面向NB-IoT的核心网业务模型和组网方案

王计艳，王晓周，吴倩，朱黎黎，高贤谡，卢云，邹铭明

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

面向NB-IoT的核心网业务模型和组网方案

王计艳，王晓周，吴倩，朱黎黎，高贤谡，卢云，邹铭明

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

窄带物联网（NB-IoT）的市场空间巨大，是未来重点的发展方向，全球主流电信运营商均开始积极布局。为更好地确定网络部署的建设方案和资源配置，从NB-IoT的业务场景出发，对NB-IoT业务特性进行分析，给出面向NB-IoT的核心网业务模型参数和组网方案，对后续NB-IoT核心网资源配置和规划方案有重要指导意义。

LPWA；窄带物联网；eMTC；业务特性；业务模型；组网方案

1 引言

相对于个人通信业务来说，物联网（IoT）业务种类繁多、应用场景多样化、发展空间巨大。根据对未来物联网业务的预测，2020年全球将会产生500亿个IoT连接，其中60%（即300亿）的连接来自于LPWA（low power wide area，低功耗广域）市场，远高于中高速率连接市场的规模。LPWA是低功耗、广覆盖、低成本、低速率、大连接类业务的统称。

LPWA的主要业务特性包括海量设备接入、低速率小数据分组、模组超低成本、超低功耗、广覆盖、可接受一定范围内的通信时延、大部分终端处于静止或低速移动。

LPWA也包含多种技术，如Sigfox、LoRa、eMTC和NB-IoT（narrowband-internet of things，窄带物联网）等，其主要技术指标情况见表1。

表1 LPWA主要技术指标情况

NB-IoT作为LPWA的一种，具有海量设备接入、低速率小数据分组、模组超低成本、超低功耗、广覆盖、时延不敏感、大部分终端处于静止或低速移动等业务特性，十几家国内外运营商均表示要重点发展NB-IoT业务，并积极开展试点和技术验证工作。

2 NB-IoT对核心网的要求

2.1 面向NB-IoT的核心网标准发展情况

3GPP R13版本中（TS23.401标准）面向NB-IoT/eMTC的核心网 EPC架构的核心部分已冻结。3GPP R14版本（Stage2）正在进行架构增强及业务流程的优化，包括对寻呼、SMS支持、授权用户覆盖增强等方面，预计在2017年下半年有相对成熟的版本。

以上标准对eMTC涉及较少，目前较为确定的是：基于控制面优化的小分组传送增强方案作为NB-IoT的核心网必选方案、eMTC的可选方案；而基于用户面优化的小分组传送增强方案作为NB-IoT和eMTC的可选方案。

2.2 面向NB-IoT的核心网架构

针对NB-IoT的海量设备接入、低速率小数据分组、超低功耗、广覆盖等业务特性，若采用现有 EPC核心网承载 NB-IoT业务，将存在如下问题。

（1）控制面效率低下

物联网业务大部分是小数据分组，所需速率很低，但海量的设备接入将引起大量的附着、业务请求、TAU等，这将导致控制效率及资源使用效率低下，且有系统过载风险。

（2）EPC大量功能冗余

NB-IoT业务通信行为单一，大部分为纯上报数据或伴有少量的下行数据，用户静止或限制移动性，所以需要简化EPC的移动性管理、会话管理、寻呼等相关功能。

（3）不利于终端节电

现有LTE/EPC与终端信令交互流程繁琐，与物联网终端对超长续航能力需求相矛盾。比如小分组数据传输及间隔时，网络需建立连接及释放连接，从而产生大量的上下文传递相关信令，不利于终端节电。

（4）不支持non-IP数据类型

non-IP类用户数据经常被应用在海量传感器网络，未来NB-IoT业务应用也会有non-IP类用户数据的需求，现有EPC不支持此功能。

（5）IP分组头压缩效率低下

由于非频繁的小分组数据传输及移动性，eNB和UE中保留的头压缩上下文可能会被重置，这将导致数据分组产生全量的头开销。

（6）对SMS的支持需要优化

现有4G用户的SMS是通过SGs支持的，无法避免联合附着，而NB-IoT终端没必要进行联合附着。

为解决上述问题，3GPP针对NB-IoT对EPC核心网架构进行了优化，优化后的EPC核心网架构如图1所示。

图1 优化后的EPC核心网架构

NB-IoT核心网采用简化网络架构，将原EPC的MME、SGW、PGW中NB-IoT所需的功能单独优化出来组成一个新的网元，EPC原有的S11、S5/S8等接口全部变成网元内部交互，且可以复用已经产生的NAS设置安全连接，这使得整体效率得到提升。优化后的核心网与无线采用新的S1-lite接口，该接口基于原EPC的S1-C优化而来，针对高效的小分组数据传递处理，S1-lite仅保留了S1-C中必要的相关功能，支持将用户数据在NAS PDU中打包，并由无线侧通过S1-lite传递给C-SGN。无线侧RAN需要支持 S1-lite接口，终端侧也需要具备处理S1-lite协议栈相关流程的能力。

C-SGN具备现有EPC的部分能力，并有几个方面的增强：基于控制面的小分组数据传输优化；基于用户面的小分组数据传送优化；仅为高效的小分组数据传输保留必要的安全流程；针对NB-IoT用户支持无联合附着的SMS传递能力；面向覆盖增强的寻呼优化；non-IP用户数据支持两种方案，分别为SGi隧道或SCEF；支持不建立默认PDN连接的附着。

根据对现有电信设备厂商的调研，目前各厂商的设备并未采用3GPP的C-SGN架构，基本仍采用现有EPC设备架构，在EPC设备的基础上进行上述NB-IoT功能增强，满足NB-IoT业务特性的要求。

3 NB-IoT核心网业务模型分析

根据 GSMA对 NB应用场景进行分类，NB-IoT业务可分为七大类21小类。各类业务按发展先后的顺序分为A、B、C、D、E共5类，其中A类具有最优先发展需求，千万级以上的A类业务包括智能检测（燃气、水表等）、智能停车传感器、工业资产跟踪、集装箱定位追踪等。NB-IoT业务典型应用预测见表2。

由表2可知，NB-IoT的这些业务基本在小区范围内静止，网络带宽需求低于100 kbit/s。对于这些业务的消息量和通信频率，3GPP给出了4种行为模式，并给出了每种行为模式的数据分组大小和通信频率参考模型，具体见表3。4种行为模式包括终端自主上报异常报告（mobile autonomous reporting exception report）、终端自主上报周期性报告（mobile autonomous reporting periodic report）、网络命令（network command）、软件升级/设备重配置（software update/reconfiguration model）。

根据现有的2G物联网的业务特性类比分析，每种业务同时拥有上述4种行为中的几种，本文也参考了国外运营商 NB-IoT的采购模型。经分析，NB-IoT控制面约为4G模型的1/10，转发面流量更低，约为4G模型的万分之一，因此建议核心网建设初期对NB-IoT的业务模型参考表4中的模型进行初步估算。

以上参考模型针对活跃用户而非发卡用户，对于NB-IoT业务的附着激活比，参考设备厂商的设备配置方式，建议参考4G用户的附着激活比。另外，针对NB-IoT海量连接的特性，除现有EPC核心网关注的模型参数外，还需确认设备的连接能力是否成为瓶颈。

4 NB-IoT核心网组网方案

根据NB-IoT业务模型分析，NB-IoT用户业

务模型指标不到个人4G用户的10%，若按现有EPC设备能力大致估算（假定设备支持的连接数量不是瓶颈的情况下），NB-IoT对核心网设备需求应大致为现网EPC的10%。

表2 NB-IoT业务典型应用预测

表3 4种行为模式的数据分组大小和通信频率参考模型

表4 NB-IoT核心网参考的业务模型

NB-IoT核心网的建设方案有两种。

（1）方案一：改造现网 EPC核心网支持NB-IoT业务接入

方案一有两种实施方式，方式一为改造部分EPC网元支持NB-IoT，负责全网/全省的NB-IoT业务接入，组网架构如图2所示。

图2 改造部分EPC网元支持NB-IoT业务接入

根据业务模型进行预测，NB-IoT核心网元需求量较少，可通过改造部分EPC网元全省集中负责NB-IoT业务，此方案需考虑对现网MME池、SGW的影响来确定MME、SGW的改造范围，同时需结合业务运营和业务管理平台的设置情况考虑PGW的设置方式。

此方案的优点为改造规模小，对现网业务影响范围小。缺点为可能需要调整省内S1接口的传输电路，实现全省NB-IoT基站的接入；网络架构相对复杂；不利于物联网业务持续发展。

方式二为改造全部EPC网元支持NB-IoT，负责全网/全省的NB-IoT业务接入，组网架构如图3所示。

图3 改造全部EPC网元支持NB-IoT业务接入

此方案也需对MME、SGW及PGW的设置方式分别进行探讨，需结合业务运营和业务管理平台的设置情况考虑PGW的设置方式。

此方案的优点为网络架构简单，没有电路调整需求。缺点为所有网元的功能改造及NB-IoT的大规模发展，对现网业务影响较大。

（2）方案二：新建独立的NB-IoT核心网设备

方案二是新建独立的 NB-IoT核心网设备满足NB-IoT业务接入需求，组网架构如图4所示。

此方案新建NB-IoT核心网，基于C-SGN逻辑架构或EPC架构，新建NB-IoT核心网独立设备，实现控制面和转发面功能；根据技术实现（如non-IP的实现方式是通过SCEF还是PGW）、业务发展和运营需求，考虑是否建设SCEF。若现网有物联网专网HSS和SMSC设备，建议共用现有的物联网专网HSS和SMSC设备；若没有，建议新建物联网专网HSS和SMSC设备。

图4 新建NB-IoT核心网满足NB-IoT业务接入

从标准化程度、厂商支持程度、建设工作量等维度对方案一和方案二进行比较，见表5。

表5 NB-IoT核心网建设方案比较

考虑到NB-IoT业务发展的不确定性、对现网调整工作量以及对现网业务的影响等因素，建议初期采用方案二新建独立的 NB-IoT核心网进行建设，后续根据业务发展情况和核心网网络演进情况考虑是否与现网EPC融合组网。

考虑到以下因素。

· 建议网络演进的需求：只有基于NFV才能实现未来5G核心网网络切片等能力。

· 方便业务部署和灵活扩容：目前并无NB-IoT的商用场景，其模型皆为预估，在NFV基础上部署，方便灵活缩/扩容，可弥补业务模型变化带来的影响，同时方便相关功能的快速部署和升级等。

· NFV引入契机：NFV目前处在技术验证阶段，应尽快推动NB-IoT EPC的NFV技术成熟，争取在NB-IoT商用阶段，同步采用NFV技术建设EPC核心网。

因此，建议采用NFV方式建设NB-IoT核心网设备，满足未来网络演进和物联网业务的灵活部署等需求。

5 结束语

NB-IoT已被列为各运营的重要业务战略，2017年起，国内三大运营商将进行大量试点及现网部署工作。为更好地确定网络部署的建设方案和资源配置，从 NB-IoT的业务场景出发，对NB-IoT业务特性进行分析，给出面向NB-IoT的核心网业务模型参数和组网方案，对后续NB-IoT核心网资源配置和规划方案有重要指导意义。

[1] 3GPP. General packet radio service (GPRS) enhancements for evolved universal terrestrial radio access network (E-UTRAN) access (release 14): TS23.401 V14.0.0[S]. 2016.

[2] 3GPP. Study on architecture enhancements for cellular internet of things (release 13): TR23.720 V13.0.0[S]. 2016.

[3] 3GPP. Enhancements of dedicated core networks selection mechanism (release 14): TR23.711 V0.4.0[S]. 2016.

[4] 3GPP. Feasibility study on new services and markets technology enablers for massive internet of things (release 14): TR22.861 V1.0.0[S]. 2016.

王计艳（1978−），女，中国移动通信集团设计院有限公司高级工程师，主要研究方向为核心网、流量经营、物联网等。

王晓周（1982−），男，中国移动通信集团设计院有限公司高级工程师，主要研究方向为核心网、物联网。

吴倩（1981−），女，中国移动通信集团设计院有限公司高级工程师，主要研究方向为核心网、物联网。

朱黎黎（1985−），女，中国移动通信集团设计院有限公司高级工程师，主要研究方向为核心网、物联网。

高贤谡（1988−），男，中国移动通信集团设计院有限公司高级工程师，主要研究方向为核心网。

卢云（1983−），男，中国移动通信集团设计院有限公司高级工程师，主要研究方向为业务规划、网络规划。

邹铭明（1976−），女，中国移动通信集团设计院有限公司高级工程师，主要研究方向为核心网、时间同步网。

Core network service model and networking scheme oriented NB-IoT

WANG Jiyan, WANG Xiaozhou, WU Qian, ZHU Lili, GAO Xiansu, LU Yun, ZOU Mingming
China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China

It is a huge market space for narrowband-ineternet of things (NB-IoT), and NB-IoT is the focus of future development direction. The global telecommunications operators have begun to distributed actively. In order to better determine the network deployment of the construction program and resource allocation, from the business scene of NB-IoT, the NB-IoT service characteristics were analyzed, and the NB-IoT core network business model parameters and networking solutions were given, which was of great significance to the follow-up NB-IoT core network resource allocation and planning scheme.

LPWA, NB-IoT, eMTC, service characteristic, service model, networking scheme

TN915.81

A

10.11959/j.issn.1000−0801.2017083

2017−02−20；

2017−03−23