移动运营商NB―IoT部署策略探讨
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摘要：为了探讨移动运营商nb-iot部署策略，针对NB-IoT的几种可行建网策略进行了对比分析，结合与欧洲高端运营商的交流总结，列举了现网升级和全新建网的优缺点，并给出了初期现网升级、中期虚拟化全新建网的建议方案。
关键词：NB-IoT 核心网 虚拟化
1 物联网NB-IoT现状分析
随着网络连接、云服务、大数据分析和低成本传感器等核心技术的突破，物联网已经从萌芽阶段步入迅速发展阶段。越来越多的行业，如汽车零部件、智能家电、车联网、电子抄表、智慧城市、远程医疗等开始认识到使用物联网技术提高效率带来的好处。比如飞利浦已经开发了多款电子医疗应用，包括一款供慢性病患者使用的贴片。贴片使用传感器实时收集患者健康数据，并传输到云平台，医护人员可以对数据进行监控，并适时采取医疗干预措施。
NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，基于蜂窝的窄带物联网）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180 kHz的频段，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本，实现平滑升级。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较多设备的高效连接，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。目前NB-IoT标准已经成熟，端到端产业链也在快速发展，从终端到系统以及应用整个行业都在积极推动产品成熟，预计明年初具备商用条件。3GPP协议中关于NB-IoT需要EPC核心网支持的功能有相对明确的描述，实际建网时运营商可以采用现网EPC升级方案，也可以采取全新建网方案，本文接下来将针对几种方案可行性及优缺点进行了分析对比。
2 NB-IoT核心网关键技术
2.1 非漫游场景NB-IoT网络架构
3GPP TS23.401标准中提出了针对现有EPS网络进行升级支持NB-IoT的组网架构，非漫游场景NB-IoT网络架构如图1所示。
NB-IoT无线通过S1接口连接核心网，针对NB-IoT特有的低速小报文，3GPP定义了C-SGN（CIoT Serving Gateway Node）融合简化EPC核心网。包括MME/SGW/PGW简化功能，另外针对NB-IoT业务特性做了功能优化。主要包括：控制面数据传输、安全流程、不需要联合附着、优化寻呼功能、支持SCEF接口、支持无PDN的附着连接等。
SMS-GMSC/IWMSC/SMS Router：短消息网关移动服务中心/短消息互通移动服务中心/短消息路由器，提供短消息中继和转发功能，使用于NB-IoT，不需要分配IP地址，直接通过消息类上报给业务服务器的场景。
SCEF（Service Capability Exposure Function，业务能力开发功能）模块，是3GPP定义的能力开放功能逻辑网元。SCEF能够把3GPP定义的网络接口提供的网元业务能力安全地开放给第三方业务提供商。SCEF可以部署在核心网侧，也可以作为智能IoT平台的一部分逻辑功能对外开放。
2.2 漫游场景NB-IoT组网架构
3GPP TS23.401标准中提出了针对现有EPS网络进行升级支持NB-IoT的组网架构，漫游场景NB-IoT网络架构如图2所示。
相对于非漫游场景下网络架构，漫游场景C-SGN通过S8接口与归属地PGW建立隧道，把业务送给业务服务器。同时引入互通SCEF，让拜访地SCEF把Non-IP报文通过T7接口传送给归属的SCEF，保证端到端数据安全。
2.3 端到端数据流
按照3GPP TS23.720的标准定义，NB-IoT主要用于传送低速率小报文，有IP数据、Non-IP数据和SMS数据传输三种典型方式。图3是NB-IoT终端到AS（Application Server，应用服务器）间端到端数据流示意图。
（1）IP数据
与LTE数据流一样，核心网C-SGN/EPC需要根据IP类型建立相应的PDN连接用来传输IP数据，传输路径和普通LTE终端一致。
（2）Non-IP数据
Non-IP数据的发送有两种方案，对应上图两条不同的路径。
1）路径一：可以基于新的逻辑模块SCEF传输，C-SGN/MME建立一条执行SCEF的控制面PDN连接，通过这条PDN连接，UE把Non-IP数据传送给应用服务器AS。
2）路径二：通过PtP（Point-to-Point）SGi隧道传输。
在UE进行PDN连接请求时，UE会指示Non-IP PDN类型。用户签约信息中有Non-IP类型缺省的APN。MME使用该缺省APN，用于首次接收Non-IP连接请求。MME基于本地配置策略，可以决定采用基于SCEF方案还是基于PtP SGi隧道方案来传输终端和应用服务器之间的Non-IP数据。
（3）SMS传输（Short Message Service，短消息服务中心）
用户和应用服务器之间的消息通过MME和SMS的SGd接口传输，该方案无线给终端分配IP地址。
3 NB-IoT部署策略
对于移动运营商来说，可以利用现网EPC核心网升级改造快速部署NB-IoT业务，也可以全新单独建设一套独立的NB-IoT核心网，隔离传统移动业务和NB-IoT业务。下面分别详细描述两种方案的组网架构以及对移动核心网的要求影响。
3.1 现网升级改造
根据3GPP定义的NB-IoT功能和网元特性，运营商可以通过软件升级现网EPC核心网实现快速部署NB-IoT业务。专有NB-IoT无线接入升级改造后的融合网元，包括MME、SGW、PGW、HSS网元都需要升级改造以支持NB-IoT特有功能。
图4是现网核心网升级改造的网元架构示意图。
该方案的优点是初期投资少，见效快。但是缺点也比较明显：
（1）升级现网影响传统业务体验；
（2）融合网元影响现网容量；
（3）传统现网对新业务开放能力支持有限。
3.2 建设专有核心网
相对于传统网络升级改造，运营商按照3GPP定义的架构新建一套完整的NB-IoT核心网，对未来NB-IoT的新应用引入会更加灵活，支持的功能更强大。
图5是新建NB-IoT专有核心网的网络架构示意图。
运营商新建一套NB-IoT核心网C-SGN，包括针对NB-IoT标准定义的简化MME/SGW/PGW特有功能。C-SGN可以基于传统硬件，也可以基于虚拟化平台。
该方案的优点包括：
（1）独立建网不影响现网传统业务；
（2）符合标准架构后续演进更方便；
（3）采用最新IT技术，虚拟化平台更灵活地部署和引入新业务。
下面章节简单介绍下基于IT技术的虚拟化核心网架构。
4 虚拟化技术的应用
4.1 核心网虚拟化概述
ETSI（European Telecommunications Standards Institute，欧洲电信标准化协会）组织下正式成立网络功能虚拟化工作组（ETSI ISG NFV），致力于实现网络虚拟化的需求定义和系统架构制定。ETSI NFV工作组的主要目标是实现各网元在开放的IT平台上实现功能集虚拟化，以更低的成本、更灵活的运营应对移动互联网时代灵活多变的业务动态需求，并摆脱对厂家专有硬件系统和封闭软件平台的依赖。
由于网络虚拟化NFV技术颠覆了传统电信封闭平台的思想，引入灵活弹性部署资源管理等理念，因此，ETSI NFV提出了全新通用的NFV架构，NFV概念架构如图6所示：
NFV架构主要包括三部分：NFVI（NFV Infrastructure，网络功能虚拟化基础设施）、VNF（Virtualized Network Function，虚拟网络功能）和NFV MANO（Management and Orchestration，管理与编排）。
（1）网元功能由软件实现，运行在虚拟化基础设施NFVI之上，通过虚拟机实现传统移动网元逻辑实现。
（2）虚拟化基础设施包括虚拟计算、虚拟存储、虚拟网络，通过虚拟化层对计算、存储和网络硬件资源与其相应的虚拟化资源的调度，支持VNF的资源调用。
（3）虚拟化管理和编排功能在NFV框架中集中了所有虚拟化相关的管理编排功能，实现对资源的管理、对网络业务编排、对物理和软件资源和虚拟化网络功能生命周期管理等。
除了ETSI之外，3GPP俗甲橹也积极推动核心网虚拟化标准研究和定制。3GPP SA第69次全会上批准了版本13中的SA5技术报告（TR）32.842《虚拟网络网络管理研究》，着眼于NFV-MANO（管理和编配）对3GPP管理系统的潜在影响，主要集中研究基于ETSI NFV架构框架、移动核心网的管理功能和解决方案，重点研究了管理概念，包括虚拟网络功能在内的移动网络架构和要求（TS 28.500）、虚机和网元的生命周期管理、配置管理、故障管理和性能管理等。
4.2 虚拟化核心网进展
如图7所示，按照业界共识，虚拟化一般被分成四个阶段，分别是：
（1）第一阶段软硬件解耦；
（2）第二阶段网络虚拟化；
（3）第三阶段网络开放可编程；
（4）第四阶段全开放能力创新。
第一步是软件解耦，把软件的功能从基础部分当中抽离，各功能软件模块采用通用硬件平台，通过一系列的工作有效地降低运营成本，提升运营效率，可以把平台进行标准化，减化维护，同时降低管理的费用。把特性的开发变成软件开发的一部分，因为现在的开发是放在软件当中而不是硬件，所以这样做可以缩短产品周期。
第二个阶段开始利用虚拟技术完成一些共享基础架构的工作，引入网络编排器管理网络的功能。通过云化编排管理，进行自动部署、自动缩扩容、自动生命周期的管理。管理的方式可以对网络功能进行灵活地隔离和部署，对资源的利用率和密度更高，可以降低架构的负载。此外也可以对整个架构进行快速地扩展和缩减，并能对不同的客户需求做出反应。
第三个阶段是提供第三方开放的API接口，把虚拟化平台开放给第三方可编程。第三方应用可以方便地通过插件及标准接口集成进来，更好地引入新业务。同时集成SDN优化网络能力，真正启用业务链，按照业务需求自动调整网络能力。
第四阶段是全开放能力创新。通过引入大数据自动分析工具，第三方全开放平台实现能力创新。将单一的网络功能分解成基础模块，服务就在云端被分解为微服务，这些都是公共的服务。比如之前不应当将这些功能进行集合性的使用，在云层当中功能自身变得越来越简单，可以集中在想实现的资源和功能中，也就是说功能是为云建造的，也是能进行分解使用的，对APP开发者开放。人们能真正地将服务分解，不止运营商或者系统服务商，而是每个使用APP的人都可以分解这个服务。
PaaS（Platform-as-a-Service，平台即服务）平台作为一种服务，利用IaaS的基础架构，引入平台自动部署、自动配置、自动缩扩容等功能。现代化的Paas平台通过操作系统、容器以及开发工具协调器和自动变牌器，实现自动操作和安全，提高开发人员的生产力，极大地提高了时间价值。
所以NB-IoT的能力开发平台基于开放的核心网虚拟化PAAS平台架构，可以更方便地引入第三方应用。
基于虚拟化架构、标准EPC与NB-IoT共平台架构如图8所示。
运营商可以基于统一的电信云，在4G个人业务、企业应用的虚拟化NFVI架构上，通过网络切片技术，为NB-IoT业务场景快速部署专有虚拟化C-SGN、SCEF网元以及第三方开放的AS业务服务器，提供面向未来的个性化差异化特色应用。
5 结束语
未来社会全新的工业自动化、人工智能、智慧城市、智能生活、自动驾驶等新技术，都要求网络无处不在，网络能力按需自动编排提供。NB-IoT是市场驱动和技术驱动相结合的产物，业务特性与终端要求与传统移动互联网业务都有很大不同。核心网虚拟化技术、软件部署灵活性及开放主导的架构设计非常符合物联网生态圈中服务快速提供，业务灵活定制和安全隔离，规模平滑扩容等业务生产和发展模式需求。而运营商如何能够依托现网，采取面向未来的新业务，快速部署新技术，是业界参与者都需要思考的问题。为了尽快推动NB-IoT的成熟和规模商用，通过与欧洲高端运营商的交流，发现各方都希望初期通过现网EPC/eNodeB的快速升级进行功能测试验证，推动产业成熟商用。初期小规模商用时可以采取现网升级的临时方案，等待端到端功能验证测试通过，在产业链特别是业务服务器侧提供丰富的差异化服务后，随着虚拟化的成熟和普遍应用，再逐步从传统网络转型升级到全新的虚拟化平台，实现更灵活的NB-IoT业务应用。
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