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NB-IoT传输方式可分为三类

2020/2/22 18:31:16      点击:
NB-IoT传输方式可分为三类:控制面传输、用户面传输和短消信传输。下面将针对这三类传输方式展开介绍。
  1、控制面传输


  由于CIoT终端大部分时候都是小包传输,并且发包间隔较长,为了节省开销,提出了控制面数据传输方案。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NAS协议数据单元(PDU)中传输,无须建立数据无线承载(DRB)和基站与S-GW之间的S1-U承载,节省了终端和系统的开销,简化了终端和网络的实现,节省了端到端各网元的成本。


控制面数据传输是通过RRC、S1-AP协议进行NAS传输,并通过MME与S-GW之间,以及S-GW与P-GW之间的GTP-U隧道来实现。对于非IP数据,也可以通过MME与SCEF之间的连接来实现。


当采用控制面优化时,MME应支持封装在NAS PDU中的小包数据传输;并通过与S-GW之间建立S11-U连接,完成小包数据在MME与S-GW之间的传输。


对于IP数据,UE和MME可基于RFC4995定义的ROHC框架执行IP头压缩。对于上行数据,UE执行ROHC压缩器的功能,MME执行ROHC解压缩器的功能。对于下行数据,MME执行ROHC压缩器的功能,UE执行ROHC解压缩器的功能。通过IP头压缩功能,可以有效节省IP头的开销,提高数据传输效率。


控制面传输主要通过在信令消息中进行数据传输,直接将数据包含在NAS(非接入层)信令消息中进行传输,不需要进行用户面建立,控制面传输信令流程如下图。
详解NB-IoT传输方式一
NB-IoT控制面传输信令流程
  1~2步:P-GW发送下行数据给S-GW,并通知MME。


3~4步:MME发起对UE的寻呼过程。


5~6步:UE进行RRC连接过程,将UE从idle态变为connect态,同时建立S1连接。


7~10步:MME完成与S-GW的用户面建立过程,S-GW完成与P-GW的用户面建立过程。


11~14步:S-GW将数据通过用户面发送到MME,MME通过NAS消息将数据发送到UE。


15~18步:UE将上行数据通过NAS消息发送到MME,MME通过用户面将数据发送到P-GW。


19~20步:进行RRC连接及S1连接的释放。
  2、用户面传输


  为了使空闲态用户快速恢复到连接态,并减少终端和网络交互的信令,提出了用户面数据优化传输方案。


终端从连接态进入空闲态时,eNodeB通过Connection Suspend流程挂起RRC连接,eNodeB存储该终端的AS信息、SlAP关联信息和承载上下文,终端存储AS信息,MME存储该终端的S1AP关联信息和承载上下文。


当终端处于空闲态时,如果终端有上行数据需要发送,或者收到网络的寻呼信令,终端将发起Connection Resume流程,快速的恢复UE和eNodeB之间的RRC连接,以及eNodeB和MME之间的S1连接,而无须使用Service Request流程来建立eNodeB与UE间的接入层(AS)上下文。


为维护UE在不同eNodeB间移动时用户面优化数据传输方案,eNodeB上挂起的AS上下文信息应通过X2接口在eNodeB间传送。


用户面传输过程通过优化现有传输方式,终端需要传输数据时,需要分为两个过程:一个是挂起流程,另一个是恢复流程。


(1)挂起流程


终端与网络建立好接入层(Access Strautm,AS)信息后,基站发起挂起流程后,UE存储相关的AS层信息,如:承载信息及安全信息,基站存储相关的AS信息及S1AP的关联信息。UE进入Idle状态相关存储的信息不删除,进行恢复时不需要重新进行这些相关信息的建立,直接进行恢复。用户面传输挂起流程如下图。
详解NB-IoT传输方式二
NB-IoT用户面传输挂起信令流程
  具体流程解释为:


1步:基站eNodeB向MME发送S1 UE去激活背景请求。


2-3步:MME与S-GW之间进行释放接入承载,释放S1-U承载信息。


4步:MME向基站回复S1 UE去激活背景响应。


5步:MME向UE发送RRC连接挂起消息,UE进入空闲态。


(2)恢复流程


终端与网络挂起后,终端需要发送数据时,直接发起恢复流程,终端和基站直接进行相关信息的恢复,不再需要重新进行承载建立及安全信息的重协商。直接进行恢复加快了恢复速度同时节省了信令。用户面传输恢复流程如下图。
详解NB-IoT传输方式三
NB-IoT用户面传输恢复信令流程
  具体流程解释为:


1-2步:UE发送随机接入,发起RRC连接恢复。


3-4步:基站与MME间进行S1 -AP UE上下文激活。


5步:RRC连接重配置。


6步:上行数据发送。
  3、控制面与用户面传输并存


  控制面板方案适合传输小包数据,而用户面方案适合传输大包数据。当用户采用控制面方案传输数据时,如果有大包数据传输需求,则可由终端或者网络发起由控制面方案到用户面方案的转换,此处的用户面方案包括普通用户面方案和优化的用户面方案。空闲态用户通过Service Request流程发起控制面到用户面方案的转换,MME收到终端的Service Request后,需删除和控制面方案相关的S11-U信息和IP头压缩信息,并为用户建立用户面通道。


连接态用户的控制面到用户面方案的转换可以由终端通过Control Service Request流程发起,也可以通过MME直接发起。MME收到终端Control Service Request消息,或者检测到下行数据包较大时,删除和控制面方案相关的S1-U信息和IP头压缩信息,并为用户建立用户面通道。
  4、Non-IP数据传输


  为了支持更多的物联网应用,适配更多的数据传输格式,CIoT引入了对Non-IP数据传输的支持。Non-IP数据是非IP结构化的数据,数据包的格式可以由终端和应用服务器之间自定义,网络为其提供传输的通道和路由。在核心网侧,目前存在经过SCEF的Non-IP数据传输和经过P-GW的Non-IP数据传输两大方案。


经过SCEF实现Non-IP数据传输方案,基于在MME和SCEF之间建立的指向SCEF的PDN连接,该连接实现于T6a接口,在UE附着时,UE请求创建PDN连接时被触发建立。UE并不感知用于传输Non-IP数据的PDN连接是指向SCEF的还是指向-P-GW的,网络仅向UE通知某Non-IP的PDN连接使用控制面优化方案。


在T6a接口上,使用IMSI来标识一个T6a连接/SCEF连接所归属的用户,使用EPS承载ID来标识SCEF承载。在SCEF和SCS/AS间,使用UE的External Identifer或MSISDN来标识用户。


经过P-GW的Non-IP数据传输,目前存在两类传输方案:一种是基于UDP/IP的PtP隧道方案,另一种是其他类型的PtP隧道方案。无论是用户面优化的数据传输还是控制面数据传输,都可以使用SGi接口的non-IP数据传输方式。在PDN连接建立的时候,P-GW根据预配置的信息决定使用什么传输方案。


(1)基于UDP/IP的PtP隧道方案


1)在P-GW上,预先配置AS的IP地址,如以APN为粒度进行配置。


2)UE发起附着并建立PDN连接后,P-GW为UE分配IP地址(该IP不返回给UE),并建立(GTP隧道ID,UEIP)映射表。P-GW不会同时分配IPv4和IPv6地址,而是只会分配一个地址。


3)对于上行数据,P-GW收到UE侧的Non-IP数据后,将其从GTP隧道中剥离,并加上IP头(源IP为P-GW为UE分配的IP,目的IP为AS的IP),然后经由IP网络发往AS。


4)对于下行数据,AS收到Non-IP地方数据,使用P-GW为终端分配的IP和3GPP定义的为non-IP传输定义的UDP端口对进行UDP/IP封装。P-GW解封装(删除UDP/IP头)之后在3GPP的GTP隧道中传输。


(2)基于其他类型的PtP隧道方案


SGi的PtP隧道还支持例如PMIPV6/GRE、L2TP、GTP-C/U等。基本的实现机制如下:


1)在P-GW和AS之间建立点到点的隧道,根据PtP隧道类型的不同,可能建立的时间不同:可以在附着的时候建立,或者等到第一次发起MO数据的时候建立。P-GW根据本地配置选择合适的AS,可以基于APN粒度,或者基于AS支持的PtP隧道类型。P-GW不需要为UE分配地址。


2)对于上行non-IP数据,P-GW在PtP隧道上将non-IP数据发送给AS。


3)对于下行non-IP数据,AS需要根据一个索引来定位对应的SGi PtP隧道(可以是UE的标识),并将下行数据发送给P-GW,P-GW收到后在3GPP的GTP隧道中传输。
  5、短消息传输


  核心网为CIoT终端提供短消息业务存在以下两种技术方案:即基于SGs接口的短消息方案或基于SGd接口的短消息方案,而核心网提供短消息业务的技术方案对UE来说是不可见的。不管采用哪种方案,CIoT终端在请求短消息业务可以仅使用EPS域附着或TAU流程,而无须使用传统CSFB方案中的联合EPS/IMSI附着或TAU流程。


1)基于SGs接口的短消息方案,采用传统CSFB网络架构,MME通过与MSC间的SGs接口,将短消息业务交由MSC进行控制,而MSC到HSS/HLR和SMS-SC的接口及信令流程与传统CSFB短消息业务处理机制相同。


2)基于SGd接口的短消息方案,MME直接执行短消息业务的控制和处理,通过MME与HSS间的S6a接口,MME接收到用户短消息签约信息:通过MME与SMS-SC间的SGd接口,MME直接与SMS-SC进行短消息的收发操作;通过HSS与SMS-SC间的S6c接口,SMS-SC获取处理被叫短消息业务所需路由信息。


NB-IoT对于短消息有一定的修改,主要包括两部分:


1)在LTE下终端如果需要注册短消息功能,需要在attach过程中发起联合附着过程(combined EPS/IMSI attach);而在NB-IoT下只需要进行EPS attach过程,降低终端实现复杂度。


2)增加MME与SMSC之间的直接接口SGd,MME与SMSC间直接传送短信,不经过MSC中转。