一. NB总体网络架构
 NB-IoT端到端系统架构如下图所示:

终端:UE(User Equipment),通过空口连接到基站(eNodeB(evolved Node B , E-UTRAN 基站))。
无线网侧:包括两种组网方式,一种是整体式无线接入网(Singel RAN),其中包括2G/3G/4G以及NB-IoT无线网,另一种是NB-IoT新建。主要承担空口接入处理,小区管理等相关功能,并通过S1-lite接口与IoT核心网进行连接,将非接入层数据转发给高层网元处理。
核心网:EPC(Evolved Packet Core),承担与终端非接入层交互的功能,并将IoT业务相关数据转发到IoT平台进行处理。概括说明不全面,详细见下文。
平台:目前以电信平台为主。
应用服务器:以电信平台为例,应用server通过http/https协议和平台通讯,通过调用平台的开放API来控制设备,平台把设备上报的数据推送给应用服务器。平台支持对设备数据进行协议解析,转换成标准的json格式数据。
二. 网络结构细化
2.1 结构框图
        将上图EPC部分进行细化,如下:

MME:Mobility Management ,移动性管理实体(一个信令实体),接入网络的关键控制节点。负责空闲模式UE的跟踪与寻呼控制。通过与 HSS(Home Subscribe Server,归属用户服务器) 的信息交流,完成用户验证功能。
SCEF:Service Cability Exposure Function ,服务能力开放单元,为新增网元,支持对于新的PDN类型Non-IP的控制面数据传输。
S-GW:Serving GW ,服务网关,负责用户数据包的路由和转发。对于闲置状态的UE,S-GW则是下行数据路径的终点,并且在下行数据到达时触发寻呼UE。
P-GW:Packet Data Network gateway ,PDN网关(分组数据网网关),提供UE与外部分组数据网络连接点的接口传输,进行业务上下行业务等级计费。
2.2 部分接口解释
X2接口
       X2接口用以再eNodeB和eNodeB之间实现信令和数据交互。在NB-IoT系统中,X2接口在基于R13的版本不支持eNodeB间的用户面操作,主要在控制面引入了新的跨基站用户上下文恢复处理。在用户面优化传输方案下,挂起的终端移动到新基站发起RRC连接恢复过程,携带先前从旧基站获得的恢复ID,新基站再X2接口向旧基站发起用户上下文获取流程,从旧基站获取终端在旧基站挂起时保存的用户上下文信息,以便在新基站上将该UE快速恢复。
S1接口
       S1接口的控制面用以实现 eNodeB 和 MME 之间的信令传递,S1接口的用户面用以实现 eNodeB 和 SGW 之间的用户面数据传输。在NB-IoT系统中,S1接口引入的新特性主要包括:无线接入技术(RAT)类型上报(区分 NB-IoT 或 E-TURAN接入)、UE无线能力指示(例如,允许 MME 通过下行NAS传输消息向 eNodeB 发送用户设备(UE)的无线能力)、优化信令流程支持控制面优化传输方案,以及为用户面优化传输方案在S1接口引入连接挂起和恢复处理等。(此段内容参考:NB-IOT 系统现状与发展 )
三. 传输方式
       首先,从传输内容看,可以传输三种数据类型:IP,Non-IP,SMS(短消息)。

由于单小区内 NB-IoT 的终端数量远大于 LTE 终端数,因此控制面的建立和释放次数远大于 LTE,例如 RCC 连接建立、释放等;另一方面,为了发送和接收很少字节的数据,终端从空闲态进入连接态消耗的网络信令开销远大于数据载荷本身;此外,基于 LTE/EPC 复杂的信令流程,对终端的能耗也带来了挑战。
       因此,从系统架构这个层面上看,控制面和用户面的效率都需要对 NB-IoT 做增强与优化。下面将 NB-IoT传输优化方案分为两种,控制面传输优化方案与用户面传输优化方案,分别进行说明。
        注:关于用户面与控制面,简单理解:控制面主要承载无线信令,负责 UE 接入、资源分配等;用户面主要承载用户数据。
3.1 控制面传输
       控制面数据传输方案针对小数据传输进行优化,支持将IP数据包、非IP数据包或SMS封装到PDU中进行传输,无须建立DRB(无线承载)和基站与S-GW间的S1-U承载。
       当采用控制面传输方案时,小包数据通过NAS信令随路传输到MME,并通过与S-GW间建立S11-U连接,完成小包数据在MME与S-GW间的传输。当SGW收到下行数据时,如果S11-U连接存在,SGW 将下行数据发给MME,否则触发MME 执行寻呼。
        这里得出在控制面传输方案下两个传输路径:
UE —— eNodeB —— MME —— S-GW —— P-GW 
UE —— eNodeB —— MME —— SCEF 
3.2 用户面传输
       用户面传输通过重新定义的挂起流程与恢复流程,使空闲态用户快速恢复到连接态,减少相关空口资源和信令开销。当终端从连接态进入空闲态时,eNodeB、核心网挂起暂存该终端的AS信息,S1AP关联信息和承载上下文,终端存储AS信息,MME存储终端的S1AP关联信息和承载上下文,有数据传递时快速恢复,不需要重新建立承载和安全信息的重协商。
       另一方面,小数据报文通过用户面直接进行传输时,需要建立S1-U和DRB。
3.3 流程框图

注1:MME——SCEF的控制面传输针对Non-IP模式,此种模式下资费规则需重新配置。Non-IP数据亦可通过PGW进行控制面或数据面传输,需建立SGi接口的PtP隧道。
        注2:图中用户面传输为数据传输流程示意,建立RRC连接以及挂起的信令通过 MME-SGW-PGW,具体信令流程后续写。

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