孫彪

摘要：為了探討移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商N(yùn)B-IoT部署策略，針對(duì)NB-IoT的幾種可行建網(wǎng)策略進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)合與歐洲高端運(yùn)營(yíng)商的交流總結(jié)，列舉了現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)和全新建網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出了初期現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)、中期虛擬化全新建網(wǎng)的建議方案。

關(guān)鍵詞：NB-IoT 核心網(wǎng) 虛擬化

1 物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT現(xiàn)狀分析

隨著網(wǎng)絡(luò)連接、云服務(wù)、大數(shù)據(jù)分析和低成本傳感器等核心技術(shù)的突破，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)從萌芽階段步入迅速發(fā)展階段。越來(lái)越多的行業(yè)，如汽車零部件、智能家電、車聯(lián)網(wǎng)、電子抄表、智慧城市、遠(yuǎn)程醫(yī)療等開始認(rèn)識(shí)到使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高效率帶來(lái)的好處。比如飛利浦已經(jīng)開發(fā)了多款電子醫(yī)療應(yīng)用，包括一款供慢性病患者使用的貼片。該貼片使用傳感器實(shí)時(shí)收集患者健康數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)皆破脚_(tái)，醫(yī)護(hù)人員可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，并適時(shí)采取醫(yī)療干預(yù)措施。

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)）成為萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180 kHz的頻段，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本，實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。NB-IoT支持待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較多設(shè)備的高效連接，同時(shí)還能提供非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋。目前NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成熟，端到端產(chǎn)業(yè)鏈也在快速發(fā)展，從終端到系統(tǒng)以及應(yīng)用整個(gè)行業(yè)都在積極推動(dòng)產(chǎn)品成熟，預(yù)計(jì)明年初具備商用條件。3GPP協(xié)議中關(guān)于NB-IoT需要EPC核心網(wǎng)支持的功能有相對(duì)明確的描述，實(shí)際建網(wǎng)時(shí)運(yùn)營(yíng)商可以采用現(xiàn)網(wǎng)EPC升級(jí)方案，也可以采取全新建網(wǎng)方案，本文接下來(lái)將針對(duì)幾種方案可行性及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析對(duì)比。

2 NB-IoT核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 非漫游場(chǎng)景NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3GPP TS23.401標(biāo)準(zhǔn)中提出了針對(duì)現(xiàn)有EPS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)支持NB-IoT的組網(wǎng)架構(gòu)，非漫游場(chǎng)景NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

NB-IoT無(wú)線通過(guò)S1接口連接核心網(wǎng)，針對(duì)NB-IoT特有的低速小報(bào)文，3GPP定義了C-SGN（CIoT Serving Gateway Node）融合簡(jiǎn)化EPC核心網(wǎng)。包括MME/SGW/PGW簡(jiǎn)化功能，另外針對(duì)NB-IoT業(yè)務(wù)特性做了功能優(yōu)化。主要包括：控制面數(shù)據(jù)傳輸、安全流程、不需要聯(lián)合附著、優(yōu)化尋呼功能、支持SCEF接口、支持無(wú)PDN的附著連接等。

SMS-GMSC/IWMSC/SMS Router：短消息網(wǎng)關(guān)移動(dòng)服務(wù)中心/短消息互通移動(dòng)服務(wù)中心/短消息路由器，提供短消息中繼和轉(zhuǎn)發(fā)功能，使用于NB-IoT，不需要分配IP地址，直接通過(guò)消息類上報(bào)給業(yè)務(wù)服務(wù)器的場(chǎng)景。

SCEF（Service Capability Exposure Function，業(yè)務(wù)能力開發(fā)功能）模塊，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)提供商。SCEF可以部署在核心網(wǎng)側(cè)，也可以作為智能IoT平臺(tái)的一部分邏輯功能對(duì)外開放。

2.2 漫游場(chǎng)景NB-IoT組網(wǎng)架構(gòu)

3GPP TS23.401標(biāo)準(zhǔn)中提出了針對(duì)現(xiàn)有EPS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)支持NB-IoT的組網(wǎng)架構(gòu)，漫游場(chǎng)景NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

相對(duì)于非漫游場(chǎng)景下網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，漫游場(chǎng)景C-SGN通過(guò)S8接口與歸屬地PGW建立隧道，把業(yè)務(wù)送給業(yè)務(wù)服務(wù)器。同時(shí)引入互通SCEF，讓拜訪地SCEF把Non-IP報(bào)文通過(guò)T7接口傳送給歸屬的SCEF，保證端到端數(shù)據(jù)安全。

2.3 端到端數(shù)據(jù)流

按照3GPP TS23.720的標(biāo)準(zhǔn)定義，NB-IoT主要用于傳送低速率小報(bào)文，有IP數(shù)據(jù)、Non-IP數(shù)據(jù)和SMS數(shù)據(jù)傳輸三種典型方式。圖3是NB-IoT終端到AS（Application Server，應(yīng)用服務(wù)器）間端到端數(shù)據(jù)流示意圖。

（1）IP數(shù)據(jù)

與LTE數(shù)據(jù)流一樣，核心網(wǎng)C-SGN/EPC需要根據(jù)IP類型建立相應(yīng)的PDN連接用來(lái)傳輸IP數(shù)據(jù)，傳輸路徑和普通LTE終端一致。

（2）Non-IP數(shù)據(jù)

Non-IP數(shù)據(jù)的發(fā)送有兩種方案，對(duì)應(yīng)上圖兩條不同的路徑。

1）路徑一：可以基于新的邏輯模塊SCEF傳輸，C-SGN/MME建立一條執(zhí)行SCEF的控制面PDN連接，通過(guò)這條PDN連接，UE把Non-IP數(shù)據(jù)傳送給應(yīng)用服務(wù)器AS。

2）路徑二：通過(guò)PtP（Point-to-Point）SGi隧道傳輸。

在UE進(jìn)行PDN連接請(qǐng)求時(shí)，UE會(huì)指示Non-IP PDN類型。用戶簽約信息中有Non-IP類型缺省的APN。MME使用該缺省APN，用于首次接收Non-IP連接請(qǐng)求。MME基于本地配置策略，可以決定采用基于SCEF方案還是基于PtP SGi隧道方案來(lái)傳輸終端和應(yīng)用服務(wù)器之間的Non-IP數(shù)據(jù)。

（3）SMS傳輸（Short Message Service，短消息服務(wù)中心）

用戶和應(yīng)用服務(wù)器之間的消息通過(guò)MME和SMS的SGd接口傳輸，該方案無(wú)線給終端分配IP地址。

3 NB-IoT部署策略

對(duì)于移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，可以利用現(xiàn)網(wǎng)EPC核心網(wǎng)升級(jí)改造快速部署NB-IoT業(yè)務(wù)，也可以全新單獨(dú)建設(shè)一套獨(dú)立的NB-IoT核心網(wǎng)，隔離傳統(tǒng)移動(dòng)業(yè)務(wù)和NB-IoT業(yè)務(wù)。下面分別詳細(xì)描述兩種方案的組網(wǎng)架構(gòu)以及對(duì)移動(dòng)核心網(wǎng)的要求影響。

3.1 現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)改造

根據(jù)3GPP定義的NB-IoT功能和網(wǎng)元特性，運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)軟件升級(jí)現(xiàn)網(wǎng)EPC核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)快速部署NB-IoT業(yè)務(wù)。專有NB-IoT無(wú)線接入升級(jí)改造后的融合網(wǎng)元，包括MME、SGW、PGW、HSS網(wǎng)元都需要升級(jí)改造以支持NB-IoT特有功能。

圖4是現(xiàn)網(wǎng)核心網(wǎng)升級(jí)改造的網(wǎng)元架構(gòu)示意圖。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是初期投資少，見(jiàn)效快。但是缺點(diǎn)也比較明顯：

（1）升級(jí)現(xiàn)網(wǎng)影響傳統(tǒng)業(yè)務(wù)體驗(yàn)；

（2）融合網(wǎng)元影響現(xiàn)網(wǎng)容量；

（3）傳統(tǒng)現(xiàn)網(wǎng)對(duì)新業(yè)務(wù)開放能力支持有限。

3.2 建設(shè)專有核心網(wǎng)

相對(duì)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造，運(yùn)營(yíng)商按照3GPP定義的架構(gòu)新建一套完整的NB-IoT核心網(wǎng)，對(duì)未來(lái)NB-IoT的新應(yīng)用引入會(huì)更加靈活，支持的功能更強(qiáng)大。

圖5是新建NB-IoT專有核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖。

運(yùn)營(yíng)商新建一套NB-IoT核心網(wǎng)C-SGN，包括針對(duì)NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)定義的簡(jiǎn)化MME/SGW/PGW特有功能。C-SGN可以基于傳統(tǒng)硬件，也可以基于虛擬化平臺(tái)。

該方案的優(yōu)點(diǎn)包括：

（1）獨(dú)立建網(wǎng)不影響現(xiàn)網(wǎng)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)；

（2）符合標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)后續(xù)演進(jìn)更方便；

（3）采用最新IT技術(shù)，虛擬化平臺(tái)更靈活地部署和引入新業(yè)務(wù)。

下面章節(jié)簡(jiǎn)單介紹下基于IT技術(shù)的虛擬化核心網(wǎng)架構(gòu)。

4 虛擬化技術(shù)的應(yīng)用

4.1 核心網(wǎng)虛擬化概述

ETSI（European Telecommunications Standards Institute，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)）組織下正式成立網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化工作組（ETSI ISG NFV），致力于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化的需求定義和系統(tǒng)架構(gòu)制定。ETSI NFV工作組的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)各網(wǎng)元在開放的IT平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)功能集虛擬化，以更低的成本、更靈活的運(yùn)營(yíng)應(yīng)對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代靈活多變的業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)需求，并擺脫對(duì)廠家專有硬件系統(tǒng)和封閉軟件平臺(tái)的依賴。

由于網(wǎng)絡(luò)虛擬化NFV技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)電信封閉平臺(tái)的思想，引入靈活彈性部署資源管理等理念，因此，ETSI NFV提出了全新通用的NFV架構(gòu)，NFV概念架構(gòu)如圖6所示：

NFV架構(gòu)主要包括三部分：NFVI（NFV Infrastructure，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施）、VNF（Virtualized Network Function，虛擬網(wǎng)絡(luò)功能）和NFV MANO（Management and Orchestration，管理與編排）。

（1）網(wǎng)元功能由軟件實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行在虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施NFVI之上，通過(guò)虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)移動(dòng)網(wǎng)元邏輯實(shí)現(xiàn)。

（2）虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施包括虛擬計(jì)算、虛擬存儲(chǔ)、虛擬網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)虛擬化層對(duì)計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)硬件資源與其相應(yīng)的虛擬化資源的調(diào)度，支持VNF的資源調(diào)用。

（3）虛擬化管理和編排功能在NFV框架中集中了所有虛擬化相關(guān)的管理編排功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的管理、對(duì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)編排、對(duì)物理和軟件資源和虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能生命周期管理等。

除了ETSI之外，3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織也積極推動(dòng)核心網(wǎng)虛擬化標(biāo)準(zhǔn)研究和定制。3GPP SA第69次全會(huì)上批準(zhǔn)了版本13中的SA5技術(shù)報(bào)告（TR）32.842《虛擬網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)管理研究》，著眼于NFV-MANO（管理和編配）對(duì)3GPP管理系統(tǒng)的潛在影響，主要集中研究基于ETSI NFV架構(gòu)框架、移動(dòng)核心網(wǎng)的管理功能和解決方案，重點(diǎn)研究了管理概念，包括虛擬網(wǎng)絡(luò)功能在內(nèi)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和要求（TS 28.500）、虛機(jī)和網(wǎng)元的生命周期管理、配置管理、故障管理和性能管理等。

4.2 虛擬化核心網(wǎng)進(jìn)展

如圖7所示，按照業(yè)界共識(shí)，虛擬化一般被分成四個(gè)階段，分別是：

（1）第一階段軟硬件解耦；

（2）第二階段網(wǎng)絡(luò)虛擬化；

（3）第三階段網(wǎng)絡(luò)開放可編程；

（4）第四階段全開放能力創(chuàng)新。

第一步是軟件解耦，把軟件的功能從基礎(chǔ)部分當(dāng)中抽離，各功能軟件模塊采用通用硬件平臺(tái)，通過(guò)一系列的工作有效地降低運(yùn)營(yíng)成本，提升運(yùn)營(yíng)效率，可以把平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，減化維護(hù)，同時(shí)降低管理的費(fèi)用。把特性的開發(fā)變成軟件開發(fā)的一部分，因?yàn)楝F(xiàn)在的開發(fā)是放在軟件當(dāng)中而不是硬件，所以這樣做可以縮短產(chǎn)品周期。

第二個(gè)階段開始利用虛擬技術(shù)完成一些共享基礎(chǔ)架構(gòu)的工作，引入網(wǎng)絡(luò)編排器管理網(wǎng)絡(luò)的功能。通過(guò)云化編排管理，進(jìn)行自動(dòng)部署、自動(dòng)縮擴(kuò)容、自動(dòng)生命周期的管理。管理的方式可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行靈活地隔離和部署，對(duì)資源的利用率和密度更高，可以降低架構(gòu)的負(fù)載。此外也可以對(duì)整個(gè)架構(gòu)進(jìn)行快速地?cái)U(kuò)展和縮減，并能對(duì)不同的客戶需求做出反應(yīng)。

第三個(gè)階段是提供第三方開放的API接口，把虛擬化平臺(tái)開放給第三方可編程。第三方應(yīng)用可以方便地通過(guò)插件及標(biāo)準(zhǔn)接口集成進(jìn)來(lái)，更好地引入新業(yè)務(wù)。同時(shí)集成SDN優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能力，真正啟用業(yè)務(wù)鏈，按照業(yè)務(wù)需求自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)能力。

第四階段是全開放能力創(chuàng)新。通過(guò)引入大數(shù)據(jù)自動(dòng)分析工具，第三方全開放平臺(tái)實(shí)現(xiàn)能力創(chuàng)新。將單一的網(wǎng)絡(luò)功能分解成基礎(chǔ)模塊，服務(wù)就在云端被分解為微服務(wù)，這些都是公共的服務(wù)。比如之前不應(yīng)當(dāng)將這些功能進(jìn)行集合性的使用，在云層當(dāng)中功能自身變得越來(lái)越簡(jiǎn)單，可以集中在想實(shí)現(xiàn)的資源和功能中，也就是說(shuō)功能是為云建造的，也是能進(jìn)行分解使用的，對(duì)APP開發(fā)者開放。人們能真正地將服務(wù)分解，不止運(yùn)營(yíng)商或者系統(tǒng)服務(wù)商，而是每個(gè)使用APP的人都可以分解這個(gè)服務(wù)。

PaaS（Platform-as-a-Service，平臺(tái)即服務(wù)）平臺(tái)作為一種服務(wù)，利用IaaS的基礎(chǔ)架構(gòu)，引入平臺(tái)自動(dòng)部署、自動(dòng)配置、自動(dòng)縮擴(kuò)容等功能。現(xiàn)代化的Paas平臺(tái)通過(guò)操作系統(tǒng)、容器以及開發(fā)工具協(xié)調(diào)器和自動(dòng)變牌器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作和安全，提高開發(fā)人員的生產(chǎn)力，極大地提高了時(shí)間價(jià)值。

所以NB-IoT的能力開發(fā)平臺(tái)基于開放的核心網(wǎng)虛擬化PAAS平臺(tái)架構(gòu)，可以更方便地引入第三方應(yīng)用。

基于虛擬化架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)EPC與NB-IoT共平臺(tái)架構(gòu)如圖8所示。

運(yùn)營(yíng)商可以基于統(tǒng)一的電信云，在4G個(gè)人業(yè)務(wù)、企業(yè)應(yīng)用的虛擬化NFVI架構(gòu)上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，為NB-IoT業(yè)務(wù)場(chǎng)景快速部署專有虛擬化C-SGN、SCEF網(wǎng)元以及第三方開放的AS業(yè)務(wù)服務(wù)器，提供面向未來(lái)的個(gè)性化差異化特色應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)社會(huì)全新的工業(yè)自動(dòng)化、人工智能、智慧城市、智能生活、自動(dòng)駕駛等新技術(shù)，都要求網(wǎng)絡(luò)無(wú)處不在，網(wǎng)絡(luò)能力按需自動(dòng)編排提供。NB-IoT是市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)和技術(shù)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的產(chǎn)物，業(yè)務(wù)特性與終端要求與傳統(tǒng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)都有很大不同。核心網(wǎng)虛擬化技術(shù)、軟件部署靈活性及開放主導(dǎo)的架構(gòu)設(shè)計(jì)非常符合物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈中服務(wù)快速提供，業(yè)務(wù)靈活定制和安全隔離，規(guī)模平滑擴(kuò)容等業(yè)務(wù)生產(chǎn)和發(fā)展模式需求。而運(yùn)營(yíng)商如何能夠依托現(xiàn)網(wǎng)，采取面向未來(lái)的新業(yè)務(wù)，快速部署新技術(shù)，是業(yè)界參與者都需要思考的問(wèn)題。為了盡快推動(dòng)NB-IoT的成熟和規(guī)模商用，通過(guò)與歐洲高端運(yùn)營(yíng)商的交流，發(fā)現(xiàn)各方都希望初期通過(guò)現(xiàn)網(wǎng)EPC/eNodeB的快速升級(jí)進(jìn)行功能測(cè)試驗(yàn)證，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)成熟商用。初期小規(guī)模商用時(shí)可以采取現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)的臨時(shí)方案，等待端到端功能驗(yàn)證測(cè)試通過(guò)，在產(chǎn)業(yè)鏈特別是業(yè)務(wù)服務(wù)器側(cè)提供豐富的差異化服務(wù)后，隨著虛擬化的成熟和普遍應(yīng)用，再逐步從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型升級(jí)到全新的虛擬化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)更靈活的NB-IoT業(yè)務(wù)應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 3GPP TR 23.720. Study on architecture enhancements for Cellular Internet of Things （Release 13）[S]. 2016.

[2] 3GPP TR 23.401. General Packet Radio Service （GPRS） enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN） access （Release 13）[S]. 2016.

[3] 3GPP TS 23.251 V13.1.0. Network Sharing； Architecture and functional description （Release 13）[S]. 2015.

[4] 趙靜. 低速率物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 移動(dòng)通信， 2016，40（7）： 27-30.

[5] 胡應(yīng)添，廖禮宇. LTE-Advanced pro中的NB-IoT技術(shù)研究[A]. 面向5G的LTE網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研討會(huì)（2016）論文集[C]. 2016： 136-141

[6] 劉潔，王哲. NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的NFV化研究[A]. 面向5G的LTE網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研討會(huì)（2016）論文集[C]. 2016： 153-157.

[7] 高晨亮. NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用展望[A]. 面向5G的LTE網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研討會(huì)（2016）論文集[C]. 2016： 190-194.

[8] 薛淼，朱斌，符剛. 移動(dòng)核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)虛擬化研究與探討[A]. 2013年中國(guó)通信學(xué)會(huì)信息通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)委員會(huì)年會(huì)論文集[C]. 2013.

[9] 魯義軒. 技術(shù)趨成熟，運(yùn)營(yíng)商如何掌控NB-IoT市場(chǎng)？[J]. 通信世界， 2016（25）： 42.

[10] 趙艷薇. 3GPP通過(guò)NB-IoT標(biāo)準(zhǔn) 物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)蓄勢(shì)待發(fā)[J]. 通信世界， 2016（17）： 67. ★