《窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）原理與技術(shù)》課件第9章

第9章EPC核心網(wǎng)規(guī)劃9.1EPC核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃9.2EPC核心網(wǎng)容量規(guī)劃9.3EPC核心網(wǎng)組網(wǎng)規(guī)劃

9.1EPC核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

9.1.1EPC網(wǎng)元設(shè)置目前國內(nèi)三大運營商的NB-IoT業(yè)務(wù)在EPC核心網(wǎng)主要采用CP優(yōu)化傳輸，即由移動性管理設(shè)備(MME)、服務(wù)網(wǎng)關(guān)(SGW)、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)(PGW)及存儲用戶簽約信息的HSS、策略控制單元(PCRF)等組成。與LTE相似，SGW和PGW邏輯上分設(shè)，物理上可以合設(shè)，也可以分設(shè)，PCRF物理上是與PGW合設(shè)。

在電力、水務(wù)等一些小型專網(wǎng)中采用融合核心網(wǎng)(C-SGN)和HSS組成EPC，在前面也提過，融合核心網(wǎng)C-SGN等價于MME、SGW、PGW三者邏輯功能，物理實體就在一塊板子上，這樣就節(jié)約了設(shè)備利用空間。當(dāng)需要實現(xiàn)NB-IoT接入的基本功能時，EPC核心網(wǎng)需要部署的網(wǎng)元包括MME、SGW、PGW及HSS，NB-IoT接入的系統(tǒng)架構(gòu)如圖9-1所示。圖9-1NB-IoTCP模式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在運營商網(wǎng)絡(luò)中這幾種設(shè)備一般是如何部署的呢？

首先看MME，MME主要負(fù)責(zé)控制層面信息的處理，與LTE不同，NB-IoT中MME可通過NAS層傳輸用戶的小包數(shù)據(jù)，對傳輸帶寬要求較小。MME與eNodeB之間采用IP方式連接，不存在傳輸帶寬瓶頸和傳輸電路調(diào)度困難的問題。另外MME與eNodeB之間本身就是采用“星型”組網(wǎng)模式。

HSS負(fù)責(zé)存儲用戶數(shù)據(jù)、鑒權(quán)管理等功能，宜采用以省為單位集中設(shè)置的方式。

SGW在NB-IoT中主要通過S11接口連接MME，原LTE中SGW與MME的S1-U接口在CP優(yōu)化傳輸中不采用，但在UP優(yōu)化傳輸中采用。

PGW主要負(fù)責(zé)連接外部數(shù)據(jù)網(wǎng)，以及用戶IP地址管理、內(nèi)容計費，在PCRF的控制下完成策略控制。從媒體流處理上看，SGW、PGW負(fù)責(zé)用戶媒體流的疏通，業(yè)務(wù)承載方案是：

(1)?CP優(yōu)化傳輸采用“eNodeB-MME-SGW-PGW”方式；

(2)?UP優(yōu)化傳輸與LTE相同，仍采用“eNodeB-SGW-PGW”方式，不存在“SGW-?SGW”“eNodeB-eNodeB”的業(yè)務(wù)承載。

S/PGW設(shè)置與媒體流的流量和流向相關(guān)，應(yīng)根據(jù)業(yè)務(wù)量及業(yè)務(wù)類型，選擇集中或分散的方式。因NB-IoT業(yè)務(wù)量較小且不需提供語音類點對點業(yè)務(wù)，主要數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型為“點到服務(wù)器”類型時，S/PGW連接的互聯(lián)網(wǎng)出口一般為集中設(shè)置，因此S/PGW可采用集中設(shè)置的方式。當(dāng)某些本地網(wǎng)業(yè)務(wù)量較大或需提供點對點業(yè)務(wù)時，可將S/PGW下移至本地網(wǎng)，盡量靠近用戶，減少路由迂回。建網(wǎng)初期，互聯(lián)網(wǎng)出口一般以集中設(shè)置為主，點對點業(yè)務(wù)量不大，因此建議采用集中設(shè)置的方式。EPC網(wǎng)元部署如圖9-2所示。圖9-2NB-IoTEPC網(wǎng)元部署

SAE-GW的設(shè)置方式可以分為SGW和PGW的合并設(shè)置和分開設(shè)置，分析見表9-1。

9.1.2?EPC主要接口的組網(wǎng)方案

1.?MME與eNodeB間的互通

NB-IoT沿用LTE組網(wǎng)方案，eNodeB將直接與核心網(wǎng)互聯(lián)，簡化了無線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，但由于EPC采用控制與承載分離的架構(gòu)，因此在業(yè)務(wù)處理過程中，eNodeB需通過S1接口分別與MME、SGW互通。eNodeB與MME間采用S1接口主要互通控制信令信息，其間的網(wǎng)絡(luò)組織有兩種方案：歸屬方式和全連接方式。

方案一：歸屬方式，即每個eNodeB固定由一個MME為之服務(wù)，點對點互聯(lián)，如圖9-3所示。圖9-3歸屬方式

方案二：全連接方式，即每個eNodeB的業(yè)務(wù)由一組MME來處理，點對多點互連，如圖9-4所示。圖9-4全連接方式

2.?SGW與eNodeB間的互通

eNodeB與SGW間采用S1-U接口，主要傳送用戶媒體流。當(dāng)采用控制面優(yōu)化傳輸方案(CP優(yōu)化傳輸)時，不采用S1-U接口；當(dāng)采用用戶面優(yōu)化傳輸方案(UP優(yōu)化傳輸)時，S1-U接口保留使用。所以實際現(xiàn)網(wǎng)中可保留S1-U的路由配置，但MME決定是否采用S1-U接口。eNodeB與SGW間的組網(wǎng)方式也有兩種：

方式一：eNodeB與某個(或兩個)SGW配置歸屬關(guān)系并經(jīng)IP承載網(wǎng)互聯(lián)，其發(fā)起的業(yè)務(wù)由MME直接選擇其歸屬的SGW來疏通，如圖9-5所示。

圖9-5組網(wǎng)方式一

方式二：eNodeB與所屬區(qū)域內(nèi)的多個SGW均經(jīng)IP承載網(wǎng)互聯(lián)，無歸屬關(guān)系，其業(yè)務(wù)由一組SGW負(fù)荷分擔(dān)地疏通，如圖9-6所示。圖9-6組網(wǎng)方式二

方式一的優(yōu)點是易于規(guī)劃eNodeB與SGW間的IP電路及配置接口帶寬，局?jǐn)?shù)據(jù)設(shè)置相對簡單，對MME功能要求較低。其缺點是網(wǎng)絡(luò)可靠性較低，當(dāng)某一SGW出現(xiàn)故障時，其服務(wù)的所有eNodeB接入的業(yè)務(wù)均將受到影響；不同eNodeB覆蓋范圍內(nèi)業(yè)務(wù)量不均衡時，其歸屬的SGW的負(fù)荷也將出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象，不能有效利用資源；另外，當(dāng)用戶在不同eNodeB覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行業(yè)務(wù)切換時，需切換到其他SGW為之服務(wù)，增加了信令處理需求。

方式二的優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)可靠性高，通過DNS和MME的數(shù)據(jù)配置，可以實現(xiàn)SGW的冗余備份；當(dāng)用戶在一組SGW服務(wù)區(qū)域內(nèi)發(fā)生跨eNodeB業(yè)務(wù)切換時，仍由原SGW服務(wù)，可相對減少信令交互；一組SGW采用負(fù)荷分擔(dān)方式工作，可避免服務(wù)區(qū)域內(nèi)不同eNodeB接入業(yè)務(wù)量不均衡帶來的問題，資源利用率高。其缺點是不易于規(guī)劃eNodeB與SGW間的IP傳輸電路，接口帶寬配置核算相對較難；對MME的功能要求較高，需要具備負(fù)荷分擔(dān)選擇SGW的功能。

綜合上述分析，方式二優(yōu)勢較明顯，建議采用。

3.?MME間及MME與S/PGW的互通

NB-IoT中用戶附著時是否建立默認(rèn)承載是可選的，當(dāng)采用用戶面優(yōu)化方案(UP優(yōu)化傳輸)時，必須激活默認(rèn)承載，此時與LTE類似，在用戶進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)附著時，EPC網(wǎng)絡(luò)即為用戶建立用戶?eNodeB?SGW?PGW的默認(rèn)承載，MME需為用戶選擇PGW和SGW。MME收到用戶附著請求或PDN連接請求消息后，MME從該用戶在HSS中的簽約信息中獲取APN，向DNS獲取該APN對應(yīng)的SGW和PGW地址列表，再根據(jù)配置的策略選擇最優(yōu)的SGW和PGW組合，為用戶建立默認(rèn)承載。

從上述過程來看，MME選擇S/PGW需根據(jù)DNS解析的結(jié)果來實現(xiàn)，同樣MME間的選擇也需通過DNS解析的結(jié)果來實現(xiàn)，因此在實際組網(wǎng)時不需特別規(guī)劃其間的組網(wǎng)方式，只需在MME、DNS等節(jié)點配置相關(guān)數(shù)據(jù)。網(wǎng)元間經(jīng)IP承載網(wǎng)直接互聯(lián)。

(1)?SGW選擇，用戶建立PDN連接時，MME根據(jù)TAI信息通過DNS進(jìn)行選擇，如圖9-7所示。圖9-7SGW的選擇

(2)?PGW選擇，用戶建立PDN連接時，MME根據(jù)APN信息通過DNS來選擇，如圖9-8所示。圖9-8PGW的選擇

4.?MME與HSS的互通

EPC核心網(wǎng)中MME與HSS間采用Diameter協(xié)議互通，底層基于SCTP承載，需要靜態(tài)配置信令連接，上層使用IMSI進(jìn)行路由。為了支持漫游業(yè)務(wù)，全網(wǎng)大量網(wǎng)元之間需要存在信令全連接關(guān)系。同一本地網(wǎng)內(nèi)的MME與HSS間可采用靜態(tài)配置數(shù)據(jù)方式，直接經(jīng)IP承載網(wǎng)互聯(lián)；跨本地網(wǎng)及跨省的MME與HSS的互通一般采用Diameter中繼代理方式。

方案一：如圖9-9所示，MME靜態(tài)配置HSS地址數(shù)據(jù)，需MME配置外的所有HSS的地址(與LTEIMSI號碼段有對應(yīng)關(guān)系)。對于方案一，MME與HSS間可直接互通信令，信令傳送時延較小，服務(wù)質(zhì)量較高，但該方案適合MME與HSS數(shù)量較少，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小的情況。圖9-9方案一

方案二：如圖9-10所示，由DRA負(fù)責(zé)解析相應(yīng)節(jié)點的地址并反饋給MME。MME的數(shù)據(jù)配置相對簡單，且MME直接與HSS進(jìn)行信令消息的交互，但在跨省尋址時，需要經(jīng)多個DRA進(jìn)行解析，特別是需經(jīng)多級DNS解析地址，信令傳送時延較長。圖9-10方案二

方案三：如圖9-11所示，Diameter代理中繼類似于七號信令網(wǎng)中的STP，轉(zhuǎn)接MME與HSS間的Diameter信令，MME的數(shù)據(jù)配置也相對簡單，HSS、MME拓?fù)鋵ν怆[藏，安全性高。但Diameter信令需經(jīng)多個節(jié)點轉(zhuǎn)接，傳送時延將較長，且需考慮Diameter代理中繼的設(shè)置和組網(wǎng)問題，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時，設(shè)置獨立的Diameter代理中繼服務(wù)器不太經(jīng)濟。圖9-11方案三

9.1.3雙平面組網(wǎng)設(shè)計

EPC的網(wǎng)元，如MME的接口板具備千兆電口/光口，如MME接口同時連接兩個交換機的兩個接口實現(xiàn)鏈路備份，交換機啟用層三功能，MME的下一跳IP配置在交換機上。

交換機到EPC的網(wǎng)元的前向路由提供OSPF路由和靜態(tài)路由兩種方式，同樣交換機和各網(wǎng)元之間啟動BFD檢測，配合OSPF路由或靜態(tài)路由一起實現(xiàn)PDSN和交換機之間的前向路由備份。

交換機和承載網(wǎng)的路由器或PTN之間根據(jù)運營商的要求配置靜態(tài)路由或動態(tài)路由實現(xiàn)互通。

單平面組網(wǎng)示意圖如圖9-12所示，雙平面組網(wǎng)示意圖如圖9-13所示。圖9-12單平面組網(wǎng)示意圖圖9-13雙平面組網(wǎng)示意圖

9.2EPC核心網(wǎng)容量規(guī)劃

9.2.1MME容量規(guī)劃影響MME設(shè)備選型的因素有很多，如用戶容量、系統(tǒng)吞吐量、交換能力、特殊業(yè)務(wù)等。下面對兩個主要因素，即用戶容量與系統(tǒng)吞吐量進(jìn)行估算。

在系統(tǒng)中，SAU代表用戶容量。SAU即為附著用戶數(shù)，總用戶數(shù)是SAU數(shù)與分離用戶數(shù)之和。一般由于MME內(nèi)存限制，支持的用戶總數(shù)為A，在線用戶比例為a，那么MME控制面處理模塊支持的SAU就是A?×?a。由于NB-IoT終端采用PSM和eDRX兩種省電技術(shù)，多數(shù)時間處于睡眠狀態(tài)，基站無法尋呼到終端，因此將終端睡眠與關(guān)機統(tǒng)稱為離線狀態(tài)，將正常業(yè)務(wù)狀態(tài)稱為在線狀態(tài)。

MME為EPC系統(tǒng)中的控制網(wǎng)元。NB-IoT中采用CP優(yōu)化傳輸時，可通過NAS信令攜帶用戶數(shù)據(jù)，但攜帶信息量大小限制在200?KB以內(nèi)；采用UP優(yōu)化傳輸時，MME只傳送信令，因此影響MME系統(tǒng)吞吐量的只有信令流量。而MME處理的吞吐量即為各接口信令流量之和，MME信令接口包括S1-MME接口、S11-C接口及S6a接口。

各接口流量包括各種流程的信令消息的總流量，例如經(jīng)過S1-MME接口的信令消息，包括附著、去附著、激活承載上下文、去激活承載上下文、修改承載上下文等信令消息，在現(xiàn)網(wǎng)對各接口的控制面吞吐量進(jìn)行精密計算，計算公式為

其中各流程的每秒并發(fā)數(shù)參照MME話務(wù)模型，如表9-2所示。

如圖9-14所示，根據(jù)外場測算經(jīng)驗值給出S1-MME接口、S11-C接口及S6a接口的每用戶忙時單方向的平均信令流量的最大值。

圖9-14簡化的MME話務(wù)模型

基于以上經(jīng)驗值，對各接口的信令流量進(jìn)行估算，方法如下：

MME處理的吞吐量即為各接口信令流量之和，MME信令接口包括S1-MME接口、S11-C接口及S6a接口。因此，結(jié)合式(9-1)、式(9-2)、式(9-3)，可通過(9-4)式計算出系統(tǒng)信令吞吐量：

9.2.2?SGW容量規(guī)劃

SGW的數(shù)據(jù)接口包括S11-U接口和S5接口?？紤]S11-U接口和S5接口均采用GTP封裝，開銷長度為62Byte，典型包大小為500Byte，可以認(rèn)為S11-U上行接口流量等同于S5上行接口流量，同理S11-U下行接口流量等同于S5下行接口流量。因此，SGW接口進(jìn)/出流量?=?1/2(S11-U接口流量?+?S5接口流量)。

接下來進(jìn)行S11-U接口流量的估算。S11-U接口采用GTP協(xié)議進(jìn)行封裝，考慮到S11-U的包頭長度為62?Byte，如表9-3所示。

9.2.3?PGW容量規(guī)劃

PGW的數(shù)據(jù)接口包括S5和SGi。SGi接口一般考慮以太網(wǎng)接口封裝，包頭開銷為26?Byte。經(jīng)統(tǒng)計計算PGW進(jìn)流量約等于出流量，因此可按如下方法計算。

9.3?EPC核心網(wǎng)組網(wǎng)規(guī)劃

9.3.1?EPC網(wǎng)元硬件概述在“IUV-NB-IoT全網(wǎng)規(guī)劃部署與應(yīng)用軟件”的設(shè)備配置模塊中，需要對機房進(jìn)行硬件配置。軟件要求需部署MME、SGW、PGW及HSS四種設(shè)備類型。主流廠商設(shè)備的硬件架構(gòu)為機架—機框—單板，如圖9-15所示。圖9-15EPC的主要設(shè)備硬件架構(gòu)

目前主流廠商的硬件產(chǎn)品通常都支持以下硬件特性：

(1)所有的硬件板卡均能實現(xiàn)1∶1的冗余。

(2)所有硬件組件均可以實現(xiàn)熱插拔。

(3)業(yè)務(wù)面和底層的處理分離，由不同的專用硬件板卡實現(xiàn)。

(4)支持網(wǎng)管接口。

9.3.2?MME物理連接及地址規(guī)劃

在“IUV-NB-IoT全網(wǎng)規(guī)劃部署與應(yīng)用軟件”軟件中，為了方便理解，我們以最小的硬件配置為例進(jìn)行介紹。如圖9-16所示，比如為了使MME能夠進(jìn)行正常的工作，一個MME可能會配置多個機框，機框可能會包含多種類型的板卡，在軟件中籠統(tǒng)分成了物理接口板卡以及業(yè)務(wù)處理板卡。不同廠商可能還會有交換板、操作維護(hù)板、業(yè)務(wù)處理板等。圖9-16MME板位示例圖

如圖9-17所示，MME的接口板提供一對或多對物理接口，在實際現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境中，為便于維護(hù)和業(yè)務(wù)邏輯清晰，S1-MME和S6a采用物理分離方式組網(wǎng)，S10/S11-C/S11-U合用兩個GE口。圖9-17MME物理連接示意圖

(1)接口地址分配原則：MME的接口地址不能在相同網(wǎng)段，不同物理接口和VLAN子接口必須分配不同網(wǎng)段的接口地址。

(2)接口工作方式原則：MME支持接口負(fù)荷分擔(dān)和主備，優(yōu)選接口負(fù)荷分擔(dān)方式。在接口負(fù)荷分擔(dān)方式下，各業(yè)務(wù)接口最好對應(yīng)啟用OSPF，也可啟用靜態(tài)路由。在接口主備方式下，通常啟用靜態(tài)路由。

MME的IP地址分成兩類：

(1)?MME接口地址。

(2)?MME業(yè)務(wù)地址。

地址規(guī)劃如表9-4所示。

9.3.3?SGW物理連接及地址規(guī)劃

在現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境中，SGW是用戶面處理網(wǎng)元。S5/S8流量較大，建議規(guī)劃在單獨的物理端口上。S1-U是面向eNodeB的業(yè)務(wù)，當(dāng)MME設(shè)置采用UP模式時，使用S1-U接口，當(dāng)MME設(shè)置采用CP模式時，不使用S1-U接口。同時，為了提高數(shù)據(jù)的安全性，會將不同的業(yè)務(wù)劃分到不同的VRF中實現(xiàn)業(yè)務(wù)隔離。

SGW通