2G物联网用户转网核心网解决方案研究

吴 昊，孙成虎，陶选如（北京电信规划设计院有限公司，北京 100048）

1 2G物联网转网背景

2G网络设备在网运行时间已超过十年，设备老化严重，厂家停服及缺乏备品备件等因素对网络安全造成极大影响。尽管运营商在加快2G用户向4G用户的迁移，但因现网存在大量的2G 物联网终端，极大影响2G退网进度，也无法为5G腾退频谱资源。

2020 年5 月7 日，工业和信息化部发布《工业和信息化部办公厅关于深入推进移动物联网全面发展的通知》，要求推动2G/3G 物联网业务迁移转网，建立窄带物联网（NB-IoT）、4G（含LTE Cat1，即速率类别1 的4G 网络）和5G 协同发展的移动物联网综合生态体系，在深化4G 网络覆盖、加快5G 网络建设的基础上，以NB-IoT 满足大部分低速率场景需求，以LTE Cat.1 满足中等速率物联需求和语音需求，以5G技术满足更高速率、低时延联网需求。要求推动NB-IoT网络的广度及深度覆盖，引导新增物联网终端向NB-IoT 和LTE Cat1迁移，以NB-IoT 与LTE Cat1协同承接2G/3G 物联连接，提升频谱利用效率。在保障存量物联网终端网络服务水平的同时，引导新增物联网终端不再使用2G/3G网络，推动存量2G/3G物联网业务向NB-IoT/4G（LTE Cat1）/5G网络迁移。

国家政策的指导及近年来NB-IoT、LTE Cat1 模组价格的进一步降低，为2G物联网用户的转网提供了有力支撑。原来主要为公众业务服务的核心网需基于物联网业务特性，对业务流程及网络结构进行优化，对数据传送方式进行改造。

2 2G物联网业务分析

根据Counterpoint 公司提供的数据，到2025 年，2G连接占比将从2018年的42%降为0；NB-IoT 连接占比将从2018 年的4%提升到45%；2G/3G 物联网连接数已接近忽略不计，因此在蜂窝物联网连接方式代际迁移过程中，原有2G/3G 连接就只能由NB-IoT 和4G 来承接。其中，低频、小包、低移动性、时延敏感性低但对于成本敏感性较高的场景，可以通过NB-IoT 来承接；中速率、对时延和移动性有一定要求、支持语音以及成本有一定承受能力的场景，可以通过LTE Cat1 来承接。

物联网的应用场景可以大致分为3类。

一是车联网、视频监控类的高速业务，下行传输速率在10 Mbit/s 以上，终端等级要求为LTE Cat4、6 以及5G，此类业务占比为10%。

二是以智能穿戴设备、移动金融及物流类的中低速业务，传输速率低于10 Mbit/s，终端等级要求为LTE Cat1、eMTC等，此类业务占比为30%。

三是以环境监测、智能停车、表具等低频低速数据采集类业务，传输速率小于100 kbit/s，终端等级要求为NB-IoT，此类业务占比为60%。物联网业务分布如图1所示。

图1 物联网业务分布

在3GPP 定义的终端等级中，相比于LTE Cat4 的普通LTE 终端，Cat0、Cat1、eMTC 及NB-IoT 因在天线数量、双工模式等方面采取了简化措施，降低了终端的功耗，更加节电，更适合于物联网的应用。终端等级对比如表1所示。

表1 终端等级对比表

对于2G物联网用户，主要应用场景为传输速率小于100 kbit/s的低频、低速数据采集类业务和传输速率低于10 Mbit/s的中、低速业务。NB-IoT 的低功耗特性使其成为低频、低速数据采集类业务的首选技术。对于具有移动性的中、低速业务，LTE Cat1 比LTE Cat0和eMTC 有速率优势，同时LTE Cat1 可以无缝接入现有LTE 网络，无需对基站进行软、硬件的升级，网络覆盖成本很低，现网投资小。而eMTC 需要在现网的FDD900 或FDD1800 上重新规划一段频率资源，基站和核心网都要软件升级，LTE Cat0的各项性能与eMTC差别不大，在功耗方面也不占优势，因此，中、低速率且有语音业务需求的物联网场景更适合采用LTE Cat1技术。

现网2G 物联网业务主要包括车联网、能源行业、金融行业、家电制造及智能可穿戴等。依据各类业务对移动性、数据传输速率、数据传送频度等要求的不同，可将业务迁移至不同的终端类型。现网2G物联网用户迁转策略如表2所示。

表2 现网2G物联网用户迁转策略

3 核心网优化方案

不同于公众业务，2G 物联网业务在终端节电、数据传输、接入控制等方面有特殊要求，因此，为应对2G物联网用户的迁移，核心网侧需进行针对性优化。

3.1 节电技术

对于低移动性、低频发送数据的物联网终端（如智能抄表、环境监测、智能停车等），主要采用电池供电，如果采用现网的位置更新及寻呼模式会缩短终端电池寿命，如果此类终端数量增长较快还会增加网络的信令负荷。采用PSM 模式和eDRX 模式可降低终端与网络交互的频度，达到节电目的。采用PSM 模式和eDRX 模式是NB-IoT 终端节能省电、延长电池寿命的主要手段。

3.1.1 终端省电PSM模式

PSM 模式相当于终端处于一个“休眠”模式，不接受下行业务和寻呼请求。处于省电PSM 模式的UE 的接收机一直处于关闭状，空口接入层的功能被停止，不监听空口寻呼信道。PSM 适合于低频、周期性、延时不敏感小包，有非常高的节电要求的应用，如只有电池供电的气表/水表等，一天只需要上报一次数据，PSM 为UE、MME 协同实现的方案。PSM 原理示意如图2所示。

图2 PSM原理示意图

PSM 的业务流程：UE 和MME 通过NAS 消息协商一个激活计时器（Active Timer ——T3324，0～255 s），该计时器在UE转为空闲态后启动。当Active Timer超时后，MME 判定UE 进入PSM，拒绝下行业务和寻呼；在UE 侧，该Timer 超时后，UE 关闭接入层（AS）功能（如小区选择等）进行省电，这样UE 和网络关于UE 进入省电模式的信息是同步的。

进入PSM 模式后，只有在需要发送MO 数据，或者周期TAU/RAU 定时器（T3412）超时后需要执行周期TAU/RAU 时，UE才会退出PSM 模式。即使UE移动导致TA/RA 变化，也不会退出PSM 模式，网络侧可以通过配置周期TAU/RAU 定时器时长来控制UE 在PSM模式的时间，但为了UE 省电和降低对网络的信令负荷，周期TAU/RAU定时器不会设置得很小。

3.1.2 NB-IoT eDRX 模式

在传统网络中，为了节省功耗终端可以使用DRX技术，在一个DRX 周期，终端只在寻呼时刻监控寻呼指示信道，其他时刻终端是不监控寻呼指示信道的，这样就节省了终端的功耗。由于传统网络要兼容终端低功耗和业务及时性要求，所以在传统网络中这个DRX周期最大为2.56 s。

为了适应物联网更低功耗、时延更不敏感的业务，3GPP 在R13 版提出了eDRX 技术，通过扩展现有DRX 周期，eDRX 周期可以达到分钟及小时级别（eDRX 周期为10.24 s～10.24 s×210，最大约为2.913 h），达到终端既省电又满足一定时延的应用要求（例如手环、跟踪、街灯控制等交互式应用），在省电和时延之间取得平衡。DRX 及eDRX 原理示意图如图3 所示。

图3 DRX及eDRX原理示意图

和PSM 模式相比，eDRX 模式可大幅度提升下行可达性。根据应用业务的时延容忍度，结合运营商的要求，合理设置eDRX 周期。根据协议推荐，对时延要求高的应用业务，如穿戴设备，建议eDRX 周期设置为1～30 s。对时延要求不高的应用，建议设置周期为1～30 min。

3.2 传输优化

针对NB-IoT终端数据具有收发频率低、数据包较小的特点，核心网提供了控制面优化功能CP-CIoT（Control Plane CIoT EPS Optimization）、用户面优化功能UP-CIoT（User Plane CIoT EPS Optimization）、Non-IP数据传输方案。

3.2.1 控制面优化功能CP-CIoT

控制面优化功能，又称Data over NAS，该方式不需要建立空口侧无线数据承载，上下行数据包在终端和MME 之间通过NAS 消息传递，在MME 和S-GW 间通过S11口传递。

终端在Attach Request/TAU Request 消息中携带UE network capability 信 元 和Additional update type 信元，指示终端是否支持CP-CIoT 数传方式。当MME 也支持用户面传输方式时，MME 与SGW 间创建S11-U接口的用户面承载。MME 通过Downlink NAS Transport 消息将Attach Accept/TAU Accept 消息直接传递给终端，并告知终端使用CP-CIoT 数传方式传输数据。后续上下行数据包通过信令面进行传输。CP-CIoT 数传方式提升了数传效率，节省不必要的信令开销。CP-CIoT原理示意图如图4所示。

图4 CP-CIoT原理示意图

3.2.2 用户面优化功能UP-CIoT

用户面优化功能，又称UP-CIoT，是通过S1-U 用户面进行数据传输。其特点是在无数据传输，终端进入Idle 态时，不进行E-RAB Release 流程，而是进行Connection Suspend 流 程。该 流 程 中UE、eNodeB 和MME 保存用于恢复连接的S1AP 关联、UE 上下文和承载上下文等数据，后续等有数据需要发送时，可通过Connection Resume 流程快速恢复承载，降低对网络的信令负荷。该方案遵循标准，在eNodeB 和MME 之间新增2 条交互消息（Connection Suspend 和Connection Resume）。快速恢复数传，无需进行释放和重建无线承载，可有效地节省信令开销。UP-CIoT 原理示意图如图5所示。

3.2.3 Non-IP数据传输方案

图5 UP-CIoT原理示意图

NB-IoT 应用低速小包，部分应用有效负荷只有15～20 个字节，报文头甚至超过了数据，终端可采用Non-IP数据传输方案传输数据。

UE 签约Non-IP 的签约数据，在附着请求中请求建立Non-IP 的PDN，PDN 连接建立完成后，UE 就可以通过携带不包含IP报头的数据进行数据传输。

应用数据包越小，使用Non-IP 传输数据，速率提升越明显，特别是在IoT 数据包大小在10～200 个字节的情况下。UE发送不带IP头的数据包，由P-GW 代理UE 的IP 和传输层协议，能够大幅度提升数据传输效率，也能增加空口容量。Non-IP 数据传输原理示意图如图6所示。

图6 Non-IP数据传输原理示意图

3.3 接入控制

不同于由人操控的手机终端，物联网终端的行为存在不可控性，海量的连接增加了产生信令风暴的风险，特别是部分物联网应用，当平台侧出现断网等故障时，平台所属终端会同时向核心网侧发送信令消息，将导致核心网侧产生信令风暴。

目前应对信令风暴的措施如下。

a）终端与IoT 平台业务侧预防。在终端与业务服务器之间通过调度算法进行离散接入和离散寻呼。

b）管道侧预防（EPC 核心网侧）。包括防集中接入的物联网终端信令控制方法、防集中寻呼的精准寻呼解决方案及下行数据通知信令抑制方案。

c）分层分级信令管控（网元自身保护）。包括EPC 核心网侧基于APN 的信令拥塞控制及智能信令风暴平滑处理、物联网平台侧的接入流控、无线侧的过载接入流控及过载寻呼流控。

d）分接口信令流控（周边网元保护）。EPC 与周边网元的接口流控，包括S11、SGs、Gy/Gx接口流控、S1口寻呼消息流控、DRA 局向流控、HSS 的S6a/Gr 接口流控及无线SCTP链路流控等。

核心网侧针对于物联网业务特性的接入控制主要包括：

a）基于延迟定时器的信令拥塞控制。

b）低优先级接入控制。

c）基于APN的NB-IoT终端接入速率控制。

d）基于服务PLMN 的NB-IoT 终端接入速率控制。

3.3.1 基于延迟定时器的信令拥塞控制

基于延迟定时器的信令拥塞控制方法为物联网终端业务配置特定的APN，针对物联网业务特定APN发送Back-off time 信元来减缓物联网终端业务接入速度，确保普通终端业务的正常进行，避免EPC 网元自身及周边网元过载。拥塞控制机制分别从MME 及PGW侧进行拥塞判断及拥塞控制。

3.3.2 低优先级接入控制

在表类上报、物流跟踪、智能停车等应用场景，当大量的M2M 终端在短时间内同时发起业务时，可能会造成系统过载并影响普通终端用户的业务接入。通过识别部分M2M 终端业务为低优先级业务，限制M2M 终端业务的接入量，可保证普通终端用户业务的成功率，预防和缓解系统拥塞。

通过算法可控制实时消息接入量，可控制的M2M终端流控消息类型包括：Attach Request、Service Request、Control Plane Service Request 和Tracking Area Update Request。低优先级接入控制包括以下2 种场景。

系统正常运行时，如瞬间M2M 终端业务接入量过大，MME 会自动调节M2M 终端低优先级业务接入速率，预防系统进入过载状态。

系统轻度过载时（系统CPU 占用率75%），MME将减少M2M终端低优先级业务数量，使系统CPU占用率保持在70%～75%。

3.3.3 基于APN的NB-IoT终端接入速率控制

基于APN 的NB-IoT 终端接入速率控制是在PGW 上配置速率门限，P-GW 使用PCO 信元将基于APN 的NB-IoT 终端接入速率控制参数发送给UE，用于控制该UE 的某PDN 连接单位时间内上行和下行数据包的数目。MME/S-GW 支持转发UE 和P-GW 之间速率控制参数的消息。基于APN 的NB-IoT 终端接入速率控制同时支持CP-CIoT和UP-CIoT 2种方案。

3.3.4 基于服务PLMN的NB-IoT终端接入速率控制

基于服务PLMN 的NB-IoT 终端接入速率控制是在MME 上配置速率门限，发给UE 和S-GW/P-GW，SGW/P-GW 根据MME 发来的速率控制信息，产生数据包的控制速率，对于超过门限的数据包进行丢包处理，未超过门限的数据包进行正常的转发处理。

4 核心网部署方案

目前3 家运营商均已部署NB-IoT 专用核心网及以公众用户业务为主的EPC 核心网，根据业务特性，低移动性、低速业务主要迁移至NB-IoT 专用核心网，具有一定移动性的中、低速业务通过LTE Cat1 模组终端接入以公众用户业务为主的EPC核心网。

NB-IoT 核心网在前期部署时已针对NB-IoT 终端的业务特性进行了优化，具有上述的节电技术、传输优化等特性，对于部分2G物联网用户的迁入需根据用户接入规模，重点对NB-IoT物联网终端的接入控制进行优化。

具有移动性及中、低速率特性的LTE Cat1 终端同时有数据业务及语音业务接入要求，在考虑投资成本的情况下，接入现网EPC 核心网是较节省投资的方案。由于LTE Cat1 物联网终端相比于公众业务的手机终端有更高的节电要求，现网EPC 核心网需具备PSM 及eDRX 功能，并根据需求开启TAU/RAU 功能。根据现网调研，目前部分厂家EPC 核心网网元已具备PSM 及eDRX 功能，只需根据业务需求打开功能即可，部分厂家需对设备进行升级以具备节电功能。

物联网终端业务在开卡后并不会全部激活，这导致物联网相关网络容量在初期利用率较低，造成投资浪费。为实现核心网的灵活部署，物联网核心网需向基于云化的NFV 虚拟化架构演进，在核心网云化演进过程中，逐步将EPC核心网与NB-IoT专用核心网融合在统一云资源池内，后期可根据各类物联网业务发展趋势，灵活部署NB-IoT核心网网元及EPC网元以实现网络资源动态伸缩、网络平滑升级与扩容，并降低设备投资成本。

5 结束语

工信部的发文明确了2G/3G 物联网业务向NBIoT/4G（LTE Cat1）/5G 网络的迁移方向，本文将2G 物联网用户的业务特性与终端等级进行匹配，并对现网核心网针对物联网终端特有的节电要求、传输特性及接入控制需求等进行分析，介绍了现网核心网为适应NB-IoT 及LTE Cat1 终端的特性所需引入的功能及技术，并提出了核心网部署策略及演进建议。