NB-IoT网络架构、数据传输优化方案.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除NB-IoT网络架构、数据传输优化方案NB-IoT的引入，给LTE/EPC网络带来了很大的改进要求。传统的LTE网络的设计主要是为了适应宽带移动互联网的需求，即为用户提供高带宽、高响应速度的上网体验。但是，NB-IoT却具有显著的区别：终端数量众多、终端节能要求高（现有LTE信令流程可能导致终端耗能高）、以小包收发为主（会导致网络信令开销远远大于数据载荷传输本身大小）、可能有非格式化的Non-IP数据（无法直接传输）等。为了适应NB-IoT终端的接入需求，3GPP对网络整体架构和流程进行了增强，提出了一些解决方案，这主要包括如何适配小包业务的传输、无线侧怎么适配、怎么解决Non-IP数据的传输、怎么传输SMS短信业务等。1 NB-IoT总体网络架构NB-IoT的端到端系统架构如下图所示。NB-IoT终端：通过空口连接到基站。eNodeB：主要承担空口接入处理，小区管理等相关功能，并通过S1-lite接口与IoT核心网进行连接，将非接入层数据转发给高层网元处理。这里需要注意，NB-IoT可以独立组网，也可以与EUTRAN融合组网（在讲双工方式的时候谈到过，NB仅能支持FDD哦，所以这里必定跟FDD融合组网）IoT核心网：承担与终端非接入层交互的功能，并将IoT业务相关数据转发到IoT平台进行处理。同理，这里可以NB独立组网，也可以与LTE共用核心网。需要注意的是，这里笼统的写成IoT核心网那是偷懒且毫不负责任的写法，下文将就此进行详细介绍，这里涉及到较多的技术细节。IoT平台：汇聚从各种接入网得到的IoT数据，并根据不同类型转发至相应的业务应用器进行处理。 应用服务器：是IoT数据的最终汇聚点，根据客户的需求进行数据处理等操作。2 NB-IoT中UP和CP优化传输方案大PK为了适配NB-IoT的数据传输特性，协议上引入了CP和UP两种优化传输方案，即control plane CIoT EPS optimization和user plane CIoT EPS optimization。CP方案通过在NAS信令传递数据，UP方案引入RRC Suspend/Resume流程，均能实现空口信令交互减少，从而降低终端功耗。需要说明的是CP方案又称为Data over NAS，UP方案又称为Data over User Plane。将以上总体架构图进行细化，如下：上图中说明几点：1)SCEF称为服务能力开放平台，为新引入网元。2) 在实际网络部署时，为了减少物理网元的数量，可以将部分核心网网元（如MME、SGW、PGW）合一部署，称为CIoT服务网关节点C-SGN，如虚框中所示。从这里也可以看出，PGW可以合设，也可以集成到C-SGN中来，图中标示的为PGW单独设置。3) Control plane CIoT EPS optimization不需要建立数据无线承载DRB，直接通过控制平面高效传送用户数据（IP和non-IP）和SMS。NB-IoT必须支持CP方案，小数据包通过NAS信令随路传输至MME，然后发往T6a或S11接口。这里实际上得出在CP传输模式下，有两种传输路径，梳理如下： UEMMESCEFCIoT Services ; UEMMESGW/PGW CIoT Services。4) User plane CIoT EPS optimization，通过新定义的挂起和恢复流程，使得UE不需要发起service request过程就能够从EMM-IDLE状态迁移到EMM-CONNECTED状态，(相应地RRC状态从IDLE转为CONNECTED)，从而节省相关空口资源和信令开销。这里分两层意思：一是UP方式需要建立数据面承载S1-U和DRB（类似于LTE），小数据报文通过用户面直接进行传输；二是在无数据传输时，UE/eNodeB/ MME中该用户的上下文挂起暂存，有数据传输时快速恢复。2.1CP和UP方案传输路径对比见以上分析，不赘述。2.2 CP和UP协议栈对比2.2.1 CP方案的控制面协议栈UE和eNodeB间不需要建立DRB承载，没有用户面处理。CP方案在UE和eNodeB间不需要启动安全功能，空口数据传输的安全性由NAS层负责。因此空口协议栈中没有PDCP层，RLC层与RRC层直接交互。上行数据在上行RRC消息包含的NAS消息中携带，下行数据在下行RRC消息包含的NAS消息中携带。2.2.2UP方案的控制面协议栈上下行数据通过DRB承载携带，需要启用空口协议栈中PDCP层提供AS层安全模式。2.3信令流程对比下图为LTE、CP方案、UP方案的信令流程及空口信令条数对比（详细信令见下一章节），可见NB通过CP和UP方案确实能减少信令开销：说明：UP中关于挂起和恢复流程将在下一章节详细阐述。2.4CP/UP方案综合PK对比维度控制面CP方案用户面UP方案3GPP标准化必选方案可选方案信令开销传输数据时空口节省约50%的信令传输数据时空口节省约50%信令，相对CP方案，增加了PDN建立时用户面承载建立信令业务多样性单一QoS业务支持多QoS业务传输小包的效率高，RRC建立时随路发送数据低，先恢复RRC连接，再从用户面发送数据传输大包的效率低，数据需分多个包，每个包都需封装在NAS信令中随路传输，效率低。（单个NAS PDU最大64kb）高，多个数据包从用户面直接传输，效率高移动场景适合跨基站移动时，需通过X2接口传递用户上下文，信令开销较大开发难度核心网改造大，基站改造小核心网改造小，基站改造大存储要求无额外存储要求挂起状态时，基站、核心网都需缓存用户上下文。单用户上下文信息约10KByte，以eNB服务5万用户，MME服务100万用户为例，核心网增加10G、基站增加500M存储要求。LTE基站目前支持1200连接态用户，即存储1200个用户，NB-IoT基站存储要求将增长40倍以上从某运营商来看，初期以控制面方案为主，后续按需支持用户面方案。3 Non-IP数据传输方案针对Non-IP数据传输方案，下图为通过SCEF传输VS通过PGW传输示意： 通过SCEF传输（路径1）： MME将用户的Non IP数据从NAS信令中剥离后，通过T6a接口发往SCEF，然后发给物联网平台。（注：SCEF为能力开放网元，和MME之间采用T6a接口，该网元现网尚未部署）采用此方案的话，将存在两个数据出口点：所有的IP数据从PGW出去，Non-IP数据从SCEF出去。将存在如下问题：网络中存在两个计费点，计费规则需要重复配置；PGW中的DPI、防欺诈等功能需重复实现在SCEF中；两个节点功能相似，硬件资源没法共享，资源浪费。通过PGW传输（路径2&3）：Non IP类数据通过该PDN连接传至PGW后，由PGW通过专用隧道发往物联网平台。此方案的优点是只存在一个出口点，IP/Non-IP数据都从PGW出去，统一计费，统一数据处理，节省资源从某国内运营商策略来看，将同时支持IP传输和非IP传输，采用PGW传输方案，统一数据出口，SCEF只做能力开放。4 短消息传输方案对于NB-IoT来说，SMS短信服务是非常重要的业务。仅支持NB-IoT的终端，由于不支持联合附着（combined attach），所以不支持基于CSFB的短信机制。以下为通过SGs短信和PS短消息对比分析： SGs短消息：终端非联合附着， MME代理终端联合附着至CS域，短信由终端通过NAS信令传至MME，然后通过SGs接口发往MSC，由MSC发往短消息中心。此方案优点为网络改造小、产业