作者：戴博,袁弋非,余嫒芳
出版社：人民邮电出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
![窄带物联网(NB-IoT)标准与关键技术[精品]](http://img61.ddimg.cn/digital/product/46/76/1900784676_ii_cover.jpg)
窄带物联网(NB-IoT)标准与关键技术[精品]试读：
前言
人类社会进入工业社会，经历了三次工业革命。第一次工业革命是以蒸汽机为代表的蒸汽动力广泛使用，这个时代也被称为蒸汽时代；第二次工业革命的主要特征则是电能的广泛使用，这个时代也被称为电气时代；第三次工业革命则是计算机的大规模使用和普及，这个时代也被称为信息化时代。
近期第四次工业革命的概念正在兴起，其主要特点就是物与物之间协作连接。物与物之间的通信是实现物与物之间协作连接的必要条件。由于物联网可以应用到各个领域，如工业、农业、医疗、公共事业和家居等领域，物联网对速率的要求也存在各种需求。目前，高速率使用3G、4G通信系统可以满足，中速率使用2G通信系统可以满足，低速率还没有完善的低功耗蜂窝标准协议。现有的4G、3G、2G通信标准协议无法满足低功耗、低成本、广覆盖和大容量的需求，其他一些低功耗标准协议，如Lora、Sigfox、Wi-Fi，在信息安全、移动性和容量等方面存在缺陷。因此，一个新的蜂窝物联网标准需求越来越迫切。经过全球业界超过 50 家公司的积极参与和一年多的努力，NB-IoT 标准协议核心部分在2016年6月正式宣告完成。
为了更好地促进NB-IoT产业发展，更好地推动物联网的快速普及，以及为了使研究、开发和工程人员可以更好地理解NB-IoT标准协议，更好地进行产品算法设计，缩短产品研发周期，同时也为了让高等院校师生更深入地研究无线通信技术，推动无线通信技术的发展，我们特撰写了本书。本书主要介绍了NB-IoT标准背景、网络架构、控制面协议、用户面协议、物理层协议，以及 8 个重要关键过程、射频性能指标和窄带低功耗标准的未来发展。在标准协议内容描述时，重点突出了 NB-IoT 标准协议与现有 LTE 标准协议的差异，以及在标准制定过程中一些其他候选方案和待解决问题产生的原因，通过方案对比和背景介绍，使读者可以更好地理解窄带通信系统的特性和解决方法的基本途径，从而更好地进行产品设计，以及相关技术研究。另外，为了使读者更好地理解标准协议，我们用专门的一章，将散在各个协议标准中与关键过程相关的内容汇集起来，使读者能够整体把握，较为系统地理解方案细节，减少在看原始标准协议过程中形成碎片化的理解以及在查找多个协议文本才能对某个过程有比较全面清晰理解的麻烦。此外，书中也介绍了一些射频指标，供产品实现人员参考；对NB-IoT后续版本中的关键技术、5G海量物联网场景的关键技术和未来窄带低功耗标准的发展也有简要描述。
本书各章节编写分工如下：方惠英编写第1章和第5.1、6.1节，李志军、梁爽、高音编写第2章；余媛芳编写第3章和第7.7、7.8和7.11节；戴谦编写第4章和第7.5节，梁春丽编写第 5.2 节；陈宪明编写第 5.3、5.5 和 5.6 节；石靖编写第 5.4、5.8、7.10.1.1和7.10.1.2节；张雯编写第5.7和6.6节；杨维维编写第6.2、6.3、6.5、7.10.2.1和7.10.2.2节，刘锟编写第6.4和6.7节，陈泽为编写第6.8、7.10.1.3和7.10.2.3节，卢飞编写第7.1节，艾建勋编写第7.2节；陆婷编写第7.3节，刘旭和高音编写第7.4节，沙秀斌编写第7.6和7.9节，李卫敏编写第7.10.1.4和7.10.2.4节；薛飞编写第8章；李书鹏编写第9章。全书由戴博和袁弋非统稿。在这里要感谢王欣晖、杜忠达、胡留军、郁光辉、柏刚等技术专家的支持，感谢人民邮电出版社的大力支持和高效工作，使本书能尽早与读者见面。
本书是基于作者的主观视角对标准化讨论过程和结果的理解，观点难免有欠周全之处。对于书中存在不当之处，敬请读者谅解，并给予宝贵意见。作者▶▶第1章背景及概述Chapter 11.1 NB-IoT背景简介
窄带物联网（NB-IoT）的研究和标准化工作是根据3GPP标准组织进行的。3GPP （The 3rd Generation Partnership Project）是欧美中日韩标准化组织合作进行的3G标准化项目，创建于1998年12月，现已延伸到5G。包括欧洲ETSI，美国T1，日本TTC，ARIB和韩国TTA以及我国CCSA都作为组织伙伴（OP）积极参与了3GPP的各项活动。3GPP的项目须得到这些地区的无线通信领域标准化组织的批准。3GPP项目所标准化的产品包括GSM、WCDMA、TD-CDMA、TD-SCDMA、LTE以及LTE-Advanced，当前的重点项目为5G（New RAT）。在TSG GERAN组关闭前，3GPP分为GSM EDGE无线接入网（GERAN）组、业务和系统结构组（SA）、核心网和终端（CT）组和无线接入网（RAN）组。2016年，3GPP在TSG RAN工作组下设立WG6 Legacy RAN radio and protocol，负责维护GERAN工作组相关的协议，逐渐关闭了TSG GERAN工作组，更新后的3GPP组织架构如图1.1所示。图1.1 3GPP的组织架构
NB-IoT的由来
在GERAN工作组关闭前的GERAN #62次全会上，通过了GP-140421 SID“Cellular System Support for Ultra Low Complexity and Low Throughput Internet of Things”，着手研究非后向兼容传统GSM系统的蜂窝物联网（Cellular IoT）方案，以实现在200 kHz系统带宽上支持窄带物联网技术。 GERAN工作组中前期研究的Cellular [4]IoT方案是非后向兼容的方案，主要针对 Stand-alone部署的场景。2015年8月，GERAN工作组输出与窄带物联网相关的研究报告TR 45.820。3GPP PCG #34决定将与窄带物联网相关的标准化工作转至3GPP RAN进行，NB-IoT标准化的时间进度参见图1.2。图1.2 NB-IoT标准化时间进度图
在TR45.820中，最有影响的技术是NB-LTE和NB-CIoT两个技术。其中，NB-CIoT技术下行采用3. 75 kHz子载波间隔的OFDMA技术，上行采用FDMA（基于单载波single carrier +GMSK调制）技术，该技术主要适用于Stand-alone的部署场景。NB-LTE下行采用15 kHz子载波间隔的OFDMA技术，上行采用SC-FDMA技术，能更好地和现有LTE系统兼容，该技术除了用于Stand-alone部署场景，还能很好地支持In-band和Guard-band的部署场景。[1]
NB-IoT WI于2015年9月RAN #69次会议正式立项，立项文件中确定：下行采用OFDMA的多址技术，但没有确定子载波间隔是15kHz还是3.75kHz；上行将GMSK的FDMA方案和SC-FDMA技术列为两个备选技术，通过RAN1小组的技术评估确定选用哪种技术。RAN1 #82bis和RAN1 #83两次会议上多家公司提交了大量仿真评估文[2]稿。RAN1 #83次会议对各家公司的仿真结果进行了分析和汇总。对于下行15kHz和3.75kHz的子载波间隔，在Stand-alone、Guard-band和In-band 3种部署场景下，下行各信道都能满足在极端覆盖下要求的164 MCL的覆盖目标；对于容量性能，下行15kHz子载波间隔能满足3种部署场景下的容量目标，在In-band部署场景下，采用3.75kHz子载波间隔的NB-IoT系统和传统LTE系统之间将会有很大的干扰，主要体现在LTE CRS与NB-IoT间的干扰以及NB-IoT系统对LTE控制信道的影响。考虑到在In-band场景下，采用15kHz的子载波间隔不会对LTE系统产生干扰，15kHz子载波间隔也能满足NB-IoT系统的需求，多数公司支持下行采用 15kHz 的子载波间隔。从各公司的仿真结果上看，上行SC-FDMA 和基于 GMSK 的 FDMA 的技术都能满足极端覆盖下的覆盖目标。但基于GMSK的FDMA方案由于各用户的载波彼此不正交，相邻载波之间都需要保护带，开销较大，上行系统容量不如基于SC-FDMA的方案。因此，多数公司支持SC-FDMA技术。在RAN1 #83次会议上基本确定下行采用基于15kHz子载波间隔的OFDMA方案，上行采用SC-FDMA技术，支持单子载波（Single-tone）发送和多子载波（Multi-tone）发送，终端需要指示对单子载波发送和多子载波发送的支持能力。[3]
在RAN#70次会议上更新了NB-IoT立项，明确NB-IoT下行采用基于15 kHz子载波间隔的OFDMA方案，上行采用SC-FDMA技术。
除了TSG RAN工作组之外，在3GPP SA工作组#67次会议上通过了“New Study on Architecture enhancements of cellular systems for ultra low complexity and low throughput Internet of Things（Cellular [5]IoT）”，旨在对物联网的网络架构进行增强。2015年7月， 3GPP SA2启动对Cellular IoT的网络架构增强的研究。1.2 NB-IoT WI目标
根据NB-IoT WI，其立项目标为“The objective is to specify a radio access for cellular internet of things, based to a great extent on a non-backward-compatible variant of E-UTRA, that addresses improved indoor coverage, support for massive number of low throughput devices, low delay sensitivity, ultra low device cost, low device power consumption and （optimised）network architecture. ”定义蜂窝物联网的无线接入，在很大程度上基于非后向兼容的 E-UTRA，增强室内覆盖，支持大量的低吞吐量设备，低延迟敏感度，超低成本、低功耗设备和（优化）网络体系架构。
NB-IoT要支持3种操作模式：（1）Stand-alone：利用目前GERAN系统占用的频谱，替代目前的一个或多个GSM载波；图1.3 Stand-alone操作模式（2）Guard-band：利用目前LTE载波保护带上没有使用的资源块；图1.4 Guard-band操作模式（3）In-band：利用LTE载波内的资源块。图1.5 In-band操作模式1.3 NB-IoT系统需求
NB-IoT系统要满足以下需求。
• 下行和上行链路终端射频带宽都是180kHz。
• 下行链路是OFDMA方式，对于3种操作模式都是15kHz的子载波间隔。
• 对于上行链路：支持Single-tone和Multi-tone传输。
• 对于Single-tone传输，网络可配置子载波间隔为3.75kHz还是15kHz。
• Multi-tone传输采用基于15kHz子载波间隔的SC-FDMA。
• UE需要指示对Single-tone和Multi-tone传输的支持能力。
• NB-IoT终端只要求支持半双工操作，在Rel-13阶段不需要支持TDD，但要求保证对TDD前向兼容的能力。
• 对不同的操作模式只支持一套同步信号，包括与LTE信号重叠的处理。
• 针对NB-IoT物理层方案，基于当前LTE的MAC、RLC、PDCP和RRC过程优化。
• 优先考虑支持Bands 1、3、5、8、12、13、17、19、20、26、28。
• S1 interface to CN以及相关无线协议的优化。1.4 NB-IoT标准进展
NB-IoT WI最初计划在2016年3月完成标准化工作，由于RAN1、RAN2和RAN4的进展低于预期，延期到2016年6月完成标准化工作。为加速NB-IoT的标准化进展， RAN1/2/4 在 3GPP 常规会议（2015.10、2015.11、2016.2、2016.4、2016.5）的基础上，增加了多次NB-IoT Ad-Hoc（临时）会议，确保在2016年6月能够完成NB-IoT立项核心部分的标准化工作。
截至2016年6月底，NB-IoT Core part在RAN的标准化工作已经基本完成，在2016年6月RAN#72全会后已经发布NB-IoT最初版本，涉及36.211、36.212、36.213、36.214、36.300、36.304、36.306、36.321、36.322、36.323、36.331、36.101和36.104等。1.5 NB-IoT市场动态
中国市场启动迅速，中国移动、中国联通、中国电信都计划于2017年上半年商用，并且，已经开始实验室测试，计划2016年第四季度进行外场测试，中兴、爱立信、华为、诺基亚等公司产品开发进展迅速。沃达丰、日本软银、南非电信、新加坡电信、（中国）香港电信，德国电信、法国电信、意大利电信、韩国KT等运营商也有2017年商用计划。▶▶第2章NB-IoT网络架构Chapter 22.1 引言
窄带物联网（NB-IoT）的引入，对 LTE/EPC 网络带来了很大的改进要求。传统LTE/EPC网络的设计，主要目的是为了适应宽带移动互联网的需求，即为用户提供高带宽、高响应速度的上网体验。然而，与宽带移动互联网相比较，NB-IoT具有显著的差别：终端数量众多、终端节能要求高、以收发小数据包为主且数据包可能是非 IP格式的。
现有LTE/EPC流程，对NB-IoT终端而言，发送单位数量的数据，终端能耗和网络信令开销太高。一方面，为了发送或接收很少字节的数据，终端从空闲态进入连接态，所消耗的网络信令开销远远大于数据载荷本身大小；另一方面，基于LTE/EPC的复杂的信令流程，对终端的能耗也带来很大开销。
为了适应NB-IoT终端的接入需求，3GPP对网络整体架构和流程进行了增强，提出了控制面优化传输方案和用户面优化传输方案。控制面优化传输方案的基本原理是通过控制面信令来实现IP数据或非IP数据在NB-IoT终端和网络间的传输。遵循该方案，UE可以在请求RRC连接的过程中，在无线信令承载SRB中携带NAS数据包，在NAS数据包中携带IP数据或非IP数据，达到利用控制面来传输用户面数据的目的。用户面优化传输方案的基本原理是引入RRC连接挂起和恢复流程，在终端进入空闲态后，基站和网络仍然存储终端的重要上下文信息，以便通过恢复流程快速重建无线连接和核心网连接，降低了网络信令的交互。
特别地，在EPC网络侧，针对非IP数据的传输，基于控制面优化传输方案，3GPP提出了两种模式的非IP数据传输方案。一种是利用服务能力开放单元（SCEF），在移动性管理实体（MME）和能力开放单元（SCEF）间建立T6连接来实现非IP数据的传输；另一种是升级P-GW使其支持非IP 数据传输，基于现有SGi 接口通过隧道来实现非IP数据的传输。2.2 总体框架概述
NB-IoT的网络架构和4G网络架构基本一致，但针对NB-IoT优化[1]流程，在架构上面也有所增强。图2.1描述了NB-IoT网络的总体架构[2]。图2.1 NB-IoT网络总体架构
在NB-IoT的网络架构中，包括：NB-IoT终端、E-UTRAN基站（即eNodeB）、归属用户签约服务器（HSS）、移动性管理实体（MME）、服务网关（S-GW）和PDN网关（P-GW）。计费和策略控制功能（PCRF）在NB-IoT架构中并不是必须的。以及为了支持MTC、NB-IoT而引入的网元也不是必须的，包括：服务能力开放单元（SCEF）、第三方服务能力服务器（SCS）和第三方应用服务器（AS）。其中，SCEF也经常被称为能力开放平台。
和传统4G网络相比，在架构上，NB-IoT网络主要增加了业务能力开放单元（SCEF）以支持控制面优化方案和非IP数据传输，对应地，引入了新的接口：MME和SCEF之间的T6接口、HSS和SCEF之间的S6t接口。
在实际网络部署时，为了减少物理网元的数量，可以将部分核心网网元（如MME、S-GW、 P-GW）合一部署，称之为CIoT服务网关节点（C-SGN），如图2.2所示。图2.2 C-SGN集成架构
总体上看，C-CSGN的功能可以设计成EPS核心网功能的一个子[1]集，必须支持的功能如下：
• 用于小数据传输的控制面CIoT优化功能；
• 用于小数据传输的用户面CIoT优化功能；
• 用于小数据传输的必须安全控制流程；
• 对仅支持NB-IoT的UE实现不需要联合附着（Combined Attach）的短信SMS支持；
• 支持覆盖优化的寻呼增强；
• 在SGi接口实现隧道，支持经由PGW的非IP数据传输；
• 提供基于T6接口的SCEF连接，支持经由SCEF的非IP数据传输；
• 支持附着时不创建PDN连接。
对于NB-IoT，SMS短信服务是非常重要的业务。仅支持NB-IoT的终端，由于不支持联合附着（Combined Attach），所以不支持基于CSFB的短信机制。对仅支持NB-IoT的终端，NB-IoT技术允许NB-IoT终端在Attach、TAU消息中和MME协商基于控制面优化传输方案的SMS短信支持，即按照控制面传输优化方案在NAS信令包中携带SMS短信数据包。对于同时支持NB-IoT，又支持联合附着的终端，可继续使用CSFB的短信机制来获取SMS服务。
对网络而言，如果网络不支持CSFB的SGs接口短信机制，或对仅支持NB-IoT的终端无法使用CSFB机制来实现SMS短信服务，则可考虑在NB-IoT网络中引入基于MME的短信机制（SMS in MME），即MME实现SGd接口，通过该接口和短信网关、短信路由器实现SMS[3]的传输，该架构如图2.3所示。图2.3 MME直接实现SGd接口的SMS架构2.3 协议栈架构
在NB-IoT技术中，用户面优化方案对LTE/EPC协议栈没有修改或增强。
区别于传统LTE/EPC架构，支持控制面优化方案对协议栈有比较大的修改和增强。
控制面优化方案又包括两种：
• 基于SGi的控制面优化方案；
• 基于T6的控制面优化方案。
这两种不同的控制面优化方案，其协议栈架构，在MME到PGW、或MME到SCEF间有所不同。2.3.1 基于SGi的控制面优化协议栈
图2.4描述了基于SGi的控制面优化方案的协议栈架构。图2.4 基于SGi的控制面优化方案协议栈
从上述协议栈可以看出：
• UE的IP数据/非IP数据包，是封装在NAS数据包中的；
• MME执行了NAS数据包到GTP-U数据包的转换。对于上行小数据传输，MME将UE封装在NAS数据包中的IP数据/非IP数据包，提取并重新封装在GTP-U数据包中，发送给SGW。对于下行小数据传输，MME从GTP-U数据包中提取IP数据/非IP数据，封装在NAS数据包中，发送给UE。2.3.2 基于T6的控制面优化协议栈
图2.5描述了基于T6的控制面优化方案的协议栈架构。
从上述协议栈可以看出：
• UE的IP数据/非IP数据包，是封装在NAS数据包中的；
• MME执行了NAS数据包到Diameter数据包的转换。对于上行小数据传输，MME将UE封装在NAS数据包中的IP数据/非IP数据包，提取并重新封装在Diameter消息的AVP中，发送给SCEF。对于下行小数据传输，MME从Diameter消息的AVP中提取IP数据/非IP数据，封装在NAS数据包中，发送给UE。图2.5 基于SGi的控制面优化方案协议栈2.4 网络接口
为了支持NB-IoT，下列接口均需要进行相应的增强。
Uu接口
Uu接口用以在UE和eNodeB之间提供RRC连接管理。在NB-IoT技术中， Uu接口引入了NB-IoT能力协商、控制面优化流程支持和用户面优化流程支持等内容。
在Uu口上，一方面，NB-IoT终端需要和eNodeB之间交互终端的能力信息，终端需要将自身的 NB-IoT 详细能力报告给 eNodeB；另一方面，NB-IoT 终端从系统广播和RRC信令交互中，获取基站eNodeB对NB-IoT的支持能力。
对于控制面优化方案，在Uu接口上，eNodeB允许NB-IoT终端在请求RRC连接建立的过程中，在无线信令承载SRB中携带NAS数据包，在NAS数据包中封装上行小数据包。该小数据包可以是一个IP数据包，也可以是一个非IP数据包。同样地，在RRC连接过程中，下行小数据包也可以被封装在NAS数据包中，发送给UE。
对于用户面优化方案，在 Uu 接口上，NB-IoT 终端可以发起 RRC 连接挂起（RRC Resume）、RRC连接恢复（RRC Resume）过程。不同于UE进入空闲态，在RRC连接被挂起后，在UE、eNodeB上，仍然会保存UE的接入层上下文的关键信息。在NB-IoT终端发起RRC连接恢复时，eNodeB可以利用先前保存的信息，快速重建RRC连接、恢复先前给UE分配的无线空口承载、恢复S1连接，从而快速恢复上行数据传输通道。
X2接口
X2接口用以在eNodeB和eNodeB之间实现信令和数据交互，比如支持UE在eNodeB之间的切换，以及基站间信息传输。在NB-IoT技术中，X2接口引入了如下内容：跨基站用户上下文恢复。
• 跨基站用户上下文恢复：在用户面优化方案下，UE 在旧基站被挂起后，如果 UE移动到新基站，UE向新基站发起RRC连接恢复过程，携带先前从旧基站获得的恢复ID （Resume ID）。新基站在 X2 接口向旧基站发起用户上下文获取流程（Retrieve UE Context），从旧基站获取UE在旧基站挂起时保存的用户上下文信息。利用这些信息，可以在新基站上将该UE快速恢复，该技术实现了NB-IoT用户的移动管理。
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技术中，S1接口引入了如下内容：RAT 类型上报、UE 无线能力指示、控制面优化方案支持和用户面优化方案支持等。
• RAT 类型上报：请求 NB-IoT 流程的 UE，可能从 NB-IoT RAT 接入，也可能从E-UTRAN接入，为了让核心网能区分当前UE从哪个RAT接入。在S1接口上，eNodeB向MME上报当前UE所接入的RAT类型时，通过TAC来指示RAT类型，不同的RAT所分配的TAC应不一样。
• UE无线能力指示：在某些优化场景下，基站需要第一时间知道UE的无线能力信息。在S1接口上，控制面优化方案下，MME 可以使用连接建立指示（Connection Establishment Indication）消息、或下行NAS传输（Downlink NAS Transport）消息向eNodeB发送UE的无线能力。而对于用户面优化方案，MME通过用户初始文本建立请求（Initial Context Setup Request）消息向eNodeB发送UE的无线能力，或者通过下行NAS传输（Downlink NAS Transport）消息向eNodeB发送UE的无线能力。
• 控制面优化方案支持：如果UE初始附着时，MME没有为UE建立PDN连接，则在S1接口上不会携带无线承载信息，eNodeB也不会为UE建立无线数据承载DRB。当eNodeB建立无线承载时，需要知道该承载是否是非IP类型（Non-IP），从而判断是否需要执行头压缩。因此在用户初始文本建立请求（Initial Context Setup Request）、E-RAN建立请求（E-RAB Setup Request）和S1/X2切换过程中的切换请求（Handover Request）消息中增加了承载类型（Bearer Type IE），指示该承载为IP或者非IP类型。在S1接口上，使用初始UE消息（Initial UE Message）或上行NAS传输消息（Uplink NAS Transport）来投递上行小数据包，使用下行NAS传输消息（Downlink NAS Transport）来投递下行小数据包。在S1接口上，还引入了连接建立指示消息（Connection Establishment Indication），在UE有多个上行数据包发送的场景下，通过该消息实现将MME为UE分配的S1-AP接口ID（MME UE S1AP ID）发送给基站，基站可利用上行NAS传输消息（Uplink NAS Transport）来实现后续上行数据的发送。
• 用户面优化方案支持：在 S1 接口上，MME 通过用户初始文本建立请求（Initial Context Setup Request）消息、S1切换过程中的切换请求（Handover Request）消息、X2切换过程中的路径切换请求确认（Path Switch Request Acknowledge）消息，向eNodeB指示UE是否支持用户面优化方案（UE User Plane CIoT Support Indicator）。另外，在S1接口上，引入了新的UE上下文挂起流程（UE Context Suspend）和UE上下文恢复流程（UE Context Resume）。eNodeB将UE状态设为RRC空闲态后，eNodeB发起UE上下文挂起流程请求MME在EPC挂起UE上下文以及相应承载上下文。成功完成UE上下文挂起流程后，UE相关的信令连接被设置为挂起。eNodeB和MME保存恢复UE信令连接必须的所有数据相关上下文，无需再交换信息。后续UE请求RRC连接恢复时，eNodeB向MME发起UE上下文恢复流程，指示UE已经恢复了RRC连接，请求MME在EPC恢复UE上下文和相关承载上下文。若UE上下文在核心网侧无法恢复，则MME向eNodeB发送用户文本恢复失败消息，eNodeB释放RRC连接以及清除本地资源。
S10接口
S10 接口用以实现在 MME 之间的信令交换，以支持切换等操作，S10 基于 GTP-C接口。在NB-IoT技术中，S10接口引入了如下内容：NB-IoT信息传递、NB-IoT承载上下文传递等。
• NB-IoT信息传递：在MME重定位过程中，由于目标MME和源MME所支持的RAT类型、NB-IoT能力等均可能不一致，所以，在S10接口上，需要传递RAT类型、NB-IoT能力、IP头压缩配置信息等。
• NB-IoT承载上下文传递：在MME重定位过程中，需要在MME之间传递NB-IoT的PDN连接、EPS承载上下文。在传递PDN连接、EPS承载上下文时，源MME需要根据目标MME的能力来有取舍地传递。或者，目标MME根据自身能力，舍弃和自身NB-IoT能力不匹配的PDN连接、EPS承载。
S11接口
S11接口用以实现MME和SGW之间的信令交换，S11接口的控制面基于GTP-C协议。在 NB-IoT 技术中，S11 接口引入了如下内容：S11 用户面接口（即 S11-U）、非 IP的PDN连接建立、RAT类型汇报、速率控制信息传递和异常数据用量汇报等。
• S11用户面接口：根据控制面优化方案，当MME收到UE在NAS包中携带的小数据包时，需要将小数据包封装在GTP-U数据包中发送给SGW。为此，MME需要引入S11用户面接口，即增加S11-U接口，该接口基于GTP-U协议。在S11接口中，MME在指示信元（Indication）中增加S11-U模式指示，向SGW指明当前应使用S11-U而不是S1-U来传输数据。根据S11-U模式，MME需要分配S11-U用户面地址和S11-U TEID， SGW也需要分配S11-U用户面地址和S11-U TEID。
• 非IP的PDN连接建立：根据控制面优化方案，MME可向SGW/PGW发起非IP的PDN连接建立。在PDN连接类型中，增加非IP（Non-IP）的PDN连接类型，用于向SGW指明当前PDN连接用于非IP小数据传输。若MME将一个PDN标记为仅用于控制面（Control Plane Only），则用于向SGW/PGW指明当前PDN连接仅用于控制面CIoT优化。
• RAT 类型汇报：在 RAT 接入类型中增加 NB-IoT RAT，当 UE 当前接入类型为NB-IoT时，MME需向SGW指明当前RAT接入类型为NB-IoT。当SGW/PGW产生计费数据时，需要根据RAT类型正确产生计费数据。
• 速率控制信息传递：在控制面优化方案中，UE和MME之间，使用的是无线信令、NAS信令来承载用户面数据，出于保护信令资源的目的，为了避免该方式被滥用，MME会根据服务网络的策略，决定是否启用速率控制。当启用速率控制（Rate Control）后， MME将速率控制信息传递给SGW/PGW，由PGW来执行具体的上下行速率控制。
• 异常数据用量汇报：NB-IoT终端除了发送正常的小数据包外，还可能在检测到紧急情况时发送异常报告（Exception Report），该异常报告被网络视作异常数据（Exception Data），在优先级调度上要优先于正常小数据包，且可能采取远低于正常小数据包的计费策略。
S5/S8接口
S5/S8接口用以实现SGW和PGW之间的信令和数据交换。S5/S8接口的控制面基于GTP-C协议，用户面基于GTP-U协议。在NB-IoT技术下，对S5/S8接口的改进和S11接口基本相同，包括：支持NB-IoT RAT类型、支持非IP的PDN连接、支持异常数据用量报告、S11-U和S1-U模式切换汇报等。
• 非IP的PDN连接建立：SGW接收在S11接口上MME发送给SGW的非IP的PDN连接建立请求，并将该PDN连接请求发送给PGW，具体细节同S11接口。
• RAT类型汇报：SGW收到MME报告的RAT类型，在S5/S8接口上向PGW报告该RAT类型，具体细节同S11接口。
• 速率控制信息传递：SGW收到MME发送的速率控制信息，在S5/S8接口上向PGW发送速率控制信息，具体细节同S11接口。
• 异常数据用量汇报：SGW收到MME所报告的异常数据用量，在S5/S8接口上向PGW发送异常数据用量，具体细节同S11接口。S11-U和S1-U模式切换汇报：在计费系统中，对使用控制面传输模式（即S11-U模式）还是使用用户面传输模式（即基于S1-U 模式）的计费策略可能是有差别的。对 PGW 而言，需要明确当前 PDN 连接基于S11-U模式还是基于S1-U模式，因此，在S5/S8接口上，SGW需要将该模式信息传递给PGW。
S6a接口
S6a接口用以实现MME和HSS之间的信令交互，如获取用户签约数据等。S6a接口基于Diameter协议。在NB-IoT技术中，S6a接口引入了如下内容：针对NB-IoT的接入限制、针对非IP的APN配置和指定用于SCEF连接（T6连接）的APN配置等。
• NB-IoT接入限制：在用户签约数据中，对接入限制，增加NB-IoT是否准入的限制。对NB-IoT终端，允许通过NB-IoT的RAT接入。对普通用户终端，可设置不允许通过NB-IoT的RAT接入。
• 非IP的APN配置：针对非IP的PDN连接，在用户签约数据中，增加用于非IP （Non-IP）的PDN连接的默认APN配置。即增加一个专用于非IP连接的APN配置，该APN配置被标记了Non-IP指示。
• 指定用于SCEF连接的APN配置：如果一个非IP的PDN连接是由SCEF来实现，而不是由PGW来实现，则在用户签约数据中，对相应的APN配置，需要设置SCEF连接指示，并配置SCEF标识或地址。
S6t接口
S6t接口用以实现SCEF和HSS之间的信令交互，如配置MTC相关业务配置信息、验证非IP数据传输（Non-IP Data Delivery，NIDD）授权等。S6t接口基于Diameter协议。
在NB-IoT技术中，S6t接口引入了如下内容：NIDD授权验证。
• NIDD授权验证：当SCEF收到MME投递的上行小数据包后，SCEF需要检查是否有对应的SCS/AS向SCEF请求过NIDD配置，即检查是否有已授权的SCS/AS作为接收端。当SCS/AS向SCEF请求NIDD配置时，SCEF需要向HSS执行NIDD授权验证。只有NIDD授权验证成功，SCS/AS才可以向UE发送下行小数据包，或从UE接收上行小数据包。
T6接口
T6接口用以实现MME/SGSN和SCEF之间的信令交互，其中，MME和SCEF接口为T6a，SGSN和SCEF之间接口为T6b。T6接口基于Diameter协议。在NB-IoT技术中， T6接口是新引入的接口，实现如下内容：T6连接管理、上下行非IP数据投递等。
• T6连接管理：为了在T6接口上投递上下行NIDD数据，需要首先建立T6连接。T6连接的建立，由MME向SCEF发起。T6连接的更新和释放，可由MME或SCEF发起。
• 上下行非IP数据投递：通过T6接口，允许MME向SCEF投递上行非IP数据，允许SCEF向MME投递下行非IP数据。2.5 网元实体
在NB-IoT架构和流程中，如下网元实体均有相应的功能增强：UE、eNodeB、MME、HSS、SGW、PGW和SCEF。
UE
在NB-IoT技术中，对UE引入了如下内容：和网络协商NB-IoT能力、支持控制面优化流程、支持用户面优化流程和执行上行速率控制等。
• 和网络协商NB-IoT能力：UE可以在附着（Attach）、跟踪区域更新（TAU）流程中，向网络上报自身所支持的NB-IoT能力，如：是否支持附着时不建立PDN连接；是否支持控制面优化传输方案；是否支持用户面优化传输方案和是否支持基于控制面优化方案的短信等。在响应消息中，MME将网络所支持的NB-IoT能力反馈给UE。后续UE发起上行数据传输时，可根据能力协商情况，自行选择是采用控制面优化传输方案还是用户面优化传输方案。
• 支持控制面优化流程：在NB-IoT技术中，控制面优化流程是UE和网络必须支持的。使用该流程，UE可以在RRC连接建立流程中，通过信令携带上行小数据包，即在无线信令承载SRB中携带NAS数据包，在NAS数据包中封装UE要发送的IP、非IP数据。同理，也可以在RRC连接建立流程中，从信令中获取网络下发的下行小数据包。
• 支持用户面优化流程：在NB-IoT技术中，用户面优化流程是可选支持的。若UE支持用户面优化流程，则UE需要支持RRC连接挂起、RRC连接恢复流程。
• 支持控制面优化流程向用户面优化流程的切换：即使UE和网络同时支持控制面优化和用户面优化两种模式，在任一时刻，UE只允许使用控制面优化或用户面优化一种模式。但是，当前UE使用控制面优化模式时，允许UE从控制面优化模式向用户面优化模式切换。
• 支持上行速率控制：MME可根据服务网络的情况，产生服务网络级别的速率控制信息。PGW可根据APN设置或本地策略，产生PDN连接级别的速率控制信息。速率控制信息分上行和下行两部分，MME、PGW将上行速率控制信息发送给UE后，UE必须按照该上行速率信息，控制上行小数据传输。
eNodeB
在NB-IoT技术中，对eNodeB引入了如下内容：NB-IoT能力协商、支持控制面优化方案和支持用户面优化方案。
• NB-IoT能力协商：为了支持NB-IoT流程，UE需要知道eNodeB的NB-IoT能力，而eNodeB也需要知道UE的NB-IoT能力。UE可从eNodeB的系统广播获取基本的NB-IoT能力。在RRC连接过程中，UE可以和eNodeB交互更详细的NB-IoT能力信息。eNodeB还可以在S1接口上，从MME获得UE的NB-IoT能力信息。
• 可通过RRC连接过程和eNodeB交换NB-IoT能力支持UE和eNodeB协商CIoT能力信息，以及向MME汇报UE当前接入的NB-IoT RAT信息。
• 支持控制面优化方案：eNodeB需要控制面优化的流程，比如，不为UE建立无线数据承载DRB、允许在RRC连接建立流程中通过NAS信元传输小数据包等。
• 支持用户面优化方案：eNodeB需要支持RRC连接挂起（RRC Suspend）和RRC连接恢复（RRC Resume）过程。在RRC连接挂起后，eNodeB需要在本地缓存AS安全上下文、无线承载信息、S1连接信息等UE上下文，以便在RRC连接恢复流程时快速恢复RRC连接和S1连接。
MME
在NB-IoT技术中，对MME引入了如下内容：NB-IoT能力协商、附着时不建立PDN连接、创建非IP的PDN连接、支持控制面优化方案、支持用户面优化方案和支持有限制性的移动性管理等。
• NB-IoT能力协商：UE可通过附着（Attach）、跟踪区域更新（TAU）流程和MME协商NB-IoT能力。另外，若需要IP头压缩时，UE和MME之间需要协商头压缩算法和参数。
• 附着时不建立PDN连接：UE附着时可请求不创建PDN连接，则MME不为UE创建默认PDN连接。如果UE接入NB-IoT仅为发送SMS短信，则UE在初始附着时可请求不创建PDN连接。
• 创建非IP的PDN连接：根据UE请求、或APN设置，MME可为UE创建非IP的PDN连接。NB-IoT实现了两种类型的非IP的PDN连接，一种是基于SGi的非IP的PDN连接（即基于PGW），一种是基于T6的非IP的PDN连接（即基于SCEF）。MME根据APN的配置，选择创建何种类型的非IP的PDN连接。
• 支持控制面优化方案：在NB-IoT技术中，控制面优化方案是必选的，MME必须支持。在基于SGi的非IP的PDN连接中，MME需要和SGW建立基于GTP-U的S11-U连接。在基于T6的非IP的PDN连接中，MME需要和SCEF建立基于Diameter的T6连接。对上行非IP小数据传输，MME从NAS数据包中提取上行非IP小数据包，封装在GTP-U数据包中发送给SGW，或封装在Diameter消息中发送给SCEF。对下行非IP小数据传输，MME从GTP-U数据包中提取下行非IP小数据包，或从Diameter消息中提取下行非IP小数据包，然后封装在NAS数据包中发送给UE。
• 支持用户面优化方案：在NB-IoT技术中，用户面优化方案是可选的。若MME支持用户面优化方案，MME需要支持新引入的S1接口流程：UE上下文挂起、UE上下文恢复。在收到UE上下文挂起消息后，MME将UE置入空闲态，保存UE上下文，并触发SGW释放S1-U连接。在收到UE上行文恢复消息后，MME将UE置入连接态，并向SGW发送eNodeB的下行S1-U接口上下文，触发SGW恢复S1-U连接。
• 支持有限制性的移动性管理：在切换MME时，根据不同MME对NB-IoT的支持能力，源MME有选择地交换PDN连接和EPS承载上下文，或目标MME有选择地接收PDN连接和EPS承载上下文。
HSS
在NB-IoT技术中，HSS引入了如下内容：对UE签约NB-IoT接入限制、为UE配置非IP的默认APN和验证NIDD授权等。
• NB-IoT接入限制：在UE的签约数据中，针对NB-IoT设置接入限制。NB-IoT应允许从NB-IoT的RAT接入，非NB-IoT终端可禁止从NB-IoT的RAT接入。
• 配置非IP的默认APN：在UE的签约数据中，配置用于非IP（Non-IP）连接的默认APN，指定该PDN连接是基于SGi（即基于PGW），还是基于T6（即基于SCEF）。对基于SCEF的PDN连接，配置SCEF标识或地址。
• 验证NIDD授权：接收SCEF的NIDD授权，验证请求NIDD的SCS/AS是否允许发起或接收NIDD。
SGW
在NB-IoT技术中，SGW引入了如下内容：支持NB-IoT的RAT类型、支持S11-U隧道、转发速率控制信息等。
• 支持NB-IoT的RAT类型：当MME向SGW发送NB-IoT的RAT类型，SGW需要将该RAT类型转发给PGW。SGW/PGW在产生计费数据时，需要记录NB-IoT的RAT。
• 支持S11-U隧道：在控制面优化方案中，MME在创建PDN连接请求中会指示SGW建立S11-U隧道。当SGW收到下行数据时，若S11-U连接存在，SGW将下行数据投递给MME，否则触发MME执行寻呼。
• 转发速率控制信息：当SGW收到MME发送的速率控制信息后，需要转发给PGW。当SGW收到PGW发送的扩展PCO时，需要转发给MME。MME可根据服务网络情况，产生服务网络级别的速率控制信息，发送给SGW/PGW。PGW可根据APN设置和本地策略，产生PDN连接级别的速率控制信息，并将该速率信息封装在扩展PCO中，经由MME发送给UE。
• 支持由MME触发的在控制面优化、用户面优化间的切换，即在S11-U、S1-U传输方式间的切换。
PGW
在NB-IoT技术中，PGW引入了如下内容：支持NB-IoT的RAT类型、创建非IP的PDN连接和执行速率控制等。
• 支持NB-IoT的RAT类型：SGW向PGW报告NB-IoT的RAT类型，PGW在产生计费数据时，需要记录NB-IoT的RAT。
• 创建非IP的PDN连接：对非IP的PDN连接，PGW不为UE分配IP地址，或者即使为UE分配IP地址但是该IP地址也不会发给UE。PGW和外部SCS/AS间使用隧道通信，如PPP隧道。通常，用于非IP的APN，将指使PGW和一个特定的SCS/AS建立隧道。
• 执行速率控制：MME可根据服务网络情况，产生服务网络级别的速率控制信息，发送给SGW/PGW、UE。PGW可根据APN设置和本地策略，产生PDN连接级别的速率控制信息，并将该速率信息封装在扩展PCO中，经由MME发送给UE。PGW在产生PDN级别的速率控制信息时，需要参考 MME 所设置的服务网络级别的速率控制信息。根据速率控制，PGW 需要对下行数据传输执行速率控制，PGW 还可能根据运营商要求，对上行数据传输执行速率控制。
• 有区别产生计费数据：根据计费系统的要求，需要记录当前PDN连接是使用控制面传输模式（即S11-U模式）、还是用户面传输模式（即S1-U模式），PGW需要从SGW获取该模式信息，从而产生有区别的计费CDR。
SCEF
在NB-IoT技术中，SCEF引入了如下内容：非IP数据传输授权检查、T6连接管理和上下行非IP数据投递等。
• 非IP数据传输授权检查：SCEF接收SCS/AS的非IP数据传输（NIDD）配置请求，对该SCS/AS的非IP数据传输配置请求，需要向HSS请求授权验证，确保该SCS/AS被允许执行非IP数据传输。
• T6连接管理：SCEF接收MME发起的T6连接建立请求，据此建立T6连接。根据MME的请求，SCEF还对T6连接执行更新、释放等操作。
• 上下行非IP数据投递：SCEF接收MME在T6连接上发起的上行数据投递，并将数据前转给SCS/AS。或者，SCEF接收SCS/AS发起的下行数据投递，并在T6连接上将数据前转给MME。▶▶第3章NB-IoT空口控制面协议Chapter 3
对于基于3GPP R13版本的NB-IoT系统，不支持以下功能：异制式间的移动性、切换、测量报告、公共告警、GBR、CSG、HeNB、载波聚合、双连接、NAICS、MBMS、实时业务、IDC、接入网辅助的WLAN互操作、设备之间通信、MDT、紧急业务和CSFB。
本书中对NB-IoT空口控制面和用户面协议功能的描述将不会涉及这些功能。3.1 概述
NB-IoT采用的空口控制面协议栈如图3-1所示，主要负责对无线接口的管理和控制，包括RRC协议、PDCP协议、RLC协议、MAC协议以及物理层协议。其中，对于仅支持控制面优化传输方案的NB-IoT终端，将不使用PDCP协议；对于同时支持控制面优化传输方案和用户面优化传输方案的NB-IoT终端，在接入层安全（AS security）激活之前不使用PDCP协议。
NB-IoT空口控制面各协议子层功能主要包括：
• 无线资源控制 RRC 子层执行系统消息广播、寻呼、RRC 连接管理（连接建立/恢复/释放/挂起，其中，NB-IoT增加连接恢复和连接挂起）、无线承载控制、无线链路失败恢复、空闲态移动性管理、与非接入层NAS间的交互、接入层安全以及对各底层协议提供参数配置等功能；
• PDCP子层执行对信令无线承载的加密和完整性保护等功能，具体参考第4.3节；
• RLC子层、MAC子层和物理层执行数据传输的相关功能，具体参考第4.1节，第4.2节和第5章。图3.1 空口控制面协议栈
空口控制面的功能主要由RRC实现，本章将对NB-IoT的RRC功能进行介绍。3.2 RRC架构
无线资源控制（RRC，Radio Resource Control）协议位于空口控制面协议的最高层，涉及的主要规范包括TS36.300（整体描述）、TS36.331（连接模式）、TS36.304（空闲模式）以及TS36.306（终端能力）。
NB-IoT 系统支持两个 RRC 状态：空闲（RRC_Idle）状态和连接（RRC_Connected）状态。当终端和基站间进行连接建立或连接恢复时，终端从空闲态迁移到连接态；当终端和基站间进行连接释放或连接挂起时，终端从连接态迁移到空闲态。RRC 状态模型如图3.2所示。图3.2 RRC状态模型
NB-IoT 系统中的空闲态除支持和 LTE 中相同的获取系统消息、监听寻呼、发起RRC连接建立以及终端控制的移动性机制，还具有以下特征：
• 可以发起RRC连接恢复过程；
• 在终端和基站上保存接入层的上下文（仅适用于用户面优化传输方案）；
• 不支持终端专门的空闲态DRX。
NB-IoT系统中的连接态对LTE的连接态功能进行了简化，除支持和LTE相同的执行资源调度操作、接收或发送RRC信令以及在已建立的数据承载/信令承载上收发数据，还具有以下特征：
• 不支持网络控制的移动性（切换、测量报告等）；
• 不监听寻呼和系统消息；
• 不支持信道质量反馈。
NB-IoT中支持3个信令无线承载（Signalling Radio Bearer，SRB），分别是SRB0， SRB1 和 SRB1bis（考虑到 NB-IoT 系统中对信令承载的功能进行了简化，因此 NB-IoT系统中不支持SRB2，但为了减少PDCP安全功能的封装开销，引入了SRB1bis），用于传输RRC消息和NAS消息，它们的功能包括：
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]