鄭武

摘要：為了支持物聯(lián)網(wǎng)應用，在分析安全性、傳輸時延、移動性和傳輸有效性的基礎上，指出有必要增強現(xiàn)有的網(wǎng)絡架構、更新相關信令流程的問題，并給出終端進入網(wǎng)絡，發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸以及終結數(shù)據(jù)傳輸場景下的具體消息交互過程，通過分析表明這是一個較優(yōu)的解決方案，能達到預設的各項指標。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 機器類通信 非頻繁小數(shù)據(jù)傳輸

1 引言

IoT（Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng)）是當前互聯(lián)網(wǎng)的革命性的演進，網(wǎng)絡從提供人的互聯(lián)發(fā)展到可以使物物互聯(lián)[1-2]。IoT將感知或收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為智能的信息，使人們的生活環(huán)境更加智能[3-4]。物聯(lián)網(wǎng)應用涉及諸多場景[5]，包括：

◆智能家居：家庭的個人生活模式得到增強，可以更加便利地遠程監(jiān)控和操作家庭設備和系統(tǒng)；

◆工業(yè)自動化：依賴于最小的人力干預，機器人設備通過電腦控制以完成制造任務；

◆智能醫(yī)療：在患者身上或藥品中嵌入傳感器和激振器，用于監(jiān)測和跟蹤患者的身體狀況；

◆智能電網(wǎng)：電網(wǎng)運營者可據(jù)此來控制和管理資源，以使得電力的供應量正比于人口的增長，因此家庭和建筑物的電力消耗可得到增強；

◆智慧城市：以簡便的方式為居民提供感興趣的信息，從而提高城市生活質(zhì)量；例如：依據(jù)人們需要，多個互聯(lián)的系統(tǒng)可智能地提供感興趣的服務，包括交通、基礎設施和醫(yī)療等。

就IoT而言，它由六個部分組成：標記、傳感、通信、計算、服務和語義信息的理解。標記可以是電子產(chǎn)品編碼，用于命名和匹配所需要的服務；傳感是從相關的對象收集數(shù)據(jù)并將其發(fā)送給數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)中心等；通信是用于連接這些傳感對象和數(shù)據(jù)設施等；計算是指執(zhí)行任務的硬件處理單元（如微控制器、微處理器和可編程門陣列等）和軟件應用，云平臺是IoT的一個特定的重要計算部分；服務分為4類：基于身份的服務、信息匯集服務、協(xié)作感知的服務和泛在的服務；語義信息的理解是指智能地提取知識的能力，以便提供所需的服務[5]。

實現(xiàn)IoT的一個重要環(huán)節(jié)就是通信，移動通信是其中發(fā)展最為活躍的方式[6-7]。當前移動通信系統(tǒng)正向第5代（5G）發(fā)展，預計2020年可以預商用。進入本世紀以來，3G在話音通信的基礎上提供了基本的數(shù)據(jù)服務；4G實現(xiàn)了移動互聯(lián)網(wǎng)；5G則強調(diào)數(shù)據(jù)、連接性和用戶的體驗，并積極發(fā)展移動物聯(lián)網(wǎng)。

2 業(yè)務特性

當前的移動通信網(wǎng)絡是為人與人之間的通信而設計的，定義了會話型業(yè)務、流媒體業(yè)務、交互式業(yè)務和背景型業(yè)務等諸多類型。與業(yè)務類型相關聯(lián)，在網(wǎng)絡結構、協(xié)議棧和傳輸模式的設計等方面均要適配這些業(yè)務，以保障信息傳輸?shù)挠行?、可靠性、安全性和?jīng)濟性[8]。

物聯(lián)網(wǎng)的機器類通信業(yè)務呈現(xiàn)出低移動性、小數(shù)據(jù)量和非頻繁數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎T多特性，某些應用示例下的業(yè)務流量模型如表1所示[9]。為了適應這類業(yè)務的快速發(fā)展，現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡應做出調(diào)整和相應的增強，在保證傳統(tǒng)“人-人”通信的服務質(zhì)量的基礎上，努力改善某些物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的性能。

3 現(xiàn)有4G網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸通道的準備過程

4G移動通信網(wǎng)絡包括接入網(wǎng)和核心網(wǎng)兩部分，如圖1所示。eNB（evolved Node B，演進的節(jié)點B，即基站）是接入網(wǎng)的唯一設施，它為UE（User Equipment，用戶終端）提供用戶平面和控制平面的連接。其中用戶平面用于用戶數(shù)據(jù)的傳輸，控制平面則傳遞RRC（Radio Resource Control，無線資源控制）消息，實現(xiàn)無線承載控制、無線接入控制、連接狀態(tài)下的移動性管理和資源的動態(tài)分配等。MME（Mobile Management Entity，移動管理實體）、S-GW（Serving Gateway，服務網(wǎng)關）、PDN-GW（Packet Data Network Gateway，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡網(wǎng)關）以及HSS（Home Subscriber Server，歸屬用戶服務器）和PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略與計費規(guī)則功能）節(jié)點均為核心網(wǎng)的邏輯節(jié)點。MME跨越eNB與UE交互的控制信令稱之為NAS（Non-Access Stratum，非接入層信令）；作為UE在核心網(wǎng)的代理，MME與HSS交互完成UE的安全和認證等操作，并更新UE的位置信息等。S-GW和PDN-GW是用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，兩者跨域eNB與UE保持連通。這兩個網(wǎng)關是MME基于網(wǎng)絡的負載狀況來為UE選擇的，也就是說，信令通道較用戶數(shù)據(jù)通道更早建立。在建立用戶數(shù)據(jù)通道時，為適配各種業(yè)務的服務質(zhì)量（QoS）需求，如不同的數(shù)據(jù)速率、差錯率和時延要求等，駐留在PDN-GW中的PCEF（Policy and Charging Enforcement Function，策略與計費執(zhí)行功能）節(jié)點與PCRF節(jié)點協(xié)商并在其指導下，為該條用戶數(shù)據(jù)的傳輸通道預留資源，以保證用戶數(shù)據(jù)在UE與PDN-GW之間安全、可靠和有效地傳輸。

網(wǎng)絡進入（Attach）是指UE注冊網(wǎng)絡進而獲得網(wǎng)絡所提供服務的過程。本節(jié)以Attach為例，描述UE為獲得數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐匪婕暗墓?jié)點和信令交互，具體流程如圖2所示[10]：

（1）UE向eNB發(fā)送Attach請求，包含UE的ID、安全性、位置和業(yè)務請求等信息；

（2）eNB向MME轉(zhuǎn)發(fā)Attach請求；

（3）如果Attach請求未進行完整性保護，則MME分別與UE和HSS交換信息，完成認證操作；

（4）如果UE自上次離開網(wǎng)絡，更新到了新的跟蹤區(qū)（TA），則MME與HSS交互完成相應位置更新的請求和響應；

（5）MME向S-GW發(fā)送“建立會話請求”；

（6）S-GW向PDN-GW轉(zhuǎn)發(fā)“建立會話請求”；

（7）如果采用動態(tài)的策略控制，駐留在PDN-GW中的功能實體PCEF向PCRF請求建立該會話，PCRF修改與該會話承載所關聯(lián)的參數(shù)，并告知PDN-GW；

（8）PDN-GW向S-GW發(fā)送“建立會話響應”；

（9）S-GW向MME轉(zhuǎn)發(fā)“建立會話響應”；

（10）MME向eNB發(fā)送Attach接受；

（11）eNB向UE轉(zhuǎn)發(fā)Attach接受；

（12）UE向eNB發(fā)送Attach完成；

（13）eNB向MME轉(zhuǎn)發(fā)Attach完成。

至此，UE經(jīng)eNB和S-GW到PDN-GW的上行鏈路以及反方向上的下行鏈路建立完畢，用戶數(shù)據(jù)可沿著此鏈路傳遞。

4 面向物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡結構和流

程優(yōu)化

4.1 網(wǎng)絡結構優(yōu)化

上文業(yè)已描述既有4G網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶卣鳎?/p>

◆進入核心網(wǎng)后，網(wǎng)絡節(jié)點各司其職，MME負責終結UE的NAS信令，并與HSS交換安全性和位置信息；S-GW和PDN-GW則是用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹薪楣?jié)點；

◆在獲得用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ乐?，先建立信令通道?/p>

◆在動態(tài)策略控制的前提下，PDN-GW與PCRF需交互信息以配置數(shù)據(jù)傳輸通道。

顯然，對于一般意義上的數(shù)據(jù)通信而言，例如VoIP（Voice over IP，基于IP的話音）業(yè)務，盡管每20 ms產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包較小，但就電話通信而言，持續(xù)的時間可達幾十秒到幾十分鐘，流媒體業(yè)務或者文件傳輸?shù)葎t會有更大的數(shù)據(jù)量。當傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大或者占用的時長較長時，完整地走完上述3個步驟是值得的，它以建立數(shù)據(jù)通道的信令開銷和時延這兩個方面為代價。

對于小數(shù)據(jù)量非頻繁傳輸?shù)倪@類物聯(lián)網(wǎng)應用而言，按照這樣3個步驟來實施，可能造成的結果就是，為構建數(shù)據(jù)通路的準備時間會遠大于數(shù)據(jù)通路的實際占用時間，為構建數(shù)據(jù)通路所付出的信令開銷會遠大于真正在數(shù)據(jù)通路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。另外，物聯(lián)網(wǎng)所涉及的終端數(shù)目又很多，面對這種無效的傳輸方式，必須在物聯(lián)網(wǎng)應用大規(guī)模開展之前，對既有面向“人-人”通信的體制進行更新和升級，盡量以較小代價來獲取性能的提升。為此，可考慮對現(xiàn)有4G網(wǎng)絡架構中某些節(jié)點的功能做些擴充，主要內(nèi)容如下：

（1）在核心網(wǎng)中，處理信令和數(shù)據(jù)的節(jié)點不要做絕對嚴格的劃分，而是有些類似2G/3G分組域當中SGSN這個節(jié)點的功能，將MME和S-GW合二為一，并將該節(jié)點稱之為C-SGN。

（2）允許小數(shù)據(jù)量非頻繁傳輸?shù)倪@類物聯(lián)網(wǎng)應用可以在控制平面上傳輸，即用戶數(shù)據(jù)可以封裝在NAS中，作為信令在C-SGN與UE間傳送。

（3）接入網(wǎng)中的eNB應做某些軟件升級，記為CIoT-BS（Cellular Internet of Things Base Station，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)-基站），在與UE的能力協(xié)商的信息交互中，獲取UE所執(zhí)行的業(yè)務特性是否屬于小數(shù)據(jù)量非頻繁傳輸?shù)倪@類物聯(lián)網(wǎng)應用，如是，則后續(xù)的信息傳遞給C-SGN；否則回到4G通信網(wǎng)絡的傳統(tǒng)傳輸模式，在控制平面和用戶平面分別與MME和S-GW交互信息。

（4）對于小數(shù)據(jù)量非頻繁傳輸?shù)倪@類物聯(lián)網(wǎng)應用，較為單一的業(yè)務特性可不必采用動態(tài)的策略控制，即屏蔽與PCRF的信息交互；在靜態(tài)策略控制下，可完全由C-SGN配置信息傳輸?shù)腝oS特性和計費參數(shù)等。

（5）在非漫游情形下，C-SGN直接與外部網(wǎng)絡互聯(lián)，即與執(zhí)行小數(shù)據(jù)量非頻繁傳輸?shù)倪@類物聯(lián)網(wǎng)應用的UE所關聯(lián)的應用服務器連通，如圖3所示：

（6）在漫游情形下，C-SGN則借助PDN-GW與外部的應用服務器連接，如圖4所示：

4.2 流程優(yōu)化

當做了這樣的網(wǎng)絡結構優(yōu)化之后，重新審視如圖2所示的Attach流程，則在非漫游情況下，第5～9步這些涉及數(shù)據(jù)傳輸通道的構建步驟都可以避免，且C-SGN直接與外部的應用服務器連接。在漫游情況下，由于MME同S-GW合二為一，第5步和第9步的實現(xiàn)成為節(jié)點內(nèi)部的交互，可忽略；靜態(tài)策略控制使得第7步可省略；第6步和第8步的C-SGN與PDN-GW的通路構建仍需保留。

進一步地，考察在其他業(yè)務建立過程中的信令精簡是否得到有效實施，本節(jié)分別考慮由UE發(fā)起的業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸和終結到UE的業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸兩種情形。

在完成Attach過程之后，UE與C-SGN之間構成了安全的傳輸通道。當UE發(fā)起小數(shù)據(jù)非頻繁物聯(lián)網(wǎng)應用數(shù)據(jù)傳輸時，其工作過程如圖5所示：

（1）UE請求建立RRC連接，NAS消息用于承載加密的小數(shù)據(jù)分組，稱之為NAS PDU（Protocol Data Unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元），且指示對于該分組傳輸是否需要來自于應用服務器的確認或響應；沒有必要建立專門的數(shù)據(jù)承載；

（2）CIoT-BS識別出業(yè)務數(shù)據(jù)屬于小數(shù)據(jù)非頻繁物聯(lián)網(wǎng)應用，將該NAS PDU轉(zhuǎn)發(fā)給C-SGN；

（3）C-SGN解密該NAS消息，獲得原始的小數(shù)據(jù)分組，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給應用服務器；在UE漫游情況下，這一過程需借助PDN-GW；

（4）當沒有對小數(shù)據(jù)分組的確認/響應，則C-SGN立即釋放連接；否則，該確認/響應會傳遞給C-SGN；

（5）該確認/響應被加密后封裝在NAS消息中，由C-SGN發(fā)送給CIoT-BS；

（6）CIoT-BS將包含NAS消息的信息轉(zhuǎn)發(fā)給UE，隨后釋放RRC連接。

在完成Attach過程之后，UE與C-SGN之間構成了安全的傳輸通道。當終結到UE的小數(shù)據(jù)非頻繁物聯(lián)網(wǎng)應用數(shù)據(jù)傳輸時，其工作過程如圖6所示：

（1）C-SGN接收到小數(shù)據(jù)分組；

（2）如果UE與C-SGN之間不存在信令連接，則C-SGN緩存接收到的小數(shù)據(jù)分組，尋呼UE，UE收到尋呼消息后反饋服務請求消息給C-SGN；如存在信令連接，則2a/2b/2c的信令傳輸過程可忽略；

（3）C-SGN將小數(shù)據(jù)分組加密后作為NAS PDU封裝在NAS消息中，傳遞給CIoT-BS；CIoT-BS進一步轉(zhuǎn)發(fā)該消息給UE，在此過程中，數(shù)據(jù)在信令承載上傳送，沒有必要建立專門的數(shù)據(jù)承載；

（4）如果要求UE對于接收到的信息給予確認/響應，則UE加密該信息形成NAS PDU，并經(jīng)RRC消息發(fā)送給CIoT-BS；CIoT-BS進而向C-SGN轉(zhuǎn)發(fā)該NAS PDU；

（5）C-SGN對收到的信息進行解密，隨后發(fā)送給應用服務器。

當采用簡化的分組核心網(wǎng)絡架構，設置C-SGN作為專門的網(wǎng)絡節(jié)點，以提供組合的控制平面和用戶平面的功能，將具有小數(shù)據(jù)量且非頻繁的物聯(lián)網(wǎng)特性傳輸承載在NAS信令消息中，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒痰靡詢?yōu)化，降低了信令的開銷，同時減少了傳輸?shù)臅r延。

5 結束語

現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡是為“人-人”通信設計的，而正在逐步興起的物聯(lián)網(wǎng)應用呈現(xiàn)出了許多新的特性。本文針對小數(shù)據(jù)非頻繁傳輸?shù)臉I(yè)務模式，在網(wǎng)絡架構和信令的流程等方面都做了優(yōu)化，主要包括：

（1）控制平面節(jié)點MME同用戶平面節(jié)點S-GW合二為一；

（2）允許用戶數(shù)據(jù)在控制平面上傳輸；

（3）對于此類傳輸允許靜態(tài)的策略控制，以避免與PCRF之間的信令交互。

做出這些變化，有無后向兼容性的問題仍需考慮如下的幾個方面：

◆安全性：現(xiàn)有4G網(wǎng)絡中，在接入網(wǎng)PDCP子層執(zhí)行安全性操作[11]。在控制平面執(zhí)行加密和完整性保護，而在用戶平面只需處理加密。在新的網(wǎng)絡架構之下，用戶數(shù)據(jù)也承載在控制平面的信令中，有了更多的處理，有了更好的安全保護，但這是以付出一定的復雜度為代價的。

◆傳輸時延：由于C-SGN作為控制平面和用戶平面合二為一的節(jié)點，避免了原先數(shù)據(jù)傳輸通路上的MME到S-GW到PDN-GW的建立時間。同時由于涉及更少的節(jié)點，無論建立時間還是后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸，都會有更小的時延。

◆移動性管理：移動性管理是依賴于控制平面上MME與UE和HSS之間的交互維系的，所以在新的網(wǎng)絡架構下，不涉及移動性管理的變化。

◆策略控制：由于無需PCRF的參與，只能采用靜態(tài)的策略控制，在服務質(zhì)量的控制上會略有損失，但小數(shù)據(jù)非頻繁傳輸?shù)臉I(yè)務特性可以將影響降到很低程度。

◆傳輸有效性：現(xiàn)有4G網(wǎng)絡的頭壓縮技術只適用于數(shù)據(jù)平面，在控制平面不做任何處理。這樣在PDU的傳輸中，由于報頭不壓縮，使得傳輸?shù)男蕰兴陆?。但對于小?shù)據(jù)非頻繁這類應用，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包較少同時再次傳輸?shù)拈g隔時間較長，這種效率上的損失可以忽略。

這種增強的網(wǎng)絡架構和信令流程對現(xiàn)有的傳輸有效性和策略控制等方面雖影響有限，但仍不失為一個較好的解決方案。

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