详解NB-IoT传输方式

　　为了解决现有蜂窝网传输方式功耗高、无法支持长续航的缺点，NB-IoT通过简化系统流程、加快传输速度等方式来降低终端功耗，提高续航能力，满足物联网业务的长续航需求。

　　从传输内容看，可以传输三种数据类型，分别为IP、非IP（Non-IP）和短消息（SMS）。IP传输与LTE下传输的差异不大，SMS传输方式相比传统有一定的改动。

　　非IP类型的传输为NB-IoT新引入的数据类型，如果终端采用该类型的传输，在PDN连接过程中网络不为终端分配IP地址，该数据类型的传输有两条路径，一条为通过传统的IP类型的传输路径；另一条为通过新引入的SCEF进行传输。非IP类型数据的路由有两种方式，一种为在PDN连接建立过程中P-GW为终端分配IP地址，但该地址不传输给UE，只保存在P-GW内部，P-GW后的选址与原LTE相同；另一种方式为采用绑定的方式，采用上层应用的标识进行寻址。将UE传输的数据与SCEF及AS绑定。

　　NB-IoT传输方式可分为三类：控制面传输、用户面传输和短消信传输。下面将针对这三类传输方式展开介绍。

　　1、控制面传输

　　由于CIoT终端大部分时候都是小包传输，并且发包间隔较长，为了节省开销，提出了控制面数据传输方案。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NAS协议数据单元（PDU）中传输，无须建立数据无线承载（DRB）和基站与S-GW之间的S1-U承载，节省了终端和系统的开销，简化了终端和网络的实现，节省了端到端各网元的成本。

　　控制面数据传输是通过RRC、S1-AP协议进行NAS传输，并通过MME与S-GW之间，以及S-GW与P-GW之间的GTP-U隧道来实现。对于非IP数据，也可以通过MME与SCEF之间的连接来实现。

　　当采用控制面优化时，MME应支持封装在NAS PDU中的小包数据传输；并通过与S-GW之间建立S11-U连接，完成小包数据在MME与S-GW之间的传输。

　　对于IP数据，UE和MME可基于RFC4995定义的ROHC框架执行IP头压缩。对于上行数据，UE执行ROHC压缩器的功能，MME执行ROHC解压缩器的功能。对于下行数据，MME执行ROHC压缩器的功能，UE执行ROHC解压缩器的功能。通过IP头压缩功能，可以有效节省IP头的开销，提高数据传输效率。

　　控制面传输主要通过在信令消息中进行数据传输，直接将数据包含在NAS（非接入层）信令消息中进行传输，不需要进行用户面建立，控制面传输信令流程如下图。

　　1～2步：P-GW发送下行数据给S-GW，并通知MME。

　　3～4步：MME发起对UE的寻呼过程。

　　5～6步：UE进行RRC连接过程，将UE从idle态变为connect态，同时建立S1连接。

　　7～10步：MME完成与S-GW的用户面建立过程，S-GW完成与P-GW的用户面建立过程。

　　11～14步：S-GW将数据通过用户面发送到MME，MME通过NAS消息将数据发送到UE。

　　15～18步：UE将上行数据通过NAS消息发送到MME，MME通过用户面将数据发送到P-GW。

　　19～20步：进行RRC连接及S1连接的释放。

　　2、用户面传输

　　为了使空闲态用户快速恢复到连接态，并减少终端和网络交互的信令，提出了用户面数据优化传输方案。

　　终端从连接态进入空闲态时，eNodeB通过Connection Suspend流程挂起RRC连接，eNodeB存储该终端的AS信息、SlAP关联信息和承载上下文，终端存储AS信息，MME存储该终端的S1AP关联信息和承载上下文。

　　当终端处于空闲态时，如果终端有上行数据需要发送，或者收到网络的寻呼信令，终端将发起Connection Resume流程，快速的恢复UE和eNodeB之间的RRC连接，以及eNodeB和MME之间的S1连接，而无须使用Service Request流程来建立eNodeB与UE间的接入层（AS）上下文。

　　为维护UE在不同eNodeB间移动时用户面优化数据传输方案，eNodeB上挂起的AS上下文信息应通过X2接口在eNodeB间传送。

　　用户面传输过程通过优化现有传输方式，终端需要传输数据时，需要分为两个过程：一个是挂起流程，另一个是恢复流程。

　　（1）挂起流程

　　终端与网络建立好接入层（Access Strautm，AS）信息后，基站发起挂起流程后，UE存储相关的AS层信息，如：承载信息及安全信息，基站存储相关的AS信息及S1AP的关联信息。UE进入Idle状态相关存储的信息不删除，进行恢复时不需要重新进行这些相关信息的建立，直接进行恢复。用户面传输挂起流程如下图。

　　具体流程解释为：

　　1步：基站eNodeB向MME发送S1 UE去激活背景请求。

　　2-3步：MME与S-GW之间进行释放接入承载，释放S1-U承载信息。

　　4步：MME向基站回复S1 UE去激活背景响应。

　　5步：MME向UE发送RRC连接挂起消息，UE进入空闲态。

　　（2）恢复流程

　　终端与网络挂起后，终端需要发送数据时，直接发起恢复流程，终端和基站直接进行相关信息的恢复，不再需要重新进行承载建立及安全信息的重协商。直接进行恢复加快了恢复速度同时节省了信令。用户面传输恢复流程如下图。

　　具体流程解释为：

　　1-2步：UE发送随机接入，发起RRC连接恢复。

　　3-4步：基站与MME间进行S1 -AP UE上下文激活。

　　5步：RRC连接重配置。

　　6步：上行数据发送。

　　3、控制面与用户面传输并存

　　控制面板方案适合传输小包数据，而用户面方案适合传输大包数据。当用户采用控制面方案传输数据时，如果有大包数据传输需求，则可由终端或者网络发起由控制面方案到用户面方案的转换，此处的用户面方案包括普通用户面方案和优化的用户面方案。空闲态用户通过Service Request流程发起控制面到用户面方案的转换，MME收到终端的Service Request后，需删除和控制面方案相关的S11-U信息和IP头压缩信息，并为用户建立用户面通道。

　　连接态用户的控制面到用户面方案的转换可以由终端通过Control Service Request流程发起，也可以通过MME直接发起。MME收到终端Control Service Request消息，或者检测到下行数据包较大时，删除和控制面方案相关的S1-U信息和IP头压缩信息，并为用户建立用户面通道。

　　4、Non-IP数据传输

　　为了支持更多的物联网应用，适配更多的数据传输格式，CIoT引入了对Non-IP数据传输的支持。Non-IP数据是非IP结构化的数据，数据包的格式可以由终端和应用服务器之间自定义，网络为其提供传输的通道和路由。在核心网侧，目前存在经过SCEF的Non-IP数据传输和经过P-GW的Non-IP数据传输两大方案。

　　经过SCEF实现Non-IP数据传输方案，基于在MME和SCEF之间建立的指向SCEF的PDN连接，该连接实现于T6a接口，在UE附着时，UE请求创建PDN连接时被触发建立。UE并不感知用于传输Non-IP数据的PDN连接是指向SCEF的还是指向-P-GW的，网络仅向UE通知某Non-IP的PDN连接使用控制面优化方案。

　　在T6a接口上，使用IMSI来标识一个T6a连接/SCEF连接所归属的用户，使用EPS承载ID来标识SCEF承载。在SCEF和SCS/AS间，使用UE的External Identifer或MSISDN来标识用户。

　　经过P-GW的Non-IP数据传输，目前存在两类传输方案：一种是基于UDP/IP的PtP隧道方案，另一种是其他类型的PtP隧道方案。无论是用户面优化的数据传输还是控制面数据传输，都可以使用SGi接口的non-IP数据传输方式。在PDN连接建立的时候，P-GW根据预配置的信息决定使用什么传输方案。

　　（1）基于UDP/IP的PtP隧道方案

　　1）在P-GW上，预先配置AS的IP地址，如以APN为粒度进行配置。

　　2）UE发起附着并建立PDN连接后，P-GW为UE分配IP地址（该IP不返回给UE），并建立（GTP隧道ID，UEIP）映射表。P-GW不会同时分配IPv4和IPv6地址，而是只会分配一个地址。

　　3）对于上行数据，P-GW收到UE侧的Non-IP数据后，将其从GTP隧道中剥离，并加上IP头（源IP为P-GW为UE分配的IP，目的IP为AS的IP），然后经由IP网络发往AS。

　　4）对于下行数据，AS收到Non-IP地方数据，使用P-GW为终端分配的IP和3GPP定义的为non-IP传输定义的UDP端口对进行UDP/IP封装。P-GW解封装（删除UDP/IP头）之后在3GPP的GTP隧道中传输。

　　（2）基于其他类型的PtP隧道方案

　　SGi的PtP隧道还支持例如PMIPV6/GRE、L2TP、GTP-C/U等。基本的实现机制如下：

　　1）在P-GW和AS之间建立点到点的隧道，根据PtP隧道类型的不同，可能建立的时间不同：可以在附着的时候建立，或者等到第一次发起MO数据的时候建立。P-GW根据本地配置选择合适的AS，可以基于APN粒度，或者基于AS支持的PtP隧道类型。P-GW不需要为UE分配地址。

　　2）对于上行non-IP数据，P-GW在PtP隧道上将non-IP数据发送给AS。

　　3）对于下行non-IP数据，AS需要根据一个索引来定位对应的SGi PtP隧道（可以是UE的标识），并将下行数据发送给P-GW，P-GW收到后在3GPP的GTP隧道中传输。

　　5、短消息传输

　　核心网为CIoT终端提供短消息业务存在以下两种技术方案：即基于SGs接口的短消息方案或基于SGd接口的短消息方案，而核心网提供短消息业务的技术方案对UE来说是不可见的。不管采用哪种方案，CIoT终端在请求短消息业务可以仅使用EPS域附着或TAU流程，而无须使用传统CSFB方案中的联合EPS/IMSI附着或TAU流程。

　　1）基于SGs接口的短消息方案，采用传统CSFB网络架构，MME通过与MSC间的SGs接口，将短消息业务交由MSC进行控制，而MSC到HSS/HLR和SMS-SC的接口及信令流程与传统CSFB短消息业务处理机制相同。

　　2）基于SGd接口的短消息方案，MME直接执行短消息业务的控制和处理，通过MME与HSS间的S6a接口，MME接收到用户短消息签约信息：通过MME与SMS-SC间的SGd接口，MME直接与SMS-SC进行短消息的收发操作；通过HSS与SMS-SC间的S6c接口，SMS-SC获取处理被叫短消息业务所需路由信息。

　　NB-IoT对于短消息有一定的修改，主要包括两部分：

　　1）在LTE下终端如果需要注册短消息功能，需要在attach过程中发起联合附着过程（combined EPS/IMSI attach）；而在NB-IoT下只需要进行EPS attach过程，降低终端实现复杂度。

　　2）增加MME与SMSC之间的直接接口SGd，MME与SMSC间直接传送短信，不经过MSC中转。