1 NB-IoT核心網關鍵技術
NB-IoT基礎網絡平臺包括無線接入網及核心網,提供了整個物聯網業務傳輸通道。其中NB-IoT核心網除增加SCEF( Service Capability ExposureFunction,服務能力開放功能)設備及S11-u接口外,與LTE核心網邏輯網元基本相同,如圖1所示。
圖1 NB-IoT核心網網絡架構
為更好地滿足低頻度及對延遲不敏感的物聯網業務,在LTE核心網基礎上,NB-IoT核心網在數據傳輸、功耗優化、協議優化、業務能力等方面進行了功能優化和增強。
1.1 數據傳輸
針對3GPP定義的窄帶物聯網可采用3種數據類型:IPv4/IPv6、Non-IP、SMS。NB-IoT提供了兩種優化方案:(1)控制面優化方案,(2)用戶面優化方案.。
無論是控制面還是用戶面優化方案均能減小信令開銷,提升UE待機/續航能力。但對于單用戶特定時間來說,只會存在一種方式,連接態時允許控制面切用戶面,不允許用戶面切控制面;空閑態時無限制。對于整機來說,允許兩種方式同時存在,不同應用可以選擇不同傳輸方式。從支持的應用場景以及對網絡的改造難度方面綜合分析,控制面優化方案更適合窄帶小包物聯網業務,通過信令優化,空口、S1接口信令可減少50%以上,但受限于控制面帶寬,不適合大量用戶同時接入。目前NB-IoT將控制面數據傳輸方案作為必選,用戶面傳輸方案作為可選。
1.2 功耗優化
為進一步降低終端電源消耗,NB-IoT引入了長周期TAU、eDRX及PSM技術。
eDRX雖然節電效果比PSM要差些,但是相對于PSM,大幅度提升了下行通信鏈路的可達性。
PSM更適合由設備發起/調度的業務應用。對于下行業務時延無要求的場景(如智能水表,下行業務主要為參數位置、固件升級等,可以等待UE發送上行數據進入連接態后再發起),可以使用PSM進一步節省UE功耗。
eDRX允許網絡和設備同步睡眠周期,增加了延遲,更適合針對網絡發起的應用進行優化。對于有遠程不定期監控(如遠程定位,電話呼入,配置管理等)需求且實時性要求很高的場景,如果允許一定的時延,可以采用eDRX并將尋呼周期設的盡量短些。
UE可在ATTACH和TAU中請求開啟PSM或(和)eDRX,但最終開啟哪一種或兩種均開啟、以及周期是多少均由網絡側根據業務類型及場景協商后決定。
1.3 協議優化
NB-IoT協議信令流程基于LTE設計,對信令進行了剪裁并針對NB-IoT業務的特點進行了協議優化。如優化系統信息,通過延長系統信息有效降低上行隨機接入、小區選擇和重選的頻次,降低UE功耗。
通過引入PTW,允許在PTW內多次尋呼UE,進行尋呼優化。NB-IoT協議專門做了基于APN和服務PLMN的速率控制。
1.4 業務能力
(1)短消息
NB-IoT存在兩種短信解決方案:基于SGs接口的短消息和基于SGd接口的短消息。其中基于SGs接口的短信有兩種實現方案:
方案1:標準SGs方案,UE支持電路域聯合附著,需要考慮電路域設備VLR容量。
方案2:簡化SGs方案,UE不支持聯合附著,MME代理實現。
(2)Non-IP
對于大多數NB-IoT應用,發送的數據報告頻率低、字節小,一般報告在20-200個字節之間,這樣UDP/IP傳輸層協議棧的占用字節(IPv4,28字節;IPv6,48字節)占的數據報文比例很高,尤其是在有效負荷小于20字節的情況下,報文頭甚至超過了數據,所以在這種情況下UE傳輸Non-IP數據可以大幅提升無線網絡數據傳輸效率。
Non-IP數據傳輸有兩種實現方式:
方案1:通過SCEF傳遞Non-IP數據,無需建立用戶面承載,屬于Non-IP專屬解決方案。需新建SCEF網元節點,并且MME需要開通并支持T6a接口。
方案2:通過SGi進行UDP/IP封裝,以隧道方式支持Non-IP小數據包傳遞。使用PGW功能傳輸IP及Non-IP數據,適用于IoT UE與某個單獨的AS之間協商并進行隧道加密的通信場景。網絡側需要給每個IoT UE都分配1個IP地址,MME/eNB需要支持提示UE禁用IP頭壓縮功能。當UE想要采用Non-IP的PDN連接來發送小數據包時,發送"Non-IP"標識給網絡側。
(3)能力開放
SCEF是專門為NB-IoT設計引入的,它除了用于解決Non-IP數據傳輸外,還是3GPP定義的能力開放功能邏輯網元,SCEF能夠把3GPP定義的網絡接口提供的網元業務能力安全地開放給第三方業務供應商。
綜上,NB-IoT核心網與LTE核心網架構基本相同,均涉及HSS、MME、SGW、PGW等網元,并進行了功能的簡化、優化,為支持NB-IoT業務的順利開展,需要核心網主要網元具備的能力如表1所示。
表1 NB-IoT核心網新增功能及涉及網元
同時,為更好地支撐能力開放,NB-IoT也需要PCC網元配合。