NB-IoT核心网
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NB-IoT核心网

大家都知道的,尽管LTE和NB-IoT一脉同气,但LTE的设计目标是高速率、大流量,而NB-IoT为物联网“间歇传送小数据”而生,两者方向相反。因此,LTE核心网EPS也不再适应NB-IoT应用,需要对其进行优化。

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为了提升NB-IoT系统的小数据的传输效率,3GPP SA2工作组于2015年7月开始研究CIoT EPS优化构架,提出了CIoT EPS需支持四大功能:

①支持超低功耗物联网终端

②支持每小区连接大量物联网设备

③支持窄带频谱无线接入技术

④支持物联网增强覆盖

并进行功能简化,裁剪了LTE EPS的四项功能:

①不提供紧急呼叫服务

②不支持流量卸载,如本地lP接入(LIPA)和选择性IP流量卸载

③在EPS连接管理上,只支持IDLE模式下的重选,不支持CONNECTED模式下的切换

④不支持建立GBR承载和专用承载

最终,3GPP提出了两种优化方案:控制面优化传输方案( C-Plane CIoT EPS optimization)和用户面优化传输方案(U-Plane CIoT EPS optimization)。对于物联网终端,必须支持“控制面优化传输方案”,可选支持“用户面优化传输方案”。

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控制面优化传输方案

控制面优化传输方案使得小数据包可以传输于控制面上,数据以非接入层协议数据单元(NAS PDU)的格式封装于控制面信令消息来传输,其概念如同商场购物,若消费者只购买少量商品,可经由指定的快速通道结账。

这一方案可在传输数据时减少了控制面信令开销,因此有助于降低终端功耗和减少使用频带。

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如上图所示,控制面优化传输方案支持IP数据和非IP数据传输,传输路径可分为两条:①通过S-GW传送到P-GW再传送到应用服务器(CIoT Services);②通过SCEF(Service Capability Exposure Function)连接到应用服务器,该路径仅支持非IP数据传输。

根据传输路径和是否支持IP数据传输,可分为三种传输模式:

传输路径①(IP数据传输)

传输路径为S-GW到P-GW再到应用服务器,可沿用现有的IP通信技术快速部署NB-IoT,缺点是安全性低,且不经过SCEF,电信运营商仍为管道角色。

传输路径①(非IP数据传输)

传输路径仍为S-GW到P-GW再到应用服务器,但由于已无IP地址传输数据包,因此在P-GW上必须要有NB-IoT终端的ID与AS的IP地址+端口号的对应关系,才能将数据包正确传送在SGi的界面上,这种方式称为UDP/IP的点对点隧道(Point-to-Point (PtP) Tunneling)技术。隧道的参数,也就是目的地IP地址与UDP端口号需事先配置于P-GW上,对NB-IoT终端和AS之间传送的数据来说,P-GW是一个透明的传输节点。

这种方式安全性高且省电,但需要开发新的点对点隧道技术。

传输路径②(非IP数据传输)

即通过SCEF传递Non-IP数据,这条路径仅支持非IP数据传输,属于Non-IP专属解决方案。这种方式优点较多,安全性高、省电,且运营商能创造新的商业价值,但需新建SCEF网元节点,需开发新的API技术。

SCEF

SCEF为NB-IoT新增加的节点,其通过API接口向AS提供服务,而非直接发送数据,使得电信营运商不再只是管道,而是可以将业务能力安全地开放给第三方业务供应商,实现对物联网的大数据分析以创造新的商业价值。

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SCEF构架如上图所示,鉴于安全性考虑,SCEF放置于运营商信任的网域中(Trust Domain),并通过OMA(Open Mobile Alliance),GSMA(Groupe Speciale Mobile Association),或其他标准组织(Standardisation Bodies, SDOs)的API接入服务,同时,SCEF的API支持多种不同类型,如DIAMETER、RESTful APIs与XML over HTTP等,使得SCEF可以更灵活应用于不同的网络中。Network Entity则指HSS、MME、P-GW、PCRF或与计费、安全相关的网络节点。

C-SGN

C-SGN,即CIoT Serving Gateway Node,是控制面优化传输方案引入的新节点,该节点是由LTE EPS的控制面节点MME、用户面节点S-GW和P-GW的最小化功能合并而成的单个逻辑实体,C-SGN功能也可以部署在现网EPS的MME中。

HLCom

在控制面优化传输方案中,可引入了HLCom机制,即Optimization to support High Latency Communication,该机制将下行数据缓存在S-GW中。由于NB-IoT终端通过PSM和eDRX等技术来间歇性接收数据,以达到省电的目的,当NB-IoT终端在休眠状态时,S-GW将下行数据缓存,直到终端被唤醒后才将这些缓存的数据下发给终端。

用户面优化传输方案

数据传输的方式与LTE EPS一样采用用户面承载,但是,该优化方案在RRC层引入了挂起(Suspend)和恢复(Resume)两种新状态以适应物联网数据的间歇传输特性,同时要求NB-IoT终端、eNB和MME存储连接信息,以快速恢复重建连接,简化信令流程,提升传输效率。

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经过这么一优化,承载可以按需的方式建立,因而可降低终端功耗和支持单小区大规模物联网设备连接。该方案除了支持现有EPS功能外,还可以支持通过P-GW传输非IP数据。

RRC Suspend流程

 

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如上图所示,该过程由eNB激活,释放NB-IoT终端与eNB之间的RRC连接,以及eNB与S-GW之间的S1-U承载。

步骤(1)和(2):

eNB发送UE Context Suspend Request,并通过MME向S-GW发起释放与NB-IoT终端相关的承载信息。

步骤(3):

S-GW释放eNB与NB-IoT终端相关的S1-U承载。具体而言,S-GW仅释放eNB地址和下行隧道端点标识符(TEID),并继续存储其他信息。

步骤(4)和(5):

在S-GW处完成S1-U承载释放后,eNB通过MME接收UE Context Suspend Response通知。

步骤(6)和(7):

eNB存储NB-IoT终端的Access Stratum (AS)信息、S1-AP连接信息和承载信息,并向NB-IoT终端发送RRC Connection Suspend消息。

步骤(8):

MME为NB-IoT终端存储S1-AP连接信息和承载信息,并进入IDLE状态。

步骤(9):

当接收到来自eNB的RRC Connection Suspend消息后,NB-IoT终端存储AS信息,并IDLE状态。

RRC Resume流程

 

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如上图所示,该过程重新建立(恢复)处于Suspend状态的NB-IoT UE与eNB之间的RRC连接,以及eNB与S-GW之间的释放的S1-U承载。Resume过程由NB-IoT启动和激活。

步骤(1)和(2):

首先使用由RRC Suspend过程中存储的AS信息来恢复与网络的连接。

步骤(3):

此时,eNB对NB-IoT终端执行安全检查,并向NB-IoT终端提供恢复的无线承载列表,且同步NB-IoT UE和eNB之间的EPS承载状态。

步骤(4):

eNB向MME发送UE Context Resume Request,以通知其与NB-IoT终端的连接已经安全地恢复。

步骤(5)和(6):

从eNB接收到该恢复通知后,MME恢复NB-IoT终端的S1-AP连接信息和承载信息,进入CONNECTED状态,并向eNB发送UE Context Resume Response消息(包括S-GW地址和S1-AP连接信息)。

步骤(7):

现在NB-IoT终端可以向S-GW发送上行数据。

步骤(8 )和(9):

MME通过Modify Bearer Request消息向S-GW发送eNB地址和下行链路TEID,以重建NB-IoT终端与S-GW之间的下行链路的S1-U承载。

步骤(10)和(11):

S-GW向MME发送Modify Bearer Response消息,然后开始传输下行数据。

值得一提的是,当S-GW接收到下行数据的同时NB-IoT终端处于Suspend状态,此时,S-GW将缓存数据包,同时在S-GW和MME之间初始化Downlink Data Notification过程,然后MME寻呼NB-IoT终端,由此通过NB-IoT终端启动激活连接Resume流程。

简介:
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