NB-IoT核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

NB-IoT基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺包括無線接入網(wǎng)及核心網(wǎng)，提供了整個物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸通道。其中NB-IoT核心網(wǎng)除增加SCEF（ Service Capability ExposureFunction，服務(wù)能力開放功能）設(shè)備及S11-u接口外，與LTE核心網(wǎng)邏輯網(wǎng)元基本相同，如圖1所示。

圖1 NB-IoT核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為更好地滿足低頻度及對延遲不敏感的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，在LTE核心網(wǎng)基礎(chǔ)上，NB-IoT核心網(wǎng)在數(shù)據(jù)傳輸、功耗優(yōu)化、協(xié)議優(yōu)化、業(yè)務(wù)能力等方面進行了功能優(yōu)化和增強。

1.1 數(shù)據(jù)傳輸

針對3GPP定義的窄帶物聯(lián)網(wǎng)可采用3種數(shù)據(jù)類型：IPv4/IPv6、Non-IP、SMS。NB-IoT提供了兩種優(yōu)化方案：（1）控制面優(yōu)化方案，（2）用戶面優(yōu)化方案。。

無論是控制面還是用戶面優(yōu)化方案均能減小信令開銷，提升UE待機/續(xù)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(tài)時允許控制面切用戶面，不允許用戶面切控制面;空閑態(tài)時無限制。對于整機來說，允許兩種方式同時存在，不同應(yīng)用可以選擇不同傳輸方式。從支持的應(yīng)用場景以及對網(wǎng)絡(luò)的改造難度方面綜合分析，控制面優(yōu)化方案更適合窄帶小包物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，通過信令優(yōu)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(shù)據(jù)傳輸方案作為必選，用戶面?zhèn)鬏敺桨缸鳛榭蛇x。

1.2 功耗優(yōu)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(shù)。

eDRX雖然節(jié)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(shè)備發(fā)起/調(diào)度的業(yè)務(wù)應(yīng)用。對于下行業(yè)務(wù)時延無要求的場景（如智能水表，下行業(yè)務(wù)主要為參數(shù)位置、固件升級等，可以等待UE發(fā)送上行數(shù)據(jù)進入連接態(tài)后再發(fā)起），可以使用PSM進一步節(jié)省UE功耗。

eDRX允許網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備同步睡眠周期，增加了延遲，更適合針對網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的應(yīng)用進行優(yōu)化。對于有遠程不定期監(jiān)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(shè)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(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)業(yè)務(wù)類型及場景協(xié)商后決定。

1.3 協(xié)議優(yōu)化

NB-IoT協(xié)議信令流程基于LTE設(shè)計，對信令進行了剪裁并針對NB-IoT業(yè)務(wù)的特點進行了協(xié)議優(yōu)化。如優(yōu)化系統(tǒng)信息，通過延長系統(tǒng)信息有效降低上行隨機接入、小區(qū)選擇和重選的頻次，降低UE功耗。

通過引入PTW，允許在PTW內(nèi)多次尋呼UE，進行尋呼優(yōu)化。NB-IoT協(xié)議專門做了基于APN和服務(wù)PLMN的速率控制。

1.4 業(yè)務(wù)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(xiàn)方案：

方案1：標(biāo)準(zhǔn)SGs方案，UE支持電路域聯(lián)合附著，需要考慮電路域設(shè)備VLR容量。

方案2：簡化SGs方案，UE不支持聯(lián)合附著，MME代理實現(xiàn)。

（2）Non-IP

對于大多數(shù)NB-IoT應(yīng)用，發(fā)送的數(shù)據(jù)報告頻率低、字節(jié)小，一般報告在20-200個字節(jié)之間，這樣UDP/IP傳輸層協(xié)議棧的占用字節(jié)（IPv4，28字節(jié);IPv6，48字節(jié)）占的數(shù)據(jù)報文比例很高，尤其是在有效負(fù)荷小于20字節(jié)的情況下，報文頭甚至超過了數(shù)據(jù)，所以在這種情況下UE傳輸Non-IP數(shù)據(jù)可以大幅提升無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率。

Non-IP數(shù)據(jù)傳輸有兩種實現(xiàn)方式：

方案1：通過SCEF傳遞Non-IP數(shù)據(jù)，無需建立用戶面承載，屬于Non-IP專屬解決方案。需新建SCEF網(wǎng)元節(jié)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(shù)據(jù)包傳遞。使用PGW功能傳輸IP及Non-IP數(shù)據(jù)，適用于IoT UE與某個單獨的AS之間協(xié)商并進行隧道加密的通信場景。網(wǎng)絡(luò)側(cè)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(dāng)UE想要采用Non-IP的PDN連接來發(fā)送小數(shù)據(jù)包時，發(fā)送“Non-IP”標(biāo)識給網(wǎng)絡(luò)側(cè)。

（3）能力開放

SCEF是專門為NB-IoT設(shè)計引入的，它除了用于解決Non-IP數(shù)據(jù)傳輸外，還是3GPP定義的能力開放功能邏輯網(wǎng)元，SCEF能夠把3GPP定義的網(wǎng)絡(luò)接口提供的網(wǎng)元業(yè)務(wù)能力安全地開放給第三方業(yè)務(wù)供應(yīng)商。

綜上，NB-IoT核心網(wǎng)與LTE核心網(wǎng)架構(gòu)基本相同，均涉及HSS、MME、SGW、PGW等網(wǎng)元，并進行了功能的簡化、優(yōu)化，為支持NB-IoT業(yè)務(wù)的順利開展，需要核心網(wǎng)主要網(wǎng)元具備的能力如表1所示。

表1 NB-IoT核心網(wǎng)新增功能及涉及網(wǎng)元

同時，為更好地支撐能力開放，NB-IoT也需要PCC網(wǎng)元配合。