NB-IoT核心網(wǎng)是什么
盡管LTE和NB-IoT一脈同氣,但LTE的設(shè)計(jì)目標(biāo)是高速率、大流量,而NB-IoT為物聯(lián)網(wǎng)“間歇傳送小數(shù)據(jù)”而生,兩者方向相反。因此,LTE核心網(wǎng)EPS也不再適應(yīng)NB-IoT應(yīng)用,需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。
為了提升NB-IoT系統(tǒng)的小數(shù)據(jù)的傳輸效率,3GPP SA2工作組于2015年7月開始研究CIoT EPS優(yōu)化構(gòu)架,提出了CIoT EPS需支持四大功能:
①支持超低功耗物聯(lián)網(wǎng)終端
②支持每小區(qū)連接大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備
③支持窄帶頻譜無線接入技術(shù)
④支持物聯(lián)網(wǎng)增強(qiáng)覆蓋
并進(jìn)行功能簡(jiǎn)化,裁剪了LTE EPS的四項(xiàng)功能:
①不提供緊急呼叫服務(wù)
②不支持流量卸載,如本地lP接入(LIPA)和選擇性IP流量卸載
③在EPS連接管理上,只支持IDLE模式下的重選,不支持CONNECTED模式下的切換
④不支持建立GBR承載和專用承載
最終,3GPP提出了兩種優(yōu)化方案:控制面優(yōu)化傳輸方案( C-Plane CIoT EPS optimization)和用戶面優(yōu)化傳輸方案(U-Plane CIoT EPS optimization)。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)終端,必須支持“控制面優(yōu)化傳輸方案”,可選支持“用戶面優(yōu)化傳輸方案”。
控制面優(yōu)化傳輸方案
控制面優(yōu)化傳輸方案使得小數(shù)據(jù)包可以傳輸于控制面上,數(shù)據(jù)以非接入層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NAS PDU)的格式封裝于控制面信令消息來傳輸,其概念如同商場(chǎng)購(gòu)物,若消費(fèi)者只購(gòu)買少量商品,可經(jīng)由指定的快速通道結(jié)賬。
這一方案可在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)減少了控制面信令開銷,因此有助于降低終端功耗和減少使用頻帶。
如上圖所示,控制面優(yōu)化傳輸方案支持IP數(shù)據(jù)和非IP數(shù)據(jù)傳輸,傳輸路徑可分為兩條:①通過S-GW傳送到P-GW再傳送到應(yīng)用服務(wù)器(CIoT Services);②通過SCEF(Service Capability Exposure Function)連接到應(yīng)用服務(wù)器,該路徑僅支持非IP數(shù)據(jù)傳輸。
根據(jù)傳輸路徑和是否支持IP數(shù)據(jù)傳輸,可分為三種傳輸模式:
傳輸路徑①(IP數(shù)據(jù)傳輸)
傳輸路徑為S-GW到P-GW再到應(yīng)用服務(wù)器,可沿用現(xiàn)有的IP通信技術(shù)快速部署NB-IoT,缺點(diǎn)是安全性低,且不經(jīng)過SCEF,電信運(yùn)營(yíng)商仍為管道角色。
傳輸路徑①(非IP數(shù)據(jù)傳輸)
傳輸路徑仍為S-GW到P-GW再到應(yīng)用服務(wù)器,但由于已無IP地址傳輸數(shù)據(jù)包,因此在P-GW上必須要有NB-IoT終端的ID與AS的IP地址+端口號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,才能將數(shù)據(jù)包正確傳送在SGi的界面上,這種方式稱為UDP/IP的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)隧道(Point-to-Point (PtP) Tunneling)技術(shù)。隧道的參數(shù),也就是目的地IP地址與UDP端口號(hào)需事先配置于P-GW上,對(duì)NB-IoT終端和AS之間傳送的數(shù)據(jù)來說,P-GW是一個(gè)透明的傳輸節(jié)點(diǎn)。
這種方式安全性高且省電,但需要開發(fā)新的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)隧道技術(shù)。
傳輸路徑②(非IP數(shù)據(jù)傳輸)
即通過SCEF傳遞Non-IP數(shù)據(jù),這條路徑僅支持非IP數(shù)據(jù)傳輸,屬于Non-IP專屬解決方案。這種方式優(yōu)點(diǎn)較多,安全性高、省電,且運(yùn)營(yíng)商能創(chuàng)造新的商業(yè)價(jià)值,但需新建SCEF網(wǎng)元節(jié)點(diǎn),需開發(fā)新的API技術(shù)。
SCEF
SCEF為NB-IoT新增加的節(jié)點(diǎn),其通過API接口向AS提供服務(wù),而非直接發(fā)送數(shù)據(jù),使得電信營(yíng)運(yùn)商不再只是管道,而是可以將業(yè)務(wù)能力安全地開放給第三方業(yè)務(wù)供應(yīng)商,實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)分析以創(chuàng)造新的商業(yè)價(jià)值。
SCEF構(gòu)架如上圖所示,鑒于安全性考慮,SCEF放置于運(yùn)營(yíng)商信任的網(wǎng)域中(Trust Domain),并通過OMA(Open Mobile Alliance),GSMA(Groupe Speciale Mobile Association),或其他標(biāo)準(zhǔn)組織(Standardisation Bodies, SDOs)的API接入服務(wù),同時(shí),SCEF的API支持多種不同類型,如DIAMETER、RESTful APIs與XML over HTTP等,使得SCEF可以更靈活應(yīng)用于不同的網(wǎng)絡(luò)中。Network Entity則指HSS、MME、P-GW、PCRF或與計(jì)費(fèi)、安全相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
C-SGN
C-SGN,即CIoT Serving Gateway Node,是控制面優(yōu)化傳輸方案引入的新節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)是由LTE EPS的控制面節(jié)點(diǎn)MME、用戶面節(jié)點(diǎn)S-GW和P-GW的最小化功能合并而成的單個(gè)邏輯實(shí)體,C-SGN功能也可以部署在現(xiàn)網(wǎng)EPS的MME中。
HLCom
在控制面優(yōu)化傳輸方案中,可引入了HLCom機(jī)制,即Optimization to support High Latency Communication,該機(jī)制將下行數(shù)據(jù)緩存在S-GW中。由于NB-IoT終端通過PSM和eDRX等技術(shù)來間歇性接收數(shù)據(jù),以達(dá)到省電的目的,當(dāng)NB-IoT終端在休眠狀態(tài)時(shí),S-GW將下行數(shù)據(jù)緩存,直到終端被喚醒后才將這些緩存的數(shù)據(jù)下發(fā)給終端。
用戶面優(yōu)化傳輸方案
數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞脚cLTE EPS一樣采用用戶面承載,但是,該優(yōu)化方案在RRC層引入了掛起(Suspend)和恢復(fù)(Resume)兩種新狀態(tài)以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的間歇傳輸特性,同時(shí)要求NB-IoT終端、eNB和MME存儲(chǔ)連接信息,以快速恢復(fù)重建連接,簡(jiǎn)化信令流程,提升傳輸效率。
經(jīng)過這么一優(yōu)化,承載可以按需的方式建立,因而可降低終端功耗和支持單小區(qū)大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接。該方案除了支持現(xiàn)有EPS功能外,還可以支持通過P-GW傳輸非IP數(shù)據(jù)。
RRC Suspend流程
如上圖所示,該過程由eNB激活,釋放NB-IoT終端與eNB之間的RRC連接,以及eNB與S-GW之間的S1-U承載。
步驟(1)和(2):
eNB發(fā)送UE Context Suspend Request,并通過MME向S-GW發(fā)起釋放與NB-IoT終端相關(guān)的承載信息。
步驟(3):
S-GW釋放eNB與NB-IoT終端相關(guān)的S1-U承載。具體而言,S-GW僅釋放eNB地址和下行隧道端點(diǎn)標(biāo)識(shí)符(TEID),并繼續(xù)存儲(chǔ)其他信息。
步驟(4)和(5):
在S-GW處完成S1-U承載釋放后,eNB通過MME接收UE Context Suspend Response通知。
步驟(6)和(7):
eNB存儲(chǔ)NB-IoT終端的Access Stratum (AS)信息、S1-AP連接信息和承載信息,并向NB-IoT終端發(fā)送RRC Connection Suspend消息。
步驟(8):
MME為NB-IoT終端存儲(chǔ)S1-AP連接信息和承載信息,并進(jìn)入IDLE狀態(tài)。
步驟(9):
當(dāng)接收到來自eNB的RRC Connection Suspend消息后,NB-IoT終端存儲(chǔ)AS信息,并IDLE狀態(tài)。
RRC Resume流程
如上圖所示,該過程重新建立(恢復(fù))處于Suspend狀態(tài)的NB-IoT UE與eNB之間的RRC連接,以及eNB與S-GW之間的釋放的S1-U承載。Resume過程由NB-IoT啟動(dòng)和激活。
步驟(1)和(2):
首先使用由RRC Suspend過程中存儲(chǔ)的AS信息來恢復(fù)與網(wǎng)絡(luò)的連接。
步驟(3):
此時(shí),eNB對(duì)NB-IoT終端執(zhí)行安全檢查,并向NB-IoT終端提供恢復(fù)的無線承載列表,且同步NB-IoT UE和eNB之間的EPS承載狀態(tài)。
步驟(4):
eNB向MME發(fā)送UE Context Resume Request,以通知其與NB-IoT終端的連接已經(jīng)安全地恢復(fù)。
步驟(5)和(6):
從eNB接收到該恢復(fù)通知后,MME恢復(fù)NB-IoT終端的S1-AP連接信息和承載信息,進(jìn)入CONNECTED狀態(tài),并向eNB發(fā)送UE Context Resume Response消息(包括S-GW地址和S1-AP連接信息)。
步驟(7):
現(xiàn)在NB-IoT終端可以向S-GW發(fā)送上行數(shù)據(jù)。
步驟(8 )和(9):
MME通過Modify Bearer Request消息向S-GW發(fā)送eNB地址和下行鏈路TEID,以重建NB-IoT終端與S-GW之間的下行鏈路的S1-U承載。
步驟(10)和(11):
S-GW向MME發(fā)送Modify Bearer Response消息,然后開始傳輸下行數(shù)據(jù)。
值得一提的是,當(dāng)S-GW接收到下行數(shù)據(jù)的同時(shí)NB-IoT終端處于Suspend狀態(tài),此時(shí),S-GW將緩存數(shù)據(jù)包,同時(shí)在S-GW和MME之間初始化Downlink Data Notification過程,然后MME尋呼NB-IoT終端,由此通過NB-IoT終端啟動(dòng)激活連接Resume流程。
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