本文來源：吳老司撩通信；由“物聯(lián)網(wǎng)時空”微信公眾號(IoT-LPWAN)整理發(fā)布，轉(zhuǎn)載請注明來源。
NB-IoT的引入，給LTE/EPC網(wǎng)絡(luò)帶來了很大的改進(jìn)要求。傳統(tǒng)的LTE網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計主要是為了適應(yīng)寬帶移動互聯(lián)網(wǎng)的需求，即為用戶提供高帶寬、高響應(yīng)速度的上網(wǎng)體驗。但是，NB-IoT卻具有顯著的區(qū)別：終端數(shù)量眾多、終端節(jié)能要求高（現(xiàn)有LTE信令流程可能導(dǎo)致終端耗能高）、以小包收發(fā)為主（會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信令開銷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)載荷傳輸本身大?。?、可能有非格式化的Non-IP數(shù)據(jù)（無法直接傳輸）等。
為了適應(yīng)NB-IoT終端的接入需求，3GPP對網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)和流程進(jìn)行了增強(qiáng)，提出了一些解決方案，這主要包括如何適配小包業(yè)務(wù)的傳輸、無線側(cè)怎么適配、怎么解決Non-IP數(shù)據(jù)的傳輸、怎么傳輸SMS短信業(yè)務(wù)等。
1 NB-IoT總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
NB-IoT的端到端系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示。
?NB-IoT終端：通過空口連接到基站。
?eNodeB：主要承擔(dān)空口接入處理，小區(qū)管理等相關(guān)功能，并通過S1-lite接口與IoT核心網(wǎng)進(jìn)行連接，將非接入層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給高層網(wǎng)元處理。這里需要注意，NB-IoT可以獨立組網(wǎng)，也可以與EUTRAN融合組網(wǎng)（在講雙工方式的時候談到過，NB僅能支持FDD哦，所以這里必定跟FDD融合組網(wǎng)）
?IoT核心網(wǎng)：承擔(dān)與終端非接入層交互的功能，并將IoT業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到IoT平臺進(jìn)行處理。同理，這里可以NB獨立組網(wǎng)，也可以與LTE共用核心網(wǎng)。
需要注意的是，這里籠統(tǒng)的寫成IoT核心網(wǎng)那是偷懶且毫不負(fù)責(zé)任的寫法，下文將就此進(jìn)行詳細(xì)介紹，這里涉及到較多的技術(shù)細(xì)節(jié)。
?IoT平臺：匯聚從各種接入網(wǎng)得到的IoT數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同類型轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用器進(jìn)行處理。
? 應(yīng)用服務(wù)器：是IoT數(shù)據(jù)的最終匯聚點，根據(jù)客戶的需求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等操作。
2 NB-IoT中UP和CP優(yōu)化傳輸方案大PK
為了適配NB-IoT的數(shù)據(jù)傳輸特性，協(xié)議上引入了CP和UP兩種優(yōu)化傳輸方案，即control plane CIoT EPS optimization和user plane CIoT EPS optimization。CP方案通過在NAS信令傳遞數(shù)據(jù)，UP方案引入RRC Suspend/Resume流程，均能實現(xiàn)空口信令交互減少，從而降低終端功耗。
需要說明的是CP方案又稱為Data over NAS，UP方案又稱為Data over User Plane。
將以上總體架構(gòu)圖進(jìn)行細(xì)化，如下：
上圖中說明幾點：
1)SCEF稱為服務(wù)能力開放平臺，為新引入網(wǎng)元。
2) 在實際網(wǎng)絡(luò)部署時，為了減少物理網(wǎng)元的數(shù)量，可以將部分核心網(wǎng)網(wǎng)元（如MME、SGW、PGW）合一部署，稱為CIoT服務(wù)網(wǎng)關(guān)節(jié)點C-SGN，如虛框中所示。從這里也可以看出，PGW可以合設(shè)，也可以集成到C-SGN中來，圖中標(biāo)示的為PGW單獨設(shè)置。
3) Control plane CIoT EPS optimization不需要建立數(shù)據(jù)無線承載DRB，直接通過控制平面高效傳送用戶數(shù)據(jù)（IP和non-IP）和SMS。NB-IoT必須支持CP方案，小數(shù)據(jù)包通過NAS信令隨路傳輸至MME，然后發(fā)往T6a或S11接口。
這里實際上得出在CP傳輸模式下，有兩種傳輸路徑，梳理如下：
? UE—MME—SCEF—CIoT Services ;
? UE—MME—SGW/PGW —CIoT Services。
4) User plane CIoT EPS optimization，通過新定義的掛起和恢復(fù)流程，使得UE不需要發(fā)起service request過程就能夠從EMM-IDLE狀態(tài)遷移到EMM-CONNECTED狀態(tài)，(相應(yīng)地RRC狀態(tài)從IDLE轉(zhuǎn)為CONNECTED)，從而節(jié)省相關(guān)空口資源和信令開銷。這里分兩層意思：一是UP方式需要建立數(shù)據(jù)面承載S1-U和DRB（類似于LTE），小數(shù)據(jù)報文通過用戶面直接進(jìn)行傳輸；二是在無數(shù)據(jù)傳輸時，UE/eNodeB/ MME中該用戶的上下文掛起暫存，有數(shù)據(jù)傳輸時快速恢復(fù)。
2.1 CP和UP方案傳輸路徑對比
見以上分析，不贅述。
2.2 CP和UP協(xié)議棧對比
2.2.1 CP方案的控制面協(xié)議棧
UE和eNodeB間不需要建立DRB承載，沒有用戶面處理。
CP方案在UE和eNodeB間不需要啟動安全功能，空口數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩杂?/span>NAS層負(fù)責(zé)。因此空口協(xié)議棧中沒有PDCP層，RLC層與RRC層直接交互。上行數(shù)據(jù)在上行RRC消息包含的NAS消息中攜帶，下行數(shù)據(jù)在下行RRC消息包含的NAS消息中攜帶。
2.2.2 UP方案的控制面協(xié)議棧
上下行數(shù)據(jù)通過DRB承載攜帶，需要啟用空口協(xié)議棧中PDCP層提供AS層安全模式。
2.3 信令流程對比
下圖為LTE、 CP方案、 UP方案的信令流程及空口信令條數(shù)對比（詳細(xì)信令見下一章節(jié)），可見NB通過CP和UP方案確實能減少信令開銷：
說明：UP中關(guān)于掛起和恢復(fù)流程將在下一章節(jié)詳細(xì)闡述。
2.4 CP/UP方案綜合PK
對比維度 | 控制面CP方案 | 用戶面UP方案 |
3GPP標(biāo)準(zhǔn)化 | 必選方案 | 可選方案 |
信令開銷 | 傳輸數(shù)據(jù)時空口節(jié)省約50%的信令 | 傳輸數(shù)據(jù)時空口節(jié)省約50%信令，相對CP方案，增加了PDN建立時用戶面承載建立信令 |
業(yè)務(wù)多樣性 | 單一QoS業(yè)務(wù) | 支持多QoS業(yè)務(wù) |
傳輸小包的效率 | 高，RRC建立時隨路發(fā)送數(shù)據(jù) | 低，先恢復(fù)RRC連接，再從用戶面發(fā)送數(shù)據(jù) |
傳輸大包的效率 | 低，數(shù)據(jù)需分多個包，每個包都需封裝在NAS信令中隨路傳輸，效率低。（單個NAS PDU最大64kb） | 高，多個數(shù)據(jù)包從用戶面直接傳輸，效率高 |
移動場景 | 適合 | 跨基站移動時，需通過X2接口傳遞用戶上下文，信令開銷較大 |
開發(fā)難度 | 核心網(wǎng)改造大，基站改造小 | 核心網(wǎng)改造小，基站改造大 |
存儲要求 | 無額外存儲要求 | 掛起狀態(tài)時，基站、核心網(wǎng)都需緩存用戶上下文。單用戶上下文信息約10KByte，以eNB服務(wù)5萬用戶，MME服務(wù)100萬用戶為例，核心網(wǎng)增加10G、基站增加500M存儲要求。LTE基站目前支持1200連接態(tài)用戶，即存儲1200個用戶，NB-IoT基站存儲要求將增長40倍以上 |
從某運營商來看，初期以控制面方案為主，后續(xù)按需支持用戶面方案。
3 Non-IP數(shù)據(jù)傳輸方案
針對Non-IP數(shù)據(jù)傳輸方案，下圖為通過SCEF傳輸VS 通過PGW傳輸示意：
? 通過SCEF傳輸（路徑1）： MME將用戶的Non IP數(shù)據(jù)從NAS信令中剝離后，通過T6a接口發(fā)往SCEF，然后發(fā)給物聯(lián)網(wǎng)平臺。（注：SCEF為能力開放網(wǎng)元，和MME之間采用T6a接口，該網(wǎng)元現(xiàn)網(wǎng)尚未部署）
采用此方案的話，將存在兩個數(shù)據(jù)出口點：所有的IP數(shù)據(jù)從PGW出去，Non-IP數(shù)據(jù)從SCEF出去。將存在如下問題：網(wǎng)絡(luò)中存在兩個計費點，計費規(guī)則需要重復(fù)配置；PGW中的DPI、防欺詐等功能需重復(fù)實現(xiàn)在SCEF中；兩個節(jié)點功能相似，硬件資源沒法共享，資源浪費。
?通過PGW傳輸（路徑2&3）：Non IP類數(shù)據(jù)通過該PDN連接傳至PGW后，由PGW通過專用隧道發(fā)往物聯(lián)網(wǎng)平臺。
此方案的優(yōu)點是只存在一個出口點，IP/Non-IP數(shù)據(jù)都從PGW出去，統(tǒng)一計費，統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理，節(jié)省資源
從某國內(nèi)運營商策略來看，將同時支持IP傳輸和非IP傳輸，采用PGW傳輸方案，統(tǒng)一數(shù)據(jù)出口，SCEF只做能力開放。
4 短消息傳輸方案
對于NB-IoT來說，SMS短信服務(wù)是非常重要的業(yè)務(wù)。僅支持NB-IoT的終端，由于不支持聯(lián)合附著（combined attach），所以不支持基于CSFB的短信機(jī)制。以下為通過SGs短信和PS短消息對比分析：
? SGs短消息：終端非聯(lián)合附著， MME代理終端聯(lián)合附著至CS域，短信由終端通過NAS信令傳至MME，然后通過SGs接口發(fā)往MSC，由MSC發(fā)往短消息中心。此方案優(yōu)點為網(wǎng)絡(luò)改造小、產(chǎn)業(yè)成熟，缺點為MME有新增功能需求、需要CS網(wǎng)元、短信中心，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兊脧?fù)雜。
? PS短消息：終端非聯(lián)合附著，短信通過NAS信令傳至MME ，然后通過SGd接口發(fā)往短消息中心。此方案的優(yōu)點為不依賴于CS域，缺點為MME、短信中心改造大、產(chǎn)業(yè)支持差。
所以從近期來看，如果支持短消息業(yè)務(wù)的話，優(yōu)先選擇SGs短消息方案。
