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移动物联网核心网技术应用及演进

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发表于 2019-12-4 12:44 | 显示全部楼层 |阅读模式

虽然移动物联网的设计初衷是为“物物”通信服务的,但是其主要架构仍然是沿用现有4G网络架构,并在此基础上进行了功能裁剪和增强,具体网络架构如图1所示。移动物联网“端到端”主要包括四个部分,即物联网终端,无线接入网,核心网及服务平台;核心网的用户数据传输链路起始于演进型基站(eNodeB),经由服务网关(S-GW)和PDN网关(P-GW)的转发,终止于应用服务器(AS);同时,核心网还包含存储用户数据的HSS,负责移动性和会话管理的MME,执行策略和计费功能的PCRF以及业务能力开放网元SCEF。如果用户有短信或者话音的业务需求,则还会涉及移动交换中心(MSC)、短信中心(SMSC)等CS域网元以及呼叫会话管理功能(CSCF)等IMS域网元。云化核心网相关问题,可以到网站详细了解,更为仔细。  口红女皇色用起来非常舒服,是品牌里的佼佼者,喜欢的美女们不要错过哦!

  在此网络架构基础上,移动物联网设计了多种精简的数据传输方案以降低网络资源开销并灵活满足终端的业务需求;设计了新的节电机制提高终端的续航能力,降低终端维护成本;针对未来业务发展趋势设计了多种移动性优化机制;并将网络能力抽象整合成可对外开放的服务能力,以便为用户提供更有针对性的服务。同时,为了兼顾移动物联网及存量终端向下一代的演进需求,未来网络针对目前现网应用可能存在的问题以及当前技术的不足,设计了相应的功能增强和演进技术。

  图1 CIoT网络总体架构

  2、核心网关键技术及应用

  为了满足万物互联的多元化需求,基于终端特性提供定制化高效的通信服务,移动物联网的核心网关键技术主要包括高效的数据传输方式,新型的节电机制,移动性优化以及能力开放等内容,并在此基础上针对部分运营商在现网应用部署中可能存在的实际问题提出了相应的解决方案

  移动物联网终端的数据传输场景多种多样,既有间隔较长的小包数据传输,也有频繁的大包数据传输。如果不同的传输场景采用不同的传输方式,可以有效减少控制面的信令开销并降低传输时延。

  对于间隔时间较长的小包数据,如果每次传输都进行一次数据链路的建立和拆除,无疑是对信令资源的巨大浪费.若采用控制面传输优化方案,由MME将待传输数据包封装在NAS消息中并下发给UE,这样在发起数据传输请求时就不需要每次都重建用户面的数据传输链路,既可以节约网络资源,还能降低功耗。

  对于频繁的大包数据传输,由于链路容量等因素的限制,通过NAS消息进行传输无法满足传输的要求,更适合使用用户面优化传输方案,同时还可以通过将承载链路“挂起”和“恢复”的方式实现链路的快速恢复。

  尽管这两种传输方式已经被明确定义,但是在部分运营商的现网部署中可能遇到了一些实际问题,例如用户或网络如何实现由控制面传输方案向用户面传输方案的转换;现网当中支持控制面传输的S11-U接口和支持用户面传输的S1-U接口分属于两个不同的网络,这两个接口应该如何部署;如何降低控制面传输和用户面传输时的IP头开销。

  图2 空闲态控制面向用户面传输的转换流程

  图3 连接态控制面向用户面传输的转换流程

  图4 上行传输头压缩方案

  图5 下行传输头压缩方案

  针对上面三个问题,本章将详细介绍对应的解决方案和关键技术。

  2.1.1 控制面和用户面优化传输方案的转换

  (1)空闲态控制面向用户面传输的转换

  如果终端处于空闲态,终端已知即将传输大数据包,决定将传输方案从控制面转换为用户面优化传输方案,则基本的信令流程如下:

  · 在终端和MME采用控制面优化传输方案时,如果终端处于空闲态且终端决定采用用户面优化方案传输后续的业务,UE发起Service Request流程,并经由eNB转发给MME。

  · MME完成鉴权及安全流程之后,删除下行TEID等控制面优化方案中建立的S11-U相关信息,然后MME向eNodeB发送S1-AP Initial Context Setup Request消息以触发无线承载建立流程。此时,终端就可以经eNodeB,S-GW发送上行数据到达P-GW。

  · 但是,到目前为止下行数据链路仍未打通,在eNodeB向MME发送S1-AP message Initial Context Setup Complete消息后, MME和S-GW通过Modify Bearer Request/Modify Bearer Response消息打通下行数据链路。

  (2)连接态控制面向用户面传输的转换

  如果终端处于连接态,终端或MME决定将传输方案从控制面转换为用户面优化传输方案,则基本的信令流程如下:

  · 若为终端决定的转换方案,UE发送Control Plane Service Request消息经由eNodeB转发给MME。若为MME决定的转换方案,则不会包含这两条消息。

  · MME在S11-U接口发送完队列中的上行数据,随后删除在控制面优化方案中已经建立的S11-U相关信息。

  · 对于所有未设置为Control Plane Only Indicator的PDN连接,MME向eNodeB发送S1-AP Initial Context Setup Request消息。此时,终端就可以经eNodeB,S-GW发送上行数据到达P-GW。

  · 为了打通下行数据链路,eNodeB向MME发送S1-AP message Initial Context Setup Complete消息后, MME向S-GW发送Modify Bearer Request消息。此时S-GW可以开始向UE发送下行数据,并向MME返回Modify Bearer Response消息。

  基于上述转换方案,可以根据业务场景灵活调整传输方案,避免不必要的信令开销,减小数据包的传输时延,最大限度地满足用户的业务需求。

  2.1.2 网络接口独立方案

  在进行控制面传输向用户面传输的转换时,最初标准定义的S1-U接口的F-TEID和S11-U接口的F-TEID为同一个值,并未考虑部分运营商在现网部署当中S1-U接口和S11-U接口可能分属于两个承载网的情况。

  为了满足控制面和用户面的转换要求,同时避免对承载网进行调整,并保持两个网络的隔离状态,则需对用户附着,切换以及跨MME的TAU的相关信令流程进行修改以使其能够同时携带不同S1-U SGW F-TEID和S11-U SGW F-TEID。MME收到这两个F-TEID之后保存下来,并在需要进行传输优化方案的切换时,能够发送给服务网关(S-GW)供其使用。

  2.1.3 IP头压缩

  在移动物联网的业务当中,小数据包业务占有相当的比例,此时,IP包头要求的资源开销就尤为明显,但如果采用IP包头压缩技术就可以有效地降低此类开销。若移动物联网终端采用控制面优化传输方案,UE执行上行IP头压缩,MME执行上行解压缩功能;与之相反,对于下行数据,MME执行下行IP头压缩,UE执行下行解压缩功能。如果终端采用用户面优化方案进行传输,IP头压缩和解压缩功能分别在终端和eNodeB上实现。

  低功耗技术是移动物联网的一项重要技术,它不仅可以减少不必要的信令交互,节约无线空口资源,还可以降低功耗,提高终端的续航能力。目前物联网中的节电技术主要包括PSM技术和eDRX技术。

  图6 PSM时序示意图

  图7 eDRX时序示意图

  图8 SMSC短信缓存流程

  图9 基于NB-IoT类型的拥塞控制

  2.2.1 PSM/eDRX增强

  (1)PSM技术

  PSM技术即省电模式技术,其原理是终端进入空闲态后会触发T3324定时器。如果定时器超时后仍没有上下行的数据交互,移动物联网终端就会关闭射频模块。T3324定时器由MME通过附着完成消息下发给终端,MME获得T3324定时器的途径包括终端上报,MME本地配置或HSS签约。虽然终端的射频模块被关闭,核心网侧仍会保留用户上下文,当用户主动进入空闲态/连接态时无需再进行附着或PDN连接建立。

  (2)eDRX机制增强技术

  eDRX技术即延长型的非连续接收技术,可以认为是对DRX技术的增强。此技术通过将DRX周期延长到10.24秒以上,有效地降低了频繁接收和发送网络数据所带来的功耗。eDRX技术虽然增加了接收的时延,但是网络侧在一个可预期的周期性时间内仍可通过发起寻呼的方式完成网络与终端之间交互的,这也是eDRX技术与PSM技术的最大区别。

  2.2.2 节电模式下的短信缓存

  节电技术PSM和eDRX的引入给现有的技术和网络带来一定的影响,例如下行短信不可达的问题。由于PSM状态下用户的下行不可达时间大于短信缓存的时长72小时,这样会导致短信下送的失败率大大增加。

  为了解决此问题,网络侧需要使用短消息中心(SMSC)对短信进行暂时缓存:MME在收到MSC下发的SGs Paging消息后,若发现移动物联网用户暂时不可达,则通知MSC网元此用户暂时不可达;MSC发送失败上报消息(Failure Report)给SMS-GMSC,SMS-GMSC向HSS/HLR订阅UE可达时的消息通知;MME在寻呼窗口到来前寻呼UE,寻呼成功后需向HSS通知UE可达,HSS发送Alert-SC到短消息中心(SMSC),短消息中心(SMSC)重传下行短信。此方案可提高节电模式下短信发送的成功率。

  2.3.1 拥塞控制

  若大量移动物联网用户采用控制面优化方案传输时,终端请求接入网络或发送请求网络服务的Control Plane Service Request消息可能会突然呈现爆发式增长,由于用户数据是通过NAS消息与正常NAS信令一起传输,因此可能会导致传输链路发生拥塞,甚至影响正常信令的传输,给网络的运行安全带来影响。

  MME支持基于NB-IoT接入类型的NAS拥塞控制,包括控制新用户接入以及请求网络服务的消息。MME判断网络拥塞后会在发送的attch reject或CPRS reject中携带back-off timer信元,且back-off timer信元的值应当离散化以降低并发的接入量,UE收到back-off timer后待定时器超时后尝试重新发送请求。

  此方案降低了核心网发生拥塞的概率,并提高了网络的可靠性。

  2.3.2 短信机制优化

  移动物联网大量设备的联合附着会给MSC网元带来扩容的压力,因此可按需对特定用户进行联合附着,而非所有的移动物联网用户。在现网应用中可对联合附着流程进行优化,避免不必要的容量浪费。

  主要的联合附着流程如下:

  · 物联网终端发起联合附着请求,Attach Type为EPS attach,同时Additional update type为SMS only;UE进行EPS附着的相关流程;

  · MME通过Update Location Request消息向HSS请求终端的相关签约信息,HSS通过Update Location Answer消息返回签约信息;

  · MME基于IMSI或MSISDN号段判断该终端需不需要短信业务,若不需要通过SGs接口进行联合附着,则直接返回Attach Accept,其中Attach Result信元为EPS only;若需要进行联合附着,则MME按照正常联合附着流程向MSC等网元发起联合附着流程。

  2.4 能力开放

  面向物联网业务涉及的终端节电、终端移动性事件监控、会话管理等业务诉求,面向物联网设计了网业分离的能力开放架构,将运营商独有的网络能力与业务运营解耦,SCEF能力平台负责抽象、汇聚和封装网络侧能力,连接管理平台负责业务接入和签约管理,两者协同将终端移动性能力、会话能力、参数配置能力、操作维护能力等开放给物联网服务提供商,丰富移动物联网的业务内容。

  图10 MME基于号段有选择地进行联合附着

  3、核心网的演进技术

  移动物联网核心网的技术演进以功能增强和向下一代网络演进为方向。结合现网应用可能存在的问题和当前技术的不足,功能增强主要考虑以下几个方面:

  (1)移动性增强,即针对控制面优化方案和数据面优化方案的跨区移动时的链路重建立功能;

  (2)定位增强,即在NB-IoT核心网中复用大网中的定位服务功能,并针对NB-IoT网络的业务特点进行了相应增强;

  (3)覆盖增强的签约功能,覆盖增强功能虽然是NB-IoT的一个重要功能,但却会占用大量的网络资源,因此有必要对相关用户通过签约进行控制;

  (4)QoS控制,随着控制面优化方案在NBIoT中被大量使用,基于控制面优化方案进行差异化的QoS控制也是非常有必要的。

  面向下一代网络的演进,需考虑现有NB-IoT和5G mIoT之间业务能力的继承、NB-IoT核心网和5G网络的共存和演进关系,以及物联网新业务能力的满足等三大方面。

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