮，建議VoIMS方案接入SBC/P-CSCF復用toC網絡，I/S-CSCF、應用服務器（application server，AS）、ENUM/DNS等控制面設備獨立部署虛擬化設備替換傳統雙跨IMS。未來隨著向VoNR演進，通過復用雙跨IMS只需要將被割接省份SBC/P-CSCF數據配置從傳統專網PGW上刪除，重新配置在融合SMF/SAEGW-C上，對現網無額外改造要求。

2.5.3 短消息業務

使用IMS語音的終端可以采用IP短消息方案；對于不支持IMS協議棧的終端，仍然需要采用基于SGs接口的短消息方案。考慮2G逐步退網，需要提前準備解決方案，一方面可以通過升級終端支持IP短消息或非接入層（non access stratum，NAS）短消息，另一方面可通過研究替代解決方案，保留拜訪位置寄存器（visitor location register，VLR）及SGs接口功能。為促進物聯網消息的接入統一，可考慮將多個短消息系統進行融合部署，主要存在以下兩種思路。

思路1 部署SMSC、MSC/VLR、SMSF和IP-SM-GW四融合，替換現有短消息相關系統，支持多制式用戶統一接入和數據共享。

思路2 實現SMSC、MSC/VLR兩融合替換現有SMSC，IP-SMGW和SMSF獨立設置，由3類網元共同承載各類物聯網消息。

為簡化架構、優化信令流程、共享同類資源、提高設備效率、并支持2G退網后短消息業務延續，建議采用思路1，統一滿足4G/5G/NB物聯網各類短消息業務需求，同時實現與2G電路域功能解耦。

2.5.4 計費

5G toB網絡實現了在線計費和離線計費的融合，SMF支持融合PGW-C功能，SMF/PGW-C統一產生計費信息，不再使用2G/4G分組域網絡中的PGW/GGSN的Gy接口和Ga接口，后續統一通過Nchf接口將計費信息發送至計費功能（charging function，CHF）。

3 結束語

無論是用戶行為、業務模型、市場發展，還是網絡策略，toB和toC網絡之間既存在一定聯系又存在明顯差異。基于業務定位，面向5G、通過建設一張云化融合的物聯網核心網既可以滿足不同接入類型用戶共享網絡容量，有效避免不同類型用戶發展不均衡帶來的網絡資源浪費；同時，采用全網基礎網絡能力底座、按需疊加特色專用功能的靈活組合，又能夠有效支撐不同行業客戶差異化需求、凸顯以價值為導向的網絡設計理念。通過明確目標思路、演進策略、組網架構及業務解決方案，將實現向云化融合、集約運營、縱深分布的物聯網核心網有序演進。

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[2] 工業和信息化部辦公廳. 關于深入推進移動物聯網全面發展的通知[R]. 2020.

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[4] 中國聯通. 中國聯通數科物聯網事業部公布Cat.1模組產品數據[R]. 2022.

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Discussion on the evolution of architecture of the core network of cellular Internet of things

MA Hongyuan1, ZHOU Wei1, FU Yan1, SHAO Yongping1, LI Dan2

1. China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China 2. China Mobile Communications Co., Ltd., Beijing 100032, China

At present, there are two Internet of things networks facing 2G, 4G, NB-IoT and facing toB core networks. In order to simplify the network, enhance the capability, enhance the benefit, and facilitate the operation and maintenance, it is necessary to define the target architecture of 5G-oriented Internet of things core network. Based on the existing network problems and combined with the driving force of network evolution, the network evolution target structure, evolution strategy and service solution were analyzed and discussed. It provides a reference for operators to plan and construct the Internet of things.

5G, cellular Internet of things, core network, toB

TP393

A

10.11959/j.issn.1000–0801.2023007

2022–05–05；

2023–01–04

馬洪源，mahongyuan@cmdi.chinamobile.com

馬洪源（1984– ），男，中國移動通信集團設計院有限公司高級工程師，主要研究方向為移動通信核心網。

周維（1977– ），男，中國移動通信集團設計院有限公司高級工程師、咨詢設計總監，主要研究方向為核心網。

付艷（1985–- ），女，中國移動通信集團設計院有限公司高級工程師，主要研究方向為移動通信核心網。

邵永平（1978– ），男，中國移動通信集團設計院有限公司高級工程師、咨詢設計總監，主要研究方向為核心網。

黎丹（1981– ），女，中國移動通信集團有限公司高級工程師，主要研究方向為移動通信核心網。