張科鋒

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基于NFV的NB-IoT核心網(wǎng)部署方案研究

張科鋒

中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司河南省分公司，河南 鄭州 450000

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）已進(jìn)入快速發(fā)展階段，根據(jù)其特點及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對NB-IoT核心網(wǎng)的專網(wǎng)部署優(yōu)勢、網(wǎng)元部署方案和虛擬化部署優(yōu)勢進(jìn)行了分析，給出了一個基于NFV技術(shù)的NB-IoT核心網(wǎng)部署案例，并對NB-IoT核心網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)行了展望。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化；部署策略

1 NB-IoT現(xiàn)狀及特點

當(dāng)前，人與人之間的連接趨于飽和，人和物、物和物的連接將成為新的增長點，一個強有力實現(xiàn)萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)的重要性愈加突出。2016年6月，3GPP宣布已完成NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)化，這意味著Release13中面向NB-IoT的核心協(xié)議已經(jīng)完成，促使NB-IoT的商用速度進(jìn)一步加快。據(jù)權(quán)威機構(gòu)預(yù)測，2018年物聯(lián)網(wǎng)終端總量會超過智能手機和電腦之和；2020年物聯(lián)網(wǎng)的連接量將達(dá)到數(shù)百億，產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到萬億美元。

NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)市場，是一種可以在全世界范圍內(nèi)得以應(yīng)用的新技術(shù)。它具備四大特點：一是廣覆蓋，在頻段相同條件下，NB-IoT相對于GSM網(wǎng)絡(luò)來說覆蓋可提高約20?dB；二是低功耗，NB-IoT引入eDRX省電技術(shù)和PSM省電模式，利用減少不必要信令和在省電模式不接收尋呼信息來實現(xiàn)省電目的，保障電池10年以上的使用壽命；三是海量連接，NB-IoT的上行容量比GSM、UMTS、LTE網(wǎng)絡(luò)有50～100倍的提升，其接入數(shù)可實現(xiàn)相應(yīng)倍數(shù)的提升；四是低成本，NB-IoT芯片可以做得很小，其成本降低，模塊的成本也相應(yīng)降低。

2 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究

2.1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)組成

根據(jù)3GPP協(xié)議，邏輯上NB-IoT由終端、無線側(cè)、NB-IoT核心網(wǎng)、應(yīng)用平臺等幾部分組成。

終端由支持NB-IoT的芯片和模組組成各式各樣的物聯(lián)網(wǎng)終端，以實現(xiàn)諸如智能停車、水務(wù)治理、智能抄表、智能制造、智能農(nóng)業(yè)等豐富的應(yīng)用。

無線側(cè)主要指支持NB-IoT的基站，它提供無線接入，作為傳輸通道需支持S1接口。

NB-IoT核心網(wǎng)主要涉及MME、SGW、PGW及HSS等，它需要支持NB-IoT用戶的接入，還需要支持eDRX/PSM等技術(shù)，以達(dá)到減少信令、降低功耗的目的。

應(yīng)用平臺包括：（1）連接管理平臺，提供基于SIM卡的卡管理、業(yè)務(wù)計費、資費策略配置等功能；（2）設(shè)備管理平臺，提供設(shè)備的接入與控制和不同類型設(shè)備的統(tǒng)一管控功能；（3）應(yīng)用支撐平臺，提供物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所需通用業(yè)務(wù)，如語音、短信、地圖、規(guī)則引擎等；（4）數(shù)據(jù)分析平臺，通過對設(shè)備行為進(jìn)行建模，從而運用大數(shù)據(jù)分析方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析服務(wù)。

2.2 NB-IoT核心網(wǎng)部署的關(guān)鍵因素

當(dāng)前，諸多運營商都在積極地開展NB-IoT的測試、試商用及商用。我們在部署NB-IoT核心網(wǎng)時，不僅要立足于當(dāng)前的分組核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和業(yè)務(wù)需求，還要在快速部署和節(jié)省投資的同時著眼于網(wǎng)絡(luò)的長期演進(jìn)，以滿足未來的需要。針對NB-IoT的特點，在部署NB-IoT核心網(wǎng)時重點考慮如下方面：在各省部署獨立的NB-IoT核心網(wǎng)還是與現(xiàn)有EPC網(wǎng)絡(luò)共用核心網(wǎng)；NB-IoT核心網(wǎng)網(wǎng)元是大區(qū)統(tǒng)一建設(shè)還是由各省獨立建設(shè)；網(wǎng)絡(luò)部署采用傳統(tǒng)的硬件設(shè)備還是虛擬化設(shè)備[1]。

3 NB-IoT核心網(wǎng)部署的策略研究

基于NB-IoT特點、組成和關(guān)鍵因素，選取以下3個方面對NB-IoT核心網(wǎng)的部署策略進(jìn)行探討。

3.1 NB-IoT核心網(wǎng)專網(wǎng)部署優(yōu)勢

在部署NB-IoT核心網(wǎng)時，按是否利用現(xiàn)有EPC分組核心網(wǎng)，有兩種可選方案。方案一：人物分離，新建專用的NB-IoT核心網(wǎng)；方案二；人物共用核心網(wǎng)，升級現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)。

方案一優(yōu)點：物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)對象多為行業(yè)用戶，需求差異性大，獨立建設(shè)利于滿足行業(yè)用戶多種業(yè)務(wù)需求；NB-IoT引入eDRX、PSM等技術(shù)，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)有較大差異；新建設(shè)備具備招標(biāo)優(yōu)勢，投資具有商務(wù)優(yōu)勢；新建專用核心網(wǎng)可采用NFV（Network Function Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）架構(gòu)，符合網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)趨勢，利于發(fā)揮NFV技術(shù)優(yōu)勢。方案一缺點：網(wǎng)元需要新建，實施周期長，機房資源配套需求較多。

方案二優(yōu)點：現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備功能升級，實施周期短；機房配套需求小。方案二缺點：物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)開通、業(yè)務(wù)特性需求與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)差異大，影響現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)；升級改造現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)元對業(yè)務(wù)影響大；基于現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行功能升級，商務(wù)議價空間??；功能升級基于傳統(tǒng)設(shè)備架構(gòu)，無法采用NFV架構(gòu)。

綜上所述，方案一的優(yōu)點多于方案二，建議采用方案一，專網(wǎng)部署NB-IoT核心網(wǎng)。

3.2 NB-IoT核心網(wǎng)虛擬化部署優(yōu)勢

在部署NB-IoT核心網(wǎng)時，按新建網(wǎng)元的設(shè)備類型分有兩種可選方案。方案一，新建基于傳統(tǒng)架構(gòu)NB-IoT核心網(wǎng)設(shè)備；方案二，新建基于虛擬化架構(gòu)NB-IoT核心網(wǎng)設(shè)備。

方案一優(yōu)點：現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)業(yè)成熟度高，穩(wěn)定可靠；建設(shè)人員對設(shè)備建設(shè)模式熟悉，建設(shè)速度快；維護人員對設(shè)備熟悉，與現(xiàn)有維護管理方式相同，維護便捷。方案一缺點：按照傳統(tǒng)采購周期，后期網(wǎng)絡(luò)擴容周期長，需要三個月至半年；不符合技術(shù)發(fā)展趨勢，未來短期內(nèi)仍存在采用虛擬化設(shè)備進(jìn)行替換的可能。

方案二優(yōu)點：擴容、減容便利為虛擬化的優(yōu)勢之一，網(wǎng)絡(luò)調(diào)整周期可以縮短為天級別，需要做好相應(yīng)的硬件資源規(guī)劃及管理編排規(guī)劃；產(chǎn)業(yè)已經(jīng)基本成熟，符合網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)、業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢；基于通用硬件的虛擬化建設(shè)給網(wǎng)絡(luò)帶來了更大的可能性，具有更強的戰(zhàn)略性意義。方案二缺點：技術(shù)新，各省對NFV設(shè)備的建設(shè)模式不熟悉，建設(shè)速度較慢；各省對設(shè)備不熟悉，與現(xiàn)有維護管理方式不盡相同，會引起維護體制變化。

綜上所述，盡管方案二暫時稍有不足之處，但是NB-IoT核心網(wǎng)的網(wǎng)元虛擬化符合網(wǎng)絡(luò)長期演進(jìn)方向，將為網(wǎng)絡(luò)適配業(yè)務(wù)帶來便利，建議采用方案二，逐步改變網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、運行維護模式，為未來的網(wǎng)絡(luò)部署探索打下基礎(chǔ)[2]。

3.3 NB-IoT核心網(wǎng)網(wǎng)元部署方案

在部署NB-IoT核心網(wǎng)時，PGW、HSS由總部統(tǒng)一設(shè)置，而新建MME/SGW的設(shè)置有兩種可選方案。方案一，MME/SGW分大區(qū)集中設(shè)置；方案二，MME/SGW由各省設(shè)置。

方案一優(yōu)點：網(wǎng)元少，配套資源需求少，初期業(yè)務(wù)部署上線速度快；便于實施針對行業(yè)用戶的定制化QoS需求；先期分大區(qū)部署三層解耦，利于積累經(jīng)驗，后期再全國推廣。方案一缺點：承載B網(wǎng)、IPRAN啟用新的物聯(lián)網(wǎng)S1接口VPN地址規(guī)劃，規(guī)劃復(fù)雜；S1接口跨省，故障定位、處理難度大。

方案二優(yōu)點：可以利舊各省現(xiàn)有分組核心網(wǎng)中已分配S1地址；故障定位、處理與現(xiàn)網(wǎng)類似。方案二缺點：網(wǎng)元多，初期業(yè)務(wù)部署上線速度慢，行業(yè)用戶定制化QoS需求數(shù)據(jù)維護量大；所有省份進(jìn)行三層解耦虛擬化部署，網(wǎng)元部署周期長，資源需求大；三層解耦仍有大量問題需要探索，全國一次性招標(biāo)到位，各省廠家份額基本定型，后期開展網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時處于被動地位。

綜上所述，考慮到網(wǎng)絡(luò)投資及風(fēng)險，在NB-IoT核心網(wǎng)建設(shè)初期，建議按方案一實施，后期根據(jù)各省業(yè)務(wù)拓展需求可按方案二實施。

4 基于NFV的NB-IoT部署案例

2017年4月，某省公司集團客戶部向網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部提出NB-IoT業(yè)務(wù)測試環(huán)境需求。鑒于此業(yè)務(wù)需求急，前期客戶和潛在客戶多，決定采取與測試條件具備情況較好廣東物聯(lián)網(wǎng)中心進(jìn)行對接來實現(xiàn)NB-IoT測試網(wǎng)絡(luò)的部署，待南京物聯(lián)網(wǎng)中心具備條件后再將用戶回遷。經(jīng)過多方努力，該省公司已于2017年7月實現(xiàn)基于NFV的NB-IoT測試方案部署，以下對該部署方案進(jìn)行簡要介紹。利用前期進(jìn)行三層解耦測試的中興虛擬化設(shè)備vMME、vSGW組成新建的省內(nèi)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)；現(xiàn)網(wǎng)eNodeB經(jīng)升級后支持NB-IoT功能并通過省內(nèi)IPRAN實現(xiàn)與中興vMME、vSGW的對接；河南vSGW與廣東PGW間S5接口，通過IP承載B網(wǎng)對接；河南vMME與廣東HSS間的S6a接口，通過IP承載B網(wǎng)，由武漢DRA轉(zhuǎn)接，在武漢DRA上配置MME及HSS上的河南NB號段數(shù)據(jù)。

該NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署組網(wǎng)圖如圖1所示：

圖1 某公司NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署案例圖

5 結(jié)束語

本文討論了NB-IoT的現(xiàn)狀、特點及網(wǎng)絡(luò)組成，重點分析了NB-IoT核心網(wǎng)的專網(wǎng)部署優(yōu)勢、NB-IoT核心網(wǎng)的虛擬化部署優(yōu)勢及NB-IoT核心網(wǎng)網(wǎng)元設(shè)置方案，并給出了一個在某省公司已經(jīng)實現(xiàn)的一個基于NFV的NB-IoT核心網(wǎng)部署案例。后續(xù)，隨著NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的大量試點和規(guī)?；逃靡约昂Ａ课锫?lián)網(wǎng)終端的接入，我們需要從NB-IoT的業(yè)務(wù)場景和業(yè)務(wù)模型方面，開展對NB-IoT網(wǎng)絡(luò)用戶面近端疏通、網(wǎng)關(guān)的控制面和用戶面的分離等的進(jìn)一步研究。

[1]3GPP. Study on architecture enhancements for cellular internet of things （release 13）： TR23.720 V13.0.0[S]. 2016.

[2]帥晶.基于NFV虛擬化的NB-IOT發(fā)展和部署研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016（11）：35-38.

Research on the Deployment Scheme of NB-IoT Core Network Based on NFV

Zhang Kefeng

China United Network Communications Corp. Henan Branch, Henan Zhengzhou 450000

The narrowband Internet of Things (NB-IoT) has entered a stage of rapid development. According to the characteristics and network architecture, special network deployment advantage of NB-IoT core network, network element deployment scheme and virtualization deployment advantages are analyzed, a NB-IoT core network deployment case based on NFV technology is given, and the further development of NB-IoT core network is discussed.

NB-IoT; network architecture; NFV; deployment strategy

TN915.01

A

1009-6434（2017）10-0020-03

張科鋒，畢業(yè)于西安郵電學(xué)院，本科學(xué)歷，現(xiàn)工作于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司河南省分公司。