终端组网方案

2020/09/DTPT收稿日期:2020-08-0412G物联网转网背景2G网络设备在网运行时间已超过十年,设备老化严重,厂家停服及缺乏备品备件等因素对网络安全造成极大影响.
尽管运营商在加快2G用户向4G用户的迁移,但因现网存在大量的2G物联网终端,极大影响2G退网进度,也无法为5G腾退频谱资源.
2020年5月7日,工业和信息化部发布《工业和信息化部办公厅关于深入推进移动物联网全面发展的通知》,要求推动2G/3G物联网业务迁移转网,建立窄带物联网(NB-IoT)、4G(含LTECat1,即速率类别1的4G网络)和5G协同发展的移动物联网综合生态体系,在深化4G网络覆盖、加快5G网络建设的基础上,以NB-IoT满足大部分低速率场景需求,以LTECat.
1满足中等速率物联需求和语音需求,以5G技术满足更高速率、低时延联网需求.
要求推动NB-IoT网络的广度及深度覆盖,引导新增物联网终端向NB-IoT和LTECat1迁移,以NB-IoT与LTECat1协同承接2G/3G物联连接,提升频谱利用效率.
在保障存量物联网终端网络服务水平的同时,引导新增物联网终端不再使用2G/3G网络,推动存量2G/3G物联网业务向NB-IoT/4G(LTECat1)/5G网络迁移.
2G物联网用户转网核心网解决方案研究ResearchonCoreNetworkSolutionforMigrationof2GIoTUsers关键词:NB-IoT;LTECat1;PSM;eDRXdoi:10.
12045/j.
issn.
1007-3043.
2020.
09.
007文章编号:1007-3043(2020)09-0034-06中图分类号:TN915文献标识码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):摘要:现存的2G物联网用户影响了2G退网的进度,随着NB-IoT及LTECat1模组的成熟,运营商将面临2G物联网用户迁转的良好机遇.
通过对2G物联网业务类型分析,明确终端迁转类型;结合核心网侧对物联网业务在节电模式、数据传输及接入控制等方面的优化手段,提出了核心网部署方案.
Abstract:Theexisting2GIoTusersslowdowntheprogressof2Gnetworkwithdrawal.
WiththematurityofNB-IoTandLTECat1mod-ule,operatorsfaceagoodopportunityfor2GIoTuserstomigrate.
Throughtheanalysisof2GIoTservicetype,itclearstermi-nalmigrationtype,andcombinedwiththecorenetworksideoftheIoTpowersavingmode,datatransmission,accesscontrolandotheraspectsofoptimizationmeans,thefinalcorenetworkdeploymentschemeisproposed.
Keywords:NB-IoT;LTECat1;PSM;eDRX吴昊,孙成虎,陶选如(北京电信规划设计院有限公司,北京100048)WuHao,SunChenghu,TaoXuanru(BeijingTelecomPlanning&DesigningInstituteCo.
,Ltd.
,Beijing100048,China)吴昊,孙成虎,陶选如2G物联网用户转网核心网解决方案研究业务使能ServiceEnabling引用格式:吴昊,孙成虎,陶选如.
2G物联网用户转网核心网解决方案研究[J].
邮电设计技术,2020(9):34-39.
34邮电设计技术/2020/09国家政策的指导及近年来NB-IoT、LTECat1模组价格的进一步降低,为2G物联网用户的转网提供了有力支撑.
原来主要为公众业务服务的核心网需基于物联网业务特性,对业务流程及网络结构进行优化,对数据传送方式进行改造.
22G物联网业务分析根据Counterpoint公司提供的数据,到2025年,2G连接占比将从2018年的42%降为0;NB-IoT连接占比将从2018年的4%提升到45%;2G/3G物联网连接数已接近忽略不计,因此在蜂窝物联网连接方式代际迁移过程中,原有2G/3G连接就只能由NB-IoT和4G来承接.
其中,低频、小包、低移动性、时延敏感性低但对于成本敏感性较高的场景,可以通过NB-IoT来承接;中速率、对时延和移动性有一定要求、支持语音以及成本有一定承受能力的场景,可以通过LTECat1来承接.
物联网的应用场景可以大致分为3类.
一是车联网、视频监控类的高速业务,下行传输速率在10Mbit/s以上,终端等级要求为LTECat4、6以及5G,此类业务占比为10%.
二是以智能穿戴设备、移动金融及物流类的中低速业务,传输速率低于10Mbit/s,终端等级要求为LTECat1、eMTC等,此类业务占比为30%.
三是以环境监测、智能停车、表具等低频低速数据采集类业务,传输速率小于100kbit/s,终端等级要求为NB-IoT,此类业务占比为60%.
物联网业务分布如图1所示.
在3GPP定义的终端等级中,相比于LTECat4的普通LTE终端,Cat0、Cat1、eMTC及NB-IoT因在天线数量、双工模式等方面采取了简化措施,降低了终端的功耗,更加节电,更适合于物联网的应用.
终端等级对比如表1所示.
对于2G物联网用户,主要应用场景为传输速率小于100kbit/s的低频、低速数据采集类业务和传输速率低于10Mbit/s的中、低速业务.
NB-IoT的低功耗特性使其成为低频、低速数据采集类业务的首选技术.
对于具有移动性的中、低速业务,LTECat1比LTECat0和eMTC有速率优势,同时LTECat1可以无缝接入现有LTE网络,无需对基站进行软、硬件的升级,网络覆盖成本很低,现网投资小.
而eMTC需要在现网的FDD900或FDD1800上重新规划一段频率资源,基站和核心网都要软件升级,LTECat0的各项性能与eMTC差别不大,在功耗方面也不占优势,因此,中、低速率且有语音业务需求的物联网场景更适合采用LTECat1技术.
现网2G物联网业务主要包括车联网、能源行业、金融行业、家电制造及智能可穿戴等.
依据各类业务对移动性、数据传输速率、数据传送频度等要求的不同,可将业务迁移至不同的终端类型.
现网2G物联网用户迁转策略如表2所示.
图1物联网业务分布表2现网2G物联网用户迁转策略2G物联网用户类型车联网能源行业(监控类)金融行业家电制造(资产监控)家电制造(智能控制)智能可穿戴移动性高低中等低中等高数据传送频率高低中等低中等中等率速10Mbit/s100kbit/s10Mbit/s100kbit/s10Mbit/s10Mbit/s迁转终端类型LTECat1NB-IoTLTECat1NB-IoTLTECat1LTECat1表1终端等级对比表终端类别下行峰值速率上行峰值速率天线数量双工模式终端接收帯宽终端发射功率/dBm与LTE复用普通LTE端(R8Cat4)150Mbit/s50Mbit/s2全双工20MHz23是低等级LTE终端(R8Catl)10Mbit/s5Mbit/s1全双工20MHz23是MTC终端(R12Cat0)1Mbit/s1Mbit/s1半双工20MHz23是eMTC终端(R13Cat-Ml)1Mbit/s1Mbit/s1半双工1.
4MHz23/20是NB-IoT端(RI3CatNB-I)170kbit/s170kbit/s1半双工200kHz23是/否智能停车环境管理路灯抄表市政设施60%窄带业务NB-IoTLTECat1、eMTC30%中低速业务物流电梯监控可穿戴设备POS机LTECat4、Cat6、5G10%高速业务自动驾驶视频监控远程医疗吴昊,孙成虎,陶选如2G物联网用户转网核心网解决方案研究业务使能ServiceEnabling352020/09/DTPT3核心网优化方案不同于公众业务,2G物联网业务在终端节电、数据传输、接入控制等方面有特殊要求,因此,为应对2G物联网用户的迁移,核心网侧需进行针对性优化.
3.
1节电技术对于低移动性、低频发送数据的物联网终端(如智能抄表、环境监测、智能停车等),主要采用电池供电,如果采用现网的位置更新及寻呼模式会缩短终端电池寿命,如果此类终端数量增长较快还会增加网络的信令负荷.
采用PSM模式和eDRX模式可降低终端与网络交互的频度,达到节电目的.
采用PSM模式和eDRX模式是NB-IoT终端节能省电、延长电池寿命的主要手段.
3.
1.
1终端省电PSM模式PSM模式相当于终端处于一个"休眠"模式,不接受下行业务和寻呼请求.
处于省电PSM模式的UE的接收机一直处于关闭状,空口接入层的功能被停止,不监听空口寻呼信道.
PSM适合于低频、周期性、延时不敏感小包,有非常高的节电要求的应用,如只有电池供电的气表/水表等,一天只需要上报一次数据,PSM为UE、MME协同实现的方案.
PSM原理示意如图2所示.
PSM的业务流程:UE和MME通过NAS消息协商一个激活计时器(ActiveTimer——T3324,0~255s),该计时器在UE转为空闲态后启动.
当ActiveTimer超时后,MME判定UE进入PSM,拒绝下行业务和寻呼;在UE侧,该Timer超时后,UE关闭接入层(AS)功能(如小区选择等)进行省电,这样UE和网络关于UE进入省电模式的信息是同步的.
进入PSM模式后,只有在需要发送MO数据,或者周期TAU/RAU定时器(T3412)超时后需要执行周期TAU/RAU时,UE才会退出PSM模式.
即使UE移动导致TA/RA变化,也不会退出PSM模式,网络侧可以通过配置周期TAU/RAU定时器时长来控制UE在PSM模式的时间,但为了UE省电和降低对网络的信令负荷,周期TAU/RAU定时器不会设置得很小.
3.
1.
2NB-IoTeDRX模式在传统网络中,为了节省功耗终端可以使用DRX技术,在一个DRX周期,终端只在寻呼时刻监控寻呼指示信道,其他时刻终端是不监控寻呼指示信道的,这样就节省了终端的功耗.
由于传统网络要兼容终端低功耗和业务及时性要求,所以在传统网络中这个DRX周期最大为2.
56s.
为了适应物联网更低功耗、时延更不敏感的业务,3GPP在R13版提出了eDRX技术,通过扩展现有DRX周期,eDRX周期可以达到分钟及小时级别(eDRX周期为10.
24s~10.
24s*210,最大约为2.
913h),达到终端既省电又满足一定时延的应用要求(例如手环、跟踪、街灯控制等交互式应用),在省电和时延之间取得平衡.
DRX及eDRX原理示意图如图3所示.
和PSM模式相比,eDRX模式可大幅度提升下行可达性.
根据应用业务的时延容忍度,结合运营商的要求,合理设置eDRX周期.
根据协议推荐,对时延要求高的应用业务,如穿戴设备,建议eDRX周期设置为1~30s.
对时延要求不高的应用,建议设置周期为1~30min.
3.
2传输优化针对NB-IoT终端数据具有收发频率低、数据包较小的特点,核心网提供了控制面优化功能CP-CIoT(ControlPlaneCIoTEPSOptimization)、用户面优化功能UP-CIoT(UserPlaneCIoTEPSOptimization)、Non-图2PSM原理示意图激活定时器空闲态UEPowerUPto310hoursPagingPSMTime图3DRX及eDRX原理示意图激活态Paging监听开启Paging监听开启DRX周期eDRX周期UE空闲态最大DRX周期为2.
56sUE空闲态最大eDRX周期为2.
913h激活态吴昊,孙成虎,陶选如2G物联网用户转网核心网解决方案研究业务使能ServiceEnabling36邮电设计技术/2020/09IP数据传输方案.
3.
2.
1控制面优化功能CP-CIoT控制面优化功能,又称DataoverNAS,该方式不需要建立空口侧无线数据承载,上下行数据包在终端和MME之间通过NAS消息传递,在MME和S-GW间通过S11口传递.
终端在AttachRequest/TAURequest消息中携带UEnetworkcapability信元和Additionalupdatetype信元,指示终端是否支持CP-CIoT数传方式.
当MME也支持用户面传输方式时,MME与SGW间创建S11-U接口的用户面承载.
MME通过DownlinkNASTransport消息将AttachAccept/TAUAccept消息直接传递给终端,并告知终端使用CP-CIoT数传方式传输数据.
后续上下行数据包通过信令面进行传输.
CP-CIoT数传方式提升了数传效率,节省不必要的信令开销.
CP-CIoT原理示意图如图4所示.
图4CP-CIoT原理示意图IPNASPDCPRLCMACL1PDCPRLCMACL1S1APSCTP/IPL2L1IPUTP-UUDPIPL2L1EPC和RAN负荷降低60%,终端功耗节省30%DataoverNASS1-MME终端eNodeBMMESGWPGWS11-US5/S8SGiIoT业务平台NASS1APSCTP/IPL2L1UTP-UUDPIPL2L13.
2.
2用户面优化功能UP-CIoT用户面优化功能,又称UP-CIoT,是通过S1-U用户面进行数据传输.
其特点是在无数据传输,终端进入Idle态时,不进行E-RABRelease流程,而是进行ConnectionSuspend流程.
该流程中UE、eNodeB和MME保存用于恢复连接的S1AP关联、UE上下文和承载上下文等数据,后续等有数据需要发送时,可通过ConnectionResume流程快速恢复承载,降低对网络的信令负荷.
该方案遵循标准,在eNodeB和MME之间新增2条交互消息(ConnectionSuspend和ConnectionResume).
快速恢复数传,无需进行释放和重建无线承载,可有效地节省信令开销.
UP-CIoT原理示意图如图5所示.
3.
2.
3Non-IP数据传输方案图5UP-CIoT原理示意图终端S1-MMEeNodeBMMESGWPGWS11S5/S8SGiIoT业务平台S1-U进入Idle态时,UE/eNB/MME保存S1信令连接、S1-U承载信息返回Active态时,发起恢复流程恢复S1-U数传ConnectionSuspend/ConnectionResumeNB-IoT应用低速小包,部分应用有效负荷只有15~20个字节,报文头甚至超过了数据,终端可采用Non-IP数据传输方案传输数据.
UE签约Non-IP的签约数据,在附着请求中请求建立Non-IP的PDN,PDN连接建立完成后,UE就可以通过携带不包含IP报头的数据进行数据传输.
吴昊,孙成虎,陶选如2G物联网用户转网核心网解决方案研究业务使能ServiceEnabling372020/09/DTPT应用数据包越小,使用Non-IP传输数据,速率提升越明显,特别是在IoT数据包大小在10~200个字节的情况下.
UE发送不带IP头的数据包,由P-GW代理UE的IP和传输层协议,能够大幅度提升数据传输效率,也能增加空口容量.
Non-IP数据传输原理示意图如图6所示.
图6Non-IP数据传输原理示意图Non-IPNASPDCPRLCMACL1DataoverNASS1-MME终端eNodeBMMESGWPGWS11-US5/S8SGiUDPIPL2L1UDPIPL2L1Non-IPGTP-UUDPIPL2L1PDCPRLCMACL1S1APSCTP/IPL2L1NASS1APSCTP/IPL2L1GTP-UUDPIPL2L1GTP-UUDPIPL2L1GTP-UUDPIPL2L13.
3接入控制不同于由人操控的手机终端,物联网终端的行为存在不可控性,海量的连接增加了产生信令风暴的风险,特别是部分物联网应用,当平台侧出现断网等故障时,平台所属终端会同时向核心网侧发送信令消息,将导致核心网侧产生信令风暴.
目前应对信令风暴的措施如下.
a)终端与IoT平台业务侧预防.
在终端与业务服务器之间通过调度算法进行离散接入和离散寻呼.
b)管道侧预防(EPC核心网侧).
包括防集中接入的物联网终端信令控制方法、防集中寻呼的精准寻呼解决方案及下行数据通知信令抑制方案.
c)分层分级信令管控(网元自身保护).
包括EPC核心网侧基于APN的信令拥塞控制及智能信令风暴平滑处理、物联网平台侧的接入流控、无线侧的过载接入流控及过载寻呼流控.
d)分接口信令流控(周边网元保护).
EPC与周边网元的接口流控,包括S11、SGs、Gy/Gx接口流控、S1口寻呼消息流控、DRA局向流控、HSS的S6a/Gr接口流控及无线SCTP链路流控等.
核心网侧针对于物联网业务特性的接入控制主要包括:a)基于延迟定时器的信令拥塞控制.
b)低优先级接入控制.
c)基于APN的NB-IoT终端接入速率控制.
d)基于服务PLMN的NB-IoT终端接入速率控制.
3.
3.
1基于延迟定时器的信令拥塞控制基于延迟定时器的信令拥塞控制方法为物联网终端业务配置特定的APN,针对物联网业务特定APN发送Back-offtime信元来减缓物联网终端业务接入速度,确保普通终端业务的正常进行,避免EPC网元自身及周边网元过载.
拥塞控制机制分别从MME及PGW侧进行拥塞判断及拥塞控制.
3.
3.
2低优先级接入控制在表类上报、物流跟踪、智能停车等应用场景,当大量的M2M终端在短时间内同时发起业务时,可能会造成系统过载并影响普通终端用户的业务接入.
通过识别部分M2M终端业务为低优先级业务,限制M2M终端业务的接入量,可保证普通终端用户业务的成功率,预防和缓解系统拥塞.
通过算法可控制实时消息接入量,可控制的M2M终端流控消息类型包括:AttachRequest、ServiceRequest、ControlPlaneServiceRequest和TrackingAreaUpdateRequest.
低优先级接入控制包括以下2种场景.
系统正常运行时,如瞬间M2M终端业务接入量过大,MME会自动调节M2M终端低优先级业务接入速率,预防系统进入过载状态.
系统轻度过载时(系统CPU占用率75%),MME将减少M2M终端低优先级业务数量,使系统CPU占用率保持在70%~75%.
吴昊,孙成虎,陶选如2G物联网用户转网核心网解决方案研究业务使能ServiceEnabling38邮电设计技术/2020/093.
3.
3基于APN的NB-IoT终端接入速率控制基于APN的NB-IoT终端接入速率控制是在P-GW上配置速率门限,P-GW使用PCO信元将基于APN的NB-IoT终端接入速率控制参数发送给UE,用于控制该UE的某PDN连接单位时间内上行和下行数据包的数目.
MME/S-GW支持转发UE和P-GW之间速率控制参数的消息.
基于APN的NB-IoT终端接入速率控制同时支持CP-CIoT和UP-CIoT2种方案.
3.
3.
4基于服务PLMN的NB-IoT终端接入速率控制基于服务PLMN的NB-IoT终端接入速率控制是在MME上配置速率门限,发给UE和S-GW/P-GW,S-GW/P-GW根据MME发来的速率控制信息,产生数据包的控制速率,对于超过门限的数据包进行丢包处理,未超过门限的数据包进行正常的转发处理.
4核心网部署方案目前3家运营商均已部署NB-IoT专用核心网及以公众用户业务为主的EPC核心网,根据业务特性,低移动性、低速业务主要迁移至NB-IoT专用核心网,具有一定移动性的中、低速业务通过LTECat1模组终端接入以公众用户业务为主的EPC核心网.
NB-IoT核心网在前期部署时已针对NB-IoT终端的业务特性进行了优化,具有上述的节电技术、传输优化等特性,对于部分2G物联网用户的迁入需根据用户接入规模,重点对NB-IoT物联网终端的接入控制进行优化.
具有移动性及中、低速率特性的LTECat1终端同时有数据业务及语音业务接入要求,在考虑投资成本的情况下,接入现网EPC核心网是较节省投资的方案.
由于LTECat1物联网终端相比于公众业务的手机终端有更高的节电要求,现网EPC核心网需具备PSM及eDRX功能,并根据需求开启TAU/RAU功能.
根据现网调研,目前部分厂家EPC核心网网元已具备PSM及eDRX功能,只需根据业务需求打开功能即可,部分厂家需对设备进行升级以具备节电功能.
物联网终端业务在开卡后并不会全部激活,这导致物联网相关网络容量在初期利用率较低,造成投资浪费.
为实现核心网的灵活部署,物联网核心网需向基于云化的NFV虚拟化架构演进,在核心网云化演进过程中,逐步将EPC核心网与NB-IoT专用核心网融合在统一云资源池内,后期可根据各类物联网业务发展趋势,灵活部署NB-IoT核心网网元及EPC网元以实现网络资源动态伸缩、网络平滑升级与扩容,并降低设备投资成本.
5结束语工信部的发文明确了2G/3G物联网业务向NB-IoT/4G(LTECat1)/5G网络的迁移方向,本文将2G物联网用户的业务特性与终端等级进行匹配,并对现网核心网针对物联网终端特有的节电要求、传输特性及接入控制需求等进行分析,介绍了现网核心网为适应NB-IoT及LTECat1终端的特性所需引入的功能及技术,并提出了核心网部署策略及演进建议.
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作者简介:吴昊,高级工程师,学士,长期从事核心网及物联网规划、设计工作;孙成虎,高级工程师,长期从事核心网咨询、规划、标准化研究和工程设计工作;陶选如,工程师,硕士,主要从事核心网、物联网及MEC相关咨询、规划和工程设计工作.
吴昊,孙成虎,陶选如2G物联网用户转网核心网解决方案研究业务使能ServiceEnabling39