APN设置对NB-IoT业务应用影响研究

戴明珠 李钟瑞

摘 要：基于蜂窝的窄带物联网（NB-IoT）技术在复杂应用环境中往往会出现连接不稳定、时延过长等问题。为解决由APN参数设置导致的NB-IoT业务问题，优化用户体验，对不同种类的NB-IoT业务中包括APN参数在内的一系列关键参数进行了研究。分析了NB-IoT业务的组网架构，通过对比不同参数设置对固定NB-IoT业务应用的影响，确定各关键参数的推荐配置值。以某智能小区内安装的NB智能门禁模组遇到的网络问题为案例，对NB-IoT的端到端业务优化工作进行分析，通过实验证明关键参数推荐配置值的有效性，为NB-IoT技术在不同垂直行业中的应用提供参考。

关键词：物联网;NB-IoT;APN;关键参数;智能门禁

DOI：10. 11907/rjdk. 181740

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1672-7800（2019）003-0168-05

0 引言

近年来，物联网作为移动通信行业的新兴业务发展迅猛，针对低功耗广覆盖类LPWA应用设计的新型窄带蜂窝物联网NB-IoT技术，由于具有大连接、低功耗、低成本等优势受到越来越多的关注，NB-IoT的标准、设备、芯片、模组、测试、应用、网络发展迅速[1-5]。2017年是三大运营商物联网业务发展的突破之年，各项NB-IoT物联网应用频频推出[6-9]。虽然2016年NB-IoT对应的3GPP核心协议已全部完成[10-11]，但作为新兴的网络制式和组网模式，NB-IoT的网络优化工作仍任重道远。

APN是手机上网必须配置的一个参数，它决定了手机通过哪种接入方式访问网络。由于物联网业务种类较为复杂，选择不同的APN可让终端接入不同的核心网，从而享有差异化的服务功能。已有的APN优化方案主要通过APN融合和APN参数修改两种方式进行业务优化。2013年，杨继为和杨丽等[12-13]分别提出了APN融合改造方案，结合现网情况给出了推荐方案;同年，周俊茂等 [14]完成了对其提出的APN融合网络改造技术的可行性分析。虽然APN融合方案有着诸多优点，但对于接入网点单一的业务类型来说，ANP融合方案很不合适，对于此种类型的业务用户一般采用优化APN参数的方法进行业务改进[15-18]。

本文介绍了NB-IoT的业务种类、网络组网、关键参数，引入部分案例对NB-IoT的端到端业务优化工作进行分析。通过对APN及相关参数的介绍，阐述了NB-IoT在智能抄表、智能家居、市政物联、物流追踪、智能穿戴、广域物联和工业物联等垂直行业中的应用，尤其针对不同业务种类特点进行了网络配置及参数优化，可為后续优化工作提供参考。

1 NB-IoT

1.1 物联网简介

物联网，顾名思义是把所有物品通过网络连接起来，实现任何物体、任何人、任何时间、任何地点的智能化识别、信息交换与管理[19-20]。物与物之间进行通信的网络称为物联网，即Internet of Things，简称IoT，它是通过无线射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把物品与互联网连接起来进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。比如车联网、家电联网、动物联网等，物联网应用行业及场景见表1。

在人机匹配率达到95%以上的当下，物联网对运营商和设备制造商而言，相当于挖到了一座宝藏，蕴藏着巨大的商业价值和社会价值。根据预测，2020年全球终端连接数将达到500亿个，物网连接数将达到人网连接数的4倍。

1.2 物联网技术标准

物联网对功耗、覆盖、连接数量这几个指标较为敏感，但大部分物联网应用对网络的传输速率却不敏感。于是，低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN）概念应运而生。

LPWAN物联网包括很多技术标准，目前使用的主流技术标准包括NB-IoT、LoRa、Sigfox、eMTC，见表2。

由于频谱原因，LoRa技术和Sigfox技术在竞争上没有明显优势。在长期不断的博弈和竞争过程中，NB-IoT脱颖而出，处于暂时领先地位。可以和NB-IoT势均力敌的是eMTC（enhanced Machine Type of Communication），即增强型机器类型通信。但是eMTC和NB-IoT的应用场景不同，eMTC适合对速度和带宽有较高要求的物联网应用。鉴于此，我们把研究重点放在当前比较热门的NB-IoT上。

1.3 NB-IoT特性与优势

NB-IoT的主要优势如图1所示，具体有以下几个方面：

（1）功耗能耗方面，NB-IoT牺牲了速率却换回了更低的功耗。采用简化的协议更合适的设计，大幅提升了终端待机时间，部分NB终端待机时间甚至可以达到10年。

（2）信号覆盖方面，NB-IoT有更好的覆盖能力（20dB增益），地下停车场甚至是埋在井盖下面的水表，也不影响信号收发。

（3）连接数量方面，每个小区可以支持5万个终端。

（4）最重要的是成本价格方面，NB-IoT通信模块成本很低，每模组在5美元以内，有利于大批量采购和使用。

2 NB-IoT网络介绍

2.1 NB-IoT网络架构

如图2中的NB-IoT网络架构所示，NB-IoT业务端到端网络主要分为以下6个部分：①NB终端，包含模组和芯片;②无线接入网络;③省内核心网网元;④物联网专网;⑤物联网开放平台;⑥客户应用。

以某运营商为例，NB-IoT终端通过全国800M无线网络接入，经过31个省的核心网网元数据处理（MME，SGW）后，将数据汇聚到物联网专网，并经过物联网开放平台处理后发送到客户平台。

2.2 NB-IoT Attach附着流程

UE通过Attach流程，实现在EPC上进行EPS注册。Attach流程完成后，UE附着到窄带网络上，处于EMM-REGISTERED状态，核心网获得UE位置并可对其进行寻呼。

Attach流程：RRC建立→鉴权→安全模式识别→Attach成功，如图3所示。

图3中，T3410表示UE侧定时器，T3450表示MME等待附着TAU完成GUTI重分配响应定时器。Attach request消息由MAG5携带，通过Initial UE message发送到核心网。其它消息如鉴权、加密等均携带在NAS PDU中。

3 NB-IoT关键参数

3.1 Active Time激活定时器（T3324）

图4所示为NB-IoT终端PSM图例，Power saving mode （PSM）是3GPP R12引入的功能，允许终端在TAU和Attach流程后，在激活定时器T3324超时后进入深度休眠期即节电模式，在节电模式终端不监听寻呼，同时终端关闭自己的射频收发单元，从而使耗电量比空闲状态大大减少。在节电模式下，网络无法访问终端，只能等待终端唤醒后向基站发起随机接入过程以进入连接状态，在Active Time这段时间内被叫业务才能使用。

配置建议：按照核心网配置参数建议配置。

配置说明及影响：配置过大会导致UE的耗电量增加，配置过小可能导致寻呼不及时。

3.2 MME本地配置的周期性跟踪区更新定时器（T3412）

UE在PSM期间，不接收任何网络寻呼。对于网络侧来说UE此时是不可达的，数据、短信、电话均进不来，只有当TAU周期请求定时器（T3412）超时（周期TAU/RAU定时器超时后需要执行周期TAU/RAU），或者UE有MO业务要处理而主动退出时，UE才会退出PSM模式进入空闲态，进而进入连接态处理上下行业务。TAU周期请求定时器（T3412）由网络侧在Attch和TAU消息中指定，3GPP协议规定默认为54min，最大可达310h。

表4为T3412参数配置建议，按照核心网建议配置的86400s进行配置。该参数配置过小将会导致UE的耗电量增加，配置过大可能导致寻呼不及时，一般来说，该参数设置应比数据上传周期大一点。

3.3 eDRX周期

图5所示为NB-IoT 终端eDRX图例，空闲态eDRX引入超帧hyper SFN（H-SFN），即eDRX周期长度以hyper SFN（H-SFN）为单位，最大1 024個H-SFN。一个H-SFN包括1 024个SFN，因此最大的eDRX周期为10 485.76s（174min），这样终端可以用更长的周期监测Paging，更有效地节电。终端和核心网在注册或TA更新流程中协商eDRX周期长度和PTW（Paging Transmission Window），寻呼终端时，核心网在S1接口的Paging消息中携带eDRX周期和PTW给无线。PTW是在每个DRX周期内终端监测寻呼消息的时长。

表5为eDRX周期参数配置建议，按照核心网建议配置的43.68min进行配置。该参数配置过小会导致UE耗电量增加，配置过大可能导致寻呼不及时。

3.4 寻呼窗口定时器PTW Value

PTW（Paging Transmission Window）值是在每个DRX周期内终端监测寻呼消息的时长。UE在PTW内周期性监听寻呼信道，判断是否有下行业务。

表6为PWT值参数配置建议，按照核心网建议配置的40.96s进行配置。该参数值配置过大将导致UE的耗电量增加，过小可能导致寻呼不及时。

4 NB-IoT APN

4.1 APN

APN即Access Network Point，主要由APN Network Identifier和APN Operator Identifier两部分组成，亦即网络标识和运营商标识。网络标识是必须包含的，运营商标识只在某些场景下必须携带。一个有网络标识和运营商标识组成的APN指示一个相应核心网的域名名称。网络标识需要使用一个或多个标签（label）进行表示，运营商的表示方式与此类似。

选择不同的APN可让终端接入不同的核心网，从而在享有的服务功能上有所差别。

4.2 APN分配与使用

NB终端不同于其它物联网终端，NB终端无需设置APN即可直接拨号，核心网MME设备会根据号码签约的APN自动下发配置。对于变更APN或TAU定时器的操作，只需重新附着网络就会给终端下发新的APN配置参数。

为适应不同的业务场景，NB卡提供了9种特殊定制的APN，如表7所示。不同的APN对应不同的省电参数，在业务受理时根据需要选择合适的APN和TAU定时器。

NB业务中最常用的两种APN是ctNB（默认）和psm0.eDRX0.ctNB。其中，ctNB是省电模式的APN，开启PSM功能;psm0.eDRX0.ctNB是下发控制模式的APN，同时关闭PSM和dDRX功能。NB卡默认签约APN为“ctNB”，终端不需要设置，由网络下发。不同的APN对应不同的定时器参数，根据业务需要选择合适的定时器参数。

5 NB-IoT APN配置优化案例

5.1 背景介绍

某小区位于某市龙生路与茶苑路的交汇处，是一个占地面积0.225 km2能容纳近4000户的“公园”楼盘，现为该区域最大的高档居民小区，为打造成该市第一个智能小区，要建设智能门禁、水表、电表和停车等智能功能。为此与开发商签订战略合作，以智能门禁为试点，实现水、电和停车的智能商用。

5.2 问题描述

客户投诉小区内安装的NB智能门禁模组时好时坏，时延时高时低，主要表现为：①模组在门禁盒外可以正常开启，放置门内过段时间则无法开门;②放进门内时延很高，开门有时需要长达10s左右;③模组失效后，放到门禁盒外需要重启才能正常使用。

5.3 业务流程及信令解析

小区智能门禁业务流程如图6所示。用户使用APP开门，消息通过服务器发送给IoT平台，平台响应，寻呼消息由核心网下发至基站，基站寻呼模组。

基站寻呼模组后，进行空口RRC连接，交互NAS消息模组控制门禁开门，后释放RRC连接。正常模组开门空口信令如图7所示。

5.4 问题排查

（1）排查无线侧问题。由于模组在门禁盒外可以正常开启，放置门内过段时间则无法开门，怀疑是门禁盒对无线信号的接收产生影响，但取出外置一段时间后发现故障依然存在。

（2）端到端核查。联合核心网、设备厂家、NB物联网平台及网优后台进行信令跟踪，APP平台下发消息，IoT收到消息后并未向下寻呼转发。

（3）判断为APN问题。由于故障时好时坏，怀疑是参数配置问题，首先查看APN配置。经核查，NB卡APN模式处于默认模式（CTNB），该模式下终端开启PSM，周期进入深度睡眠模式，导致寻呼不到的情况，初步判断为开卡特性不符合现场门禁业务。

（4）参数。门禁业务和水表电表业务不同，水表电表对时延和频次要求不高，因此可以采用CTNB模式，现场模组放置门禁盒子内，直接接通外部电源，业务需长时间待机在线，不需要休眠省电。更换设备并将NB卡APN模式修改为psm0.eDRX0.ctNB模式（开门延时在3-4s，客户表示能接受）。关闭PSM特性，终端不会深度睡眠，长时间待机。更换开卡APN后，现场测试均正常。

（5）IoT平台24h会话保活问题。开卡APN后，当天各时间段测试均正常。第二天接到客户消息，门禁NB终端未响应、开不了门。多节点信令跟踪，问题为IoT平台没下发寻呼。查询核心网终端状态正常为idle态。经与省内核心网确认，终端每小时会进行TAU位置更新，所以在核心网侧并未拆线。通过IoT平台排查未有终端会话，经核实平台会话保活定时器为24h，由于终端未主动上报数据导致IoT平台定时器超时会话失活，省内外终端状态不一致导致无法正常开门。

在定时器超时前，终端需主动发送心跳包至平台，平台收到后会重新更新定时器。与终端厂家确认，终端并未加入相应的数据主动上报机制，导致平台会话定时器超时。

模组厂家重新对设备进行更新，设置相应的主动上报机制。现场测试前后2次开门时间超过24h，能正常开门，说明IoT平台能收到模组主动上报心跳包，刷新会话存活时间。

5.5 问题总结

NB应用不仅仅局限于水表电表，简单地用默认APN配置不能支撑其它业务应用。随着更多新应用的推出，会有不同的问题出现。NB问题定位涉及端到端各节点问题，其往往不是无线侧能直接定位的问题，需要拉通所有节点协助定位，网络优化人员要熟悉业务特性，熟悉端到端网络架构，熟悉参数配置等。

6 结语

以上研究和测试说明，NB-IoT业务和其它传统的移动网络业务不一样，NB-IoT业务涉及的专业范围广、内容多，各行各业的业务诉求也存在较大差异，如对时延、频次、传输速率等都有不同要求。问题定位涉及端到端各节点问题，往往不是靠简单的现象就可以判定的，需要维护人员贯穿所有节点协助定位。要熟悉业务实质，梳理业务流程，联合其它节点跟踪，才能定位出问题的准确位置。

参考文献：

[1] 叶玉剑，姜松，邢亮，等. NB-IoT端到端部署策略研究[J]. 广东通信技术，2018（2）：2-4.

[2] 穆佳，马瑞涛. NB-IoT核心网部署方案及演进策略研究[J]. 邮电设计技术，2017（8）：23-28.

[3] 马洪源，肖子玉，卜忠贵，等. 面向NB-IoT的核心网问题研究[J]. 移动通信，2017， 41（22）：29-35.

[4] 胡应添. LTE Small Cell助力4G网络建设[J]. 移动通信，2013（17）：21-21.

[5] 周欣，李爱华，苑红，等. 蜂窝物联网网络架构及技术演进[C]. 面向5G的lte网络创新研讨会，2017：95-97.

[6] 索昂代吉. 电信运营商蜂窝物联网组网关键技术的研究[J]. 电信工程技术与标准化， 2017，30（12）：54-58.

[7] 刘爱春，王秀英，周振安，等. 基于GPRS的APN无线网络技术在地震前兆观测系统中的应用[J]. 地球物理学进展，2011，26（1）：376-379.

[8] 吴永华，周明方，黄纬，等. 建立基于TD-SCDMA/APN專网的电力自动化无线通讯服务系统[J]. 科协论坛：下半月，2011（5）：39-44.

[9] 王伟波. 浅谈基于GPRS APN的煤气无线抄表系统解决方案[J]. 移动通信，2009， 33（13）：84-87.

[10] 3GPP TS 36.331 V13.3.0. Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）;Radio Resource Control（RRC）; Protocol speci？cation[S]. 2016.

[11] 3GPP TS 23.720 V13.0.0. Technical Specification Group Services and System Aspects;Study on architecture enhancements for Cellular Internet of Things（Release 13）[S]. 2016.

[12] 杨继为，王步月. APN融合改造方案研究[J]. 数字通信，2013，40（3）：70-73.

[13] 杨丽，吴鹏. APN融合建设和改造实施[J]. 互联网天地，2013（1）：13-18.

[14] 周俊茂，张虹. 用户APN无感知接入技术研究和应用[J]. 电信工程技术与标准化， 2013（8）：50-54.

[15] 张岚. EPS网络的APN应用与设置[J]. 广东通信技术，2013（12）：12-14.

[16] 李斌，赵旺飞. 多APN接入点并发访问控制方法[J]. 电信技术， 2013，1（7）：31-33.

[17] 邢宇龙，张力方，胡云. 移动蜂窝物联网演进方案研究[J]. 邮电设计技术， 2016（11）：87-92.

[18] 曹亘，范斌，刘琪，等. 基于蜂窝网络的物联网关键技术及业务应用[J]. 邮电设计技术， 2015（8）：1-6.

[19] 戴国华，余骏华. NB-IoT的产生背景、标准发展以及特性和业务研究[J]. 移动通信， 2016，40（7）：31-36.

[20] 彭雄根，李新，陈旭奇. NB-IoT技术的发展及网络部署策略研究[J]. 邮电设计技术， 2017（3）：58-61.

（责任编辑：杜能钢）