NB-IoT核心网关键技术

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  1 NB-IoT核心网关键技术

        NB-IoT基础网络平台包括无线接入网及核心网，提供了整个物联网业务传输通道。其中NB-IoT核心网除增加SCEF（ Service Capability ExposureFunction，服务能力开放功能）设备及S11-u接口外，与LTE核心网逻辑网元基本相同，如图1所示。

  图1 NB-IoT核心网网络架构

        为更好地满足低频度及对延迟不敏感的物联网业务，在LTE核心网基础上，NB-IoT核心网在数据传输、功耗优化、协议优化、业务能力等方面进行了功能优化和增强。

        1.1 数据传输

        针对3GPP定义的窄带物联网可采用3种数据类型：IPv4/IPv6、Non-IP、SMS。NB-IoT提供了两种优化方案：（1）控制面优化方案，（2）用户面优化方案。。

        无论是控制面还是用户面优化方案均能减小信令开销，提升UE待机/续航能力。但对于单用户特定时间来说，只会存在一种方式，连接态时允许控制面切用户面，不允许用户面切控制面;空闲态时无限制。对于整机来说，允许两种方式同时存在，不同应用可以选择不同传输方式。从支持的应用场景以及对网络的改造难度方面综合分析，控制面优化方案更适合窄带小包物联网业务，通过信令优化，空口、S1接口信令可减少50%以上，但受限于控制面带宽，不适合大量用户同时接入。目前NB-IoT将控制面数据传输方案作为必选，用户面传输方案作为可选。

        1.2 功耗优化

        为进一步降低终端电源消耗，NB-IoT引入了长周期TAU、eDRX及PSM技术。

        eDRX虽然节电效果比PSM要差些，但是相对于PSM，大幅度提升了下行通信链路的可达性。

        PSM更适合由设备发起/调度的业务应用。对于下行业务时延无要求的场景（如智能水表，下行业务主要为参数位置、固件升级等，可以等待UE发送上行数据进入连接态后再发起），可以使用PSM进一步节省UE功耗。

        eDRX允许网络和设备同步睡眠周期，增加了延迟，更适合针对网络发起的应用进行优化。对于有远程不定期监控（如远程定位，电话呼入，配置管理等）需求且实时性要求很高的场景，如果允许一定的时延，可以采用eDRX并将寻呼周期设的尽量短些。

        UE可在ATTACH和TAU中请求开启PSM或（和）eDRX，但最终开启哪一种或两种均开启、以及周期是多少均由网络侧根据业务类型及场景协商后决定。

        1.3 协议优化

        NB-IoT协议信令流程基于LTE设计，对信令进行了剪裁并针对NB-IoT业务的特点进行了协议优化。如优化系统信息，通过延长系统信息有效降低上行随机接入、小区选择和重选的频次，降低UE功耗。

        通过引入PTW，允许在PTW内多次寻呼UE，进行寻呼优化。NB-IoT协议专门做了基于APN和服务PLMN的速率控制。

        1.4 业务能力

        （1）短消息

        NB-IoT存在两种短信解决方案：基于SGs接口的短消息和基于SGd接口的短消息。其中基于SGs接口的短信有两种实现方案：

        方案1：标准SGs方案，UE支持电路域联合附着，需要考虑电路域设备VLR容量。

        方案2：简化SGs方案，UE不支持联合附着，MME代理实现。

        （2）Non-IP

        对于大多数NB-IoT应用，发送的数据报告频率低、字节小，一般报告在20-200个字节之间，这样UDP/IP传输层协议栈的占用字节（IPv4，28字节;IPv6，48字节）占的数据报文比例很高，尤其是在有效负荷小于20字节的情况下，报文头甚至超过了数据，所以在这种情况下UE传输Non-IP数据可以大幅提升无线网络数据传输效率。

        Non-IP数据传输有两种实现方式：

        方案1：通过SCEF传递Non-IP数据，无需建立用户面承载，属于Non-IP专属解决方案。需新建SCEF网元节点，并且MME需要开通并支持T6a接口。

        方案2：通过SGi进行UDP/IP封装，以隧道方式支持Non-IP小数据包传递。使用PGW功能传输IP及Non-IP数据，适用于IoT UE与某个单独的AS之间协商并进行隧道加密的通信场景。网络侧需要给每个IoT UE都分配1个IP地址，MME/eNB需要支持提示UE禁用IP头压缩功能。当UE想要采用Non-IP的PDN连接来发送小数据包时，发送“Non-IP”标识给网络侧。

        （3）能力开放

        SCEF是专门为NB-IoT设计引入的，它除了用于解决Non-IP数据传输外，还是3GPP定义的能力开放功能逻辑网元，SCEF能够把3GPP定义的网络接口提供的网元业务能力安全地开放给第三方业务供应商。

        2 NB-IoT核心网网元能力

        综上，NB-IoT核心网与LTE核心网架构基本相同，均涉及HSS、MME、SGW、PGW等网元，并进行了功能的简化、优化，为支持NB-IoT业务的顺利开展，需要核心网主要网元具备的能力如表1所示。

        表1 NB-IoT核心网新增功能及涉及网元

        

        同时，为更好地支撑能力开放，NB-IoT也需要PCC网元配合。

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NB-IoT引入了长周期TAU、eDRX及PSM技术