面向NB-IoT的核心网业务模型和组网方案

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面向NB．10T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)
摘要：窄带物联网(NB．10T)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．10T核心网资源配置和
规划方案有重要指导意义。
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(10w power wide area，
收稿日期：2017—02-20；修回日期：2017-03-23
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。
窄带物联网)等，其主要技术指标情况见表1。
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．10T对核心网的要求
2．1 面向NB．10t的核心网标准发展情况
3GPP R13版本中(TS23．401标准)面向
NB．IorI'／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．10T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．10T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。
表1 LPWA主要技术指标情况
为解决上述问题，3GPP针对NB．10T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l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—loT所需的
功能单独优化出来组成一个新的网元，EPC原
有的S11、$5／$8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S1．1ite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，S1-1ire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S1-1ite传递给C—SGN。无线侧RAN需
要支持S1．1ite接口，终端侧也需要具备处理
S1．1ite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．10T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．10t核心网业务模型分析
根据GSMA对NB应用场景进行分类，
NB．10t业务可分为七大类2l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．10T
业务典型应用预测见表2。
由表2可知，NB．10t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-loT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—loT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-loT核心网组网方案
根据NB—loT业务模型分析，NB．10T用户业
2017083．3
万方数据
表2 NB．10t业务典型应用预测
类型 典型应用 发展等级市场规模(2020年) 网络覆盖 终端移动性 带宽需求
公共事业 智能监测(燃气、水表、消防设备) A
水务系统监控 C
新能源电网管理(包含风能发电、 c
太阳能光伏发电、水力发电、生物
质热发电、太阳能发电、热泵发电
等)，
智慧城市

智能垃圾桶	B
智能停车传感器	A
智能照明	A
工业资产跟踪、集装箱定位追踪、	A
位置状态更新 可穿戴	B
白色家电、电器	C
VIP追踪(老人、儿童、宠物)	C
智能自行车	c
生活助手	D
远程诊断检测	D
农业应用(鱼塘土地检测、农作物	C
监控、畜牧跟踪) 环境监测(检测污染、躁声、雨水、	B
风、水流速、健康危害、钻孔等)， 数据收集及实时监控 报警系统、传感器监测	C

运输物流 消费医疗 农业&环境 智能楼宇 HVAC(供热通风与空气调节)D

系统 门禁系统	C
设备状态、工厂控制、安全监控	E
能源检测、油气检测	E
产品销售跟踪	D

工业应用 亿级别
十万级别
百万级别
十万级别
千万级别
百万级别
千万级别
亿级别
千万级别
千万级别
百万级别
十万级别
十万级别
千万级别
千万级别
千万级别
百万级别
百万级别
十万级别
十万级别
百万级别
深度室内 不具有移动低速<100kbit／s
野外
室外
深度室内
室外
野外
室内
室内
室外
室外
室内
室内
野外
野外
深度室内
深度室内
室内
室内
野外
室内
终端自主上报异常报告
终端自主上报周期性
报告
网络命令
软件升级／设备重配置
烟雾告警探测、智能电表
停电通知等
智能应用(天然气、水、
电)抄表、智慧农业、智
慧环境等
打开／关闭、设备触发发送
上行报告、主动发起抄表
读数等
软件补丁及升级
20
28～200
0(假设ACK的净荷为0)每隔几个月或每年
上行数据量的50％(假设
ACK的净荷为0)
¨20(假设50％的场景20
需要发生上行响应)
200～2 000 200～2 000
每天(40％)、每半小时
(5％)、每一小时(15％)、
每两小时(40％)
每天(40％)、每半小时
(5％)、每一小时(15％)、
每两小时(40％)
每半年
2017083-4
万方数据
表4 biB．10t核心网参考的业务模型
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％。
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。
幽2 改造邪分EPC嗍几史持NB—IoT业务接八
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．10T业务接入，组网架构如图3所示。
劁3改趱令邢EPC H兀义持NB—loT,Ik务援入
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
图4新建NB—loT核心网满足NB．10T业务接入
新建物联网专网HSS和SMSC设备。
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。
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—loT 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，

表5	NB—loT核心网建设方案比较
现网改造	新建C·SGN
EPC新增LPwA功能，标准参考TS23．401 R13	TS23．401 R13已冻结核心网C-SGN架构：R14版本 (Stage2)正在进行架构增强及业务流程的优化

比较因素 标准化程度 厂商支持程度 华为、爱立信、中兴通讯现网设备可以支持改造；诺基亚贝目前还没有成熟的C-SGN产品，大部分厂商正在研
尔现网最新平台设备可以支持改造、老平台不支持；但都需发，或有研发计划
要一定的开发周期
建设工作量 改造省内部分EPC只需改造2～8套网元，但需调整Sl接新建l～2套C—SGN网元及周边配套
网元 口传输电路
改造全省EPC网元 需改造全省网元，不需调整Sl接口传
输电路
对现网业务的 改造省内部分EPC涉及部分EPC网元，对现网部分业务有不影响现网业务
影响

网元	影响
改造全省EPC网元	涉及全省EPC网元，影响全网业务
在现有网元基础上支持改造，业务部署快速上线	需要新建节点，部署速度相对较慢

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。
参考文献：
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[作者简介]
王计艳(1978一)，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(1982一)，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。
2017083．7
吴倩(1981一)，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(1988一)，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
’发计院有限公司高级工程师，主要研究方为核心网、时间同步网。