NB-IoT网络架构

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。

       有关功耗模式及寻呼下篇再写，物理层帧结构及上下行链路部分仍需再多看会儿。

       有误望指正。