解讀物聯(lián)網(wǎng)(2)-核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)流程

1、解讀物聯(lián)網(wǎng)（ 2）-核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)流程本期提要解讀物聯(lián)網(wǎng)系列的上一篇文章我們根據(jù)物聯(lián) 網(wǎng)接入網(wǎng)的一些流程特點(diǎn)進(jìn)行解讀，欲了解詳情，請(qǐng)戳解讀 物聯(lián)網(wǎng)（ 1） -接入網(wǎng)協(xié)議流程。 這篇我們從核心網(wǎng)的一些流程進(jìn)行解讀，建議兩篇可以關(guān)聯(lián) 在一起閱讀。 3GPP 23.401 中對(duì)于蜂窩物聯(lián)網(wǎng) （ Celluar Internet of Things,CIoT ）是短短一句話定義的， 蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持低復(fù)雜 度和低吞吐率的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)同時(shí)支持 IP 業(yè)務(wù)和 非 IP 業(yè)務(wù)（非 IP 的業(yè)務(wù)指的是站在 EPS 的角度來(lái)看的一些 非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，盡管還是會(huì)被分配 APN ）。 對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)，小包數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

2、傳輸將成為應(yīng)用的典型特征。因 此，對(duì)于核心網(wǎng)而言，基于物聯(lián)網(wǎng)的這種小數(shù)據(jù)，短時(shí)延傳 輸模式進(jìn)行了一些協(xié)議流程方面的優(yōu)化。這種優(yōu)化方式包含 了兩種模式，一種是基于用戶面?zhèn)鬏斢脩魯?shù)據(jù)，而另一種是 將用戶數(shù)據(jù)封裝在了 NAS 層消息里的控制面?zhèn)鬏敺绞?，這 種方式減少很多控制面的信令開(kāi)銷(xiāo)。 PDN 連接可以采取控制 面 CIoT 核心網(wǎng)承載優(yōu)化方式處理，或者也可以采取用戶面 CIoT 核心網(wǎng)承載優(yōu)化方式處理。相比傳統(tǒng) PDN 連接需要使 用 S1-U 接口進(jìn)行傳輸，這里 S11-U 也可以被用來(lái)傳輸小包 數(shù)據(jù)。CIoT 的數(shù)據(jù)可以包括物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的狀態(tài)信息以及測(cè)量數(shù)據(jù)。 5G 當(dāng)中支持物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的

3、MME 可能有這么幾種支持 數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ剑?MME 支持控制面 CIoT 數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸模式， MME 支持用戶面 CIoT 數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸模式， 支持傳統(tǒng)的 S1-U 數(shù)據(jù)傳輸模式。 同時(shí)也包括了一些特殊的核心網(wǎng)功能，比如是否支持無(wú)需聯(lián) 合附著的 SMS 消息傳輸，是否支持沒(méi)有 PDN 連接的附著， 是否支持控制面 CIoT 數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸模式的包頭壓縮。 對(duì)于支持 NB-IoT 的終端，網(wǎng)絡(luò)側(cè)應(yīng)該提供控制面 CIoT 數(shù)據(jù) 優(yōu)化傳輸模式的功能，對(duì)于 S1-U 傳統(tǒng)用戶面數(shù)據(jù)傳輸模式 并不屬于 CIoT 的數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸模式范疇，但是支持用戶面 CIoT 數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸模式功能的 UE 也需要能夠支

4、持 S1-U 模 式。UE 會(huì)通過(guò) ATTACH/TAU 請(qǐng)求中附帶消息體 Preferred and Supported Network Behaviour 與網(wǎng)絡(luò)能力進(jìn)行協(xié)商。值得一 提的是，這種核心網(wǎng)對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)化機(jī)制并不僅僅限于 低復(fù)雜度，低吞吐率的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。用戶面 CIoT 核心網(wǎng)優(yōu)化功能可以無(wú)需像傳統(tǒng) LTE 大網(wǎng)數(shù)據(jù) 業(yè)務(wù)請(qǐng)求建立一樣，通過(guò) NAS 層消息 Service Request 觸發(fā) 一些列的接入網(wǎng)流程作為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸?shù)某休d。但是這里有 個(gè)前提， 就是 UE 與網(wǎng)絡(luò)之間的 RRC 連接處于掛起狀態(tài)， 這 也意味著 UE 與網(wǎng)絡(luò)側(cè)的接入網(wǎng)承載和接入網(wǎng)安全上下文已 經(jīng)

5、協(xié)商分配好了。通過(guò)掛起流程，在 UE 轉(zhuǎn)為 ECM-IDLE 過(guò) 程中，UE 與 eNodeB 分別存儲(chǔ)了接入層相關(guān)信息以及承載上 下文，同時(shí) MME 存儲(chǔ)了與 S1AP 和核心網(wǎng)承載相關(guān)的上下 文，可以說(shuō)“掛起”流程是一種“睡眠”機(jī)制，并不把 UE 連接建立相關(guān)信息刪除?？刂泼鎯?yōu)化數(shù)據(jù)傳輸模式下的用戶面協(xié)議棧 從核心網(wǎng)控制面優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸模式下的用戶面協(xié)議棧結(jié)構(gòu) 中可以看出與典型 LTE 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中用戶面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)在協(xié)議 架構(gòu)中的不同。 UE 與 MME 之間通過(guò) NAS 層信令之間傳輸 數(shù)據(jù)，而 LTE 系統(tǒng)中 S1接口的 GTP-u 傳輸隧道協(xié)議后移到 S11 接口中作為用戶面數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

6、在控制面數(shù)據(jù)傳輸模 式下，UE 上行數(shù)據(jù)包和相應(yīng)的 EPS Bearer ID（ EBI ）被封裝 在 NAS DATA PDU 中，通過(guò) S1-AP 初始 UE 消息傳遞， MME 在收到了初始消息后可以與 SGW/PGW 協(xié)商傳遞上行數(shù)據(jù)， 同時(shí)并行的觸發(fā)核心網(wǎng)移動(dòng)性以及會(huì)話管理流程，比如鑒權(quán) 和安全涉及流程。 相對(duì)比而言， 如果此時(shí)有來(lái)自于 SGW/PGW 的下行數(shù)據(jù)， 則需要在 MME 緩存， 等待 EMM 和 ESM 流程 完畢之后進(jìn)行傳遞。 對(duì)于接入側(cè)通過(guò) NB-IoT 技術(shù)建立連接， 并且觸發(fā)原因是 MO Exception Data ，MME 需要將此觸發(fā)原 因告知 SGW。這

7、里其實(shí)表達(dá)了一層邏輯， 上行 NAS PDU 數(shù) 據(jù)和上行 NAS 信令流程可以在 MME 進(jìn)行分離，數(shù)據(jù)通過(guò) S11 接口傳出去， NAS 鑒權(quán)安全流程可以并發(fā)進(jìn)行，而下行 的 NAS PDU 數(shù)據(jù)則需要等待 NAS 鑒權(quán)安全流程結(jié)束之后才能繼續(xù)下發(fā) eNodeB。在 UE 與 MME 采取控制面優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸模式下，即 UE 處 于連接態(tài)下，如果需要通過(guò)建立用戶面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)，可以采取 傳統(tǒng) S1-U 模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或者采取用戶面優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸 模式，如果 MME 決定采取 S1-U 模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸， UE 就 不需要重新發(fā)起 Service Request，并通過(guò)后續(xù)的初始上下文 請(qǐng)求告知

8、eNodeB 相關(guān)承載信息，包括安全上下文，信令連 接 ID，EPS承載 QoS參數(shù)， S1連接標(biāo)識(shí)等。如果采取用戶 面優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸模式， UE 需要發(fā)起控制面 Service Request 申請(qǐng) S1-U 承載。不管控制面優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸模式，用戶面優(yōu) 化數(shù)據(jù)傳輸模式，還是 S1-U 數(shù)據(jù)傳輸模式，相應(yīng)的 PDN 連 接需要建立，而與之相應(yīng)的 EPS bearer 也需要有 MME 進(jìn)行 分配建立。處于 CP 數(shù)據(jù)傳輸模式下的連接態(tài) UE 轉(zhuǎn)為 UP 模式或者 S1-U 模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 NAS 信令流程像 Service Request 這 樣的 NAS 層服務(wù)請(qǐng)求信令在目前的 LTE 網(wǎng)絡(luò)

9、問(wèn)題日常分析 中很常見(jiàn)， 它主要在于處于空閑態(tài)終端為了主 /被叫 UE 申請(qǐng) 接入側(cè)和核心網(wǎng)側(cè)網(wǎng)絡(luò)資源，由它觸發(fā)了一系列的接入網(wǎng)信 令流程建立，這樣的數(shù)據(jù)傳輸模式是 S1-U 數(shù)據(jù)傳輸模式。 什么時(shí)候使用 SR，什么時(shí)候使用 ESR（ Extended Service Request，這里是針對(duì)非 CSFB 的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)） ，這個(gè)取決一個(gè) UE 設(shè)備側(cè) NAS 控制消息中所帶的標(biāo)識(shí) NAS signalling low priority ，如果該標(biāo)識(shí)置為 1，且 MME 通過(guò)最近一次的 Attach Accept/TAU Accept 消息告知 UE 網(wǎng)絡(luò)側(cè)支持 ESR，那么流程 由 ESR 發(fā)

10、起，否則由 SR 發(fā)起。該標(biāo)識(shí)其實(shí)告知 MME 在核 心網(wǎng)信令擁塞時(shí)優(yōu)先對(duì)哪些信令進(jìn)行處理響應(yīng)。 對(duì)于采取控制面或者用戶面的 CIoT 數(shù)據(jù)傳輸模式，則是通 過(guò) CONTROL PLANE SERVICE REQUEST 進(jìn)行，區(qū)別在于 對(duì)于 CP模式， CPSR中包括了 UE 中需要通過(guò) NAS 信令封 裝傳送的數(shù)據(jù)， 以 ESM DATA TRANSPORT 消息的形式封裝 在 ESM message container IE 中傳送。而對(duì)于之前提及到的在 CP模式連接態(tài)下轉(zhuǎn)為 UP模式數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程或者 UE 在 IDLE 態(tài)有數(shù)據(jù)需要傳送，可以通過(guò) CPSR 發(fā)起建立用戶面 數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)

11、化模式，與 CP 模式區(qū)別的是， NAS 消息不攜帶 任何與數(shù)據(jù)相關(guān)的消息體，既不包含 ESM message container IE 也不包含 NAS message container IE ，同時(shí)將 active flag 置 為 1。如果 MME 接受該流程，在完成一些 EMM （核心網(wǎng)移 動(dòng)性管理）公共流程后 （比如鑒權(quán)， 安全模式等等） ，將 EPS bear上下文相關(guān)信息關(guān)聯(lián)，向 UE 發(fā)送 SERVICE ACCEPT 消息，表示該流程成功完成?？梢愿爬ǖ睦斫?SERVICE ACCEPT 是對(duì)通過(guò) NAS 層控制面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)的確認(rèn)，如果需 要為 UE 的上下行數(shù)據(jù)再建立用戶面

12、承載，則不需要通過(guò)任 何 NAS 信令再予以確認(rèn)。在 MME 發(fā)送 SERVICE ACCEPT 之前如果有下行數(shù)據(jù)需要通過(guò)控制面進(jìn)行發(fā)送，則先保證下行數(shù)據(jù)傳遞出去。從這里 NAS 信令流程可以歸納幾點(diǎn)核心網(wǎng)對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路 1、數(shù)據(jù)優(yōu)先，如果通過(guò)控制面承載，先于 確認(rèn)信息將待發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送出去； 2、新增 SERVICE ACCEPT 是為了確認(rèn) CPSR 請(qǐng)求的，對(duì)于通過(guò)用戶面承載發(fā)送數(shù)據(jù)， 則無(wú)需 SERVICE ACCEPT 再確認(rèn)，應(yīng)為兩個(gè)為不同的面 （控 制面，用戶面） ，可以沒(méi)有嚴(yán)格的時(shí)間順序；3、相比 LTE 大網(wǎng)的設(shè)計(jì)思路，一切都由網(wǎng)絡(luò)控制調(diào)度，為 了保證傳數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延，物聯(lián)網(wǎng)的終端在一定程度上參與 發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸模式選擇，這對(duì) UE 設(shè)計(jì)更多了一些靈活性。 而相比 LTE 網(wǎng)絡(luò)單一的交互流程則更加豐富， 為了物聯(lián)網(wǎng)低 時(shí)延，大容量的設(shè)計(jì)目標(biāo)更加契合，但是站在解讀協(xié)議或者 分析網(wǎng)絡(luò)實(shí)際問(wèn)題的角度來(lái)看，可能會(huì)覺(jué)得更加復(fù)雜多變。 為了應(yīng)對(duì)大量物聯(lián)網(wǎng)連接對(duì)于核心網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷帶來(lái)的沖擊， 核心網(wǎng)對(duì)設(shè)備的上下行數(shù)據(jù)包還進(jìn)行了流控機(jī)制。這里包含 兩種兩種流控， 一種是服務(wù) PLMN 網(wǎng)絡(luò)流控， 另一種是