戴明珠 李鐘瑞

摘 要：基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)在復雜應用環(huán)境中往往會出現(xiàn)連接不穩(wěn)定、時延過長等問題。為解決由APN參數(shù)設(shè)置導致的NB-IoT業(yè)務(wù)問題，優(yōu)化用戶體驗，對不同種類的NB-IoT業(yè)務(wù)中包括APN參數(shù)在內(nèi)的一系列關(guān)鍵參數(shù)進行了研究。分析了NB-IoT業(yè)務(wù)的組網(wǎng)架構(gòu)，通過對比不同參數(shù)設(shè)置對固定NB-IoT業(yè)務(wù)應用的影響，確定各關(guān)鍵參數(shù)的推薦配置值。以某智能小區(qū)內(nèi)安裝的NB智能門禁模組遇到的網(wǎng)絡(luò)問題為案例，對NB-IoT的端到端業(yè)務(wù)優(yōu)化工作進行分析，通過實驗證明關(guān)鍵參數(shù)推薦配置值的有效性，為NB-IoT技術(shù)在不同垂直行業(yè)中的應用提供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);NB-IoT;APN;關(guān)鍵參數(shù);智能門禁

DOI：10. 11907/rjdk. 181740

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）003-0168-05

0 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)作為移動通信行業(yè)的新興業(yè)務(wù)發(fā)展迅猛，針對低功耗廣覆蓋類LPWA應用設(shè)計的新型窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)，由于具有大連接、低功耗、低成本等優(yōu)勢受到越來越多的關(guān)注，NB-IoT的標準、設(shè)備、芯片、模組、測試、應用、網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速[1-5]。2017年是三大運營商物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展的突破之年，各項NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)應用頻頻推出[6-9]。雖然2016年NB-IoT對應的3GPP核心協(xié)議已全部完成[10-11]，但作為新興的網(wǎng)絡(luò)制式和組網(wǎng)模式，NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作仍任重道遠。

APN是手機上網(wǎng)必須配置的一個參數(shù)，它決定了手機通過哪種接入方式訪問網(wǎng)絡(luò)。由于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)種類較為復雜，選擇不同的APN可讓終端接入不同的核心網(wǎng)，從而享有差異化的服務(wù)功能。已有的APN優(yōu)化方案主要通過APN融合和APN參數(shù)修改兩種方式進行業(yè)務(wù)優(yōu)化。2013年，楊繼為和楊麗等[12-13]分別提出了APN融合改造方案，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)情況給出了推薦方案;同年，周俊茂等 [14]完成了對其提出的APN融合網(wǎng)絡(luò)改造技術(shù)的可行性分析。雖然APN融合方案有著諸多優(yōu)點，但對于接入網(wǎng)點單一的業(yè)務(wù)類型來說，ANP融合方案很不合適，對于此種類型的業(yè)務(wù)用戶一般采用優(yōu)化APN參數(shù)的方法進行業(yè)務(wù)改進[15-18]。

本文介紹了NB-IoT的業(yè)務(wù)種類、網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、關(guān)鍵參數(shù)，引入部分案例對NB-IoT的端到端業(yè)務(wù)優(yōu)化工作進行分析。通過對APN及相關(guān)參數(shù)的介紹，闡述了NB-IoT在智能抄表、智能家居、市政物聯(lián)、物流追蹤、智能穿戴、廣域物聯(lián)和工業(yè)物聯(lián)等垂直行業(yè)中的應用，尤其針對不同業(yè)務(wù)種類特點進行了網(wǎng)絡(luò)配置及參數(shù)優(yōu)化，可為后續(xù)優(yōu)化工作提供參考。

1 NB-IoT

1.1 物聯(lián)網(wǎng)簡介

物聯(lián)網(wǎng)，顧名思義是把所有物品通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，實現(xiàn)任何物體、任何人、任何時間、任何地點的智能化識別、信息交換與管理[19-20]。物與物之間進行通信的網(wǎng)絡(luò)稱為物聯(lián)網(wǎng)，即Internet of Things，簡稱IoT，它是通過無線射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。比如車聯(lián)網(wǎng)、家電聯(lián)網(wǎng)、動物聯(lián)網(wǎng)等，物聯(lián)網(wǎng)應用行業(yè)及場景見表1。

在人機匹配率達到95%以上的當下，物聯(lián)網(wǎng)對運營商和設(shè)備制造商而言，相當于挖到了一座寶藏，蘊藏著巨大的商業(yè)價值和社會價值。根據(jù)預測，2020年全球終端連接數(shù)將達到500億個，物網(wǎng)連接數(shù)將達到人網(wǎng)連接數(shù)的4倍。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準

物聯(lián)網(wǎng)對功耗、覆蓋、連接數(shù)量這幾個指標較為敏感，但大部分物聯(lián)網(wǎng)應用對網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率卻不敏感。于是，低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）概念應運而生。

LPWAN物聯(lián)網(wǎng)包括很多技術(shù)標準，目前使用的主流技術(shù)標準包括NB-IoT、LoRa、Sigfox、eMTC，見表2。

由于頻譜原因，LoRa技術(shù)和Sigfox技術(shù)在競爭上沒有明顯優(yōu)勢。在長期不斷的博弈和競爭過程中，NB-IoT脫穎而出，處于暫時領(lǐng)先地位?？梢院蚇B-IoT勢均力敵的是eMTC（enhanced Machine Type of Communication），即增強型機器類型通信。但是eMTC和NB-IoT的應用場景不同，eMTC適合對速度和帶寬有較高要求的物聯(lián)網(wǎng)應用。鑒于此，我們把研究重點放在當前比較熱門的NB-IoT上。

1.3 NB-IoT特性與優(yōu)勢

NB-IoT的主要優(yōu)勢如圖1所示，具體有以下幾個方面：

（1）功耗能耗方面，NB-IoT犧牲了速率卻換回了更低的功耗。采用簡化的協(xié)議更合適的設(shè)計，大幅提升了終端待機時間，部分NB終端待機時間甚至可以達到10年。

（2）信號覆蓋方面，NB-IoT有更好的覆蓋能力（20dB增益），地下停車場甚至是埋在井蓋下面的水表，也不影響信號收發(fā)。

（3）連接數(shù)量方面，每個小區(qū)可以支持5萬個終端。

（4）最重要的是成本價格方面，NB-IoT通信模塊成本很低，每模組在5美元以內(nèi)，有利于大批量采購和使用。

2 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)介紹

2.1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖2中的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所示，NB-IoT業(yè)務(wù)端到端網(wǎng)絡(luò)主要分為以下6個部分：①NB終端，包含模組和芯片;②無線接入網(wǎng)絡(luò);③省內(nèi)核心網(wǎng)網(wǎng)元;④物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng);⑤物聯(lián)網(wǎng)開放平臺;⑥客戶應用。

以某運營商為例，NB-IoT終端通過全國800M無線網(wǎng)絡(luò)接入，經(jīng)過31個省的核心網(wǎng)網(wǎng)元數(shù)據(jù)處理（MME，SGW）后，將數(shù)據(jù)匯聚到物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)，并經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)開放平臺處理后發(fā)送到客戶平臺。

2.2 NB-IoT Attach附著流程

UE通過Attach流程，實現(xiàn)在EPC上進行EPS注冊。Attach流程完成后，UE附著到窄帶網(wǎng)絡(luò)上，處于EMM-REGISTERED狀態(tài)，核心網(wǎng)獲得UE位置并可對其進行尋呼。

Attach流程：RRC建立→鑒權(quán)→安全模式識別→Attach成功，如圖3所示。

圖3中，T3410表示UE側(cè)定時器，T3450表示MME等待附著TAU完成GUTI重分配響應定時器。Attach request消息由MAG5攜帶，通過Initial UE message發(fā)送到核心網(wǎng)。其它消息如鑒權(quán)、加密等均攜帶在NAS PDU中。

3 NB-IoT關(guān)鍵參數(shù)

3.1 Active Time激活定時器（T3324）

圖4所示為NB-IoT終端PSM圖例，Power saving mode （PSM）是3GPP R12引入的功能，允許終端在TAU和Attach流程后，在激活定時器T3324超時后進入深度休眠期即節(jié)電模式，在節(jié)電模式終端不監(jiān)聽尋呼，同時終端關(guān)閉自己的射頻收發(fā)單元，從而使耗電量比空閑狀態(tài)大大減少。在節(jié)電模式下，網(wǎng)絡(luò)無法訪問終端，只能等待終端喚醒后向基站發(fā)起隨機接入過程以進入連接狀態(tài)，在Active Time這段時間內(nèi)被叫業(yè)務(wù)才能使用。

配置建議：按照核心網(wǎng)配置參數(shù)建議配置。

配置說明及影響：配置過大會導致UE的耗電量增加，配置過小可能導致尋呼不及時。

3.2 MME本地配置的周期性跟蹤區(qū)更新定時器（T3412）

UE在PSM期間，不接收任何網(wǎng)絡(luò)尋呼。對于網(wǎng)絡(luò)側(cè)來說UE此時是不可達的，數(shù)據(jù)、短信、電話均進不來，只有當TAU周期請求定時器（T3412）超時（周期TAU/RAU定時器超時后需要執(zhí)行周期TAU/RAU），或者UE有MO業(yè)務(wù)要處理而主動退出時，UE才會退出PSM模式進入空閑態(tài)，進而進入連接態(tài)處理上下行業(yè)務(wù)。TAU周期請求定時器（T3412）由網(wǎng)絡(luò)側(cè)在Attch和TAU消息中指定，3GPP協(xié)議規(guī)定默認為54min，最大可達310h。

表4為T3412參數(shù)配置建議，按照核心網(wǎng)建議配置的86400s進行配置。該參數(shù)配置過小將會導致UE的耗電量增加，配置過大可能導致尋呼不及時，一般來說，該參數(shù)設(shè)置應比數(shù)據(jù)上傳周期大一點。

3.3 eDRX周期

圖5所示為NB-IoT 終端eDRX圖例，空閑態(tài)eDRX引入超幀hyper SFN（H-SFN），即eDRX周期長度以hyper SFN（H-SFN）為單位，最大1 024個H-SFN。一個H-SFN包括1 024個SFN，因此最大的eDRX周期為10 485.76s（174min），這樣終端可以用更長的周期監(jiān)測Paging，更有效地節(jié)電。終端和核心網(wǎng)在注冊或TA更新流程中協(xié)商eDRX周期長度和PTW（Paging Transmission Window），尋呼終端時，核心網(wǎng)在S1接口的Paging消息中攜帶eDRX周期和PTW給無線。PTW是在每個DRX周期內(nèi)終端監(jiān)測尋呼消息的時長。

表5為eDRX周期參數(shù)配置建議，按照核心網(wǎng)建議配置的43.68min進行配置。該參數(shù)配置過小會導致UE耗電量增加，配置過大可能導致尋呼不及時。

3.4 尋呼窗口定時器PTW Value

PTW（Paging Transmission Window）值是在每個DRX周期內(nèi)終端監(jiān)測尋呼消息的時長。UE在PTW內(nèi)周期性監(jiān)聽尋呼信道，判斷是否有下行業(yè)務(wù)。

表6為PWT值參數(shù)配置建議，按照核心網(wǎng)建議配置的40.96s進行配置。該參數(shù)值配置過大將導致UE的耗電量增加，過小可能導致尋呼不及時。

4 NB-IoT APN

4.1 APN

APN即Access Network Point，主要由APN Network Identifier和APN Operator Identifier兩部分組成，亦即網(wǎng)絡(luò)標識和運營商標識。網(wǎng)絡(luò)標識是必須包含的，運營商標識只在某些場景下必須攜帶。一個有網(wǎng)絡(luò)標識和運營商標識組成的APN指示一個相應核心網(wǎng)的域名名稱。網(wǎng)絡(luò)標識需要使用一個或多個標簽（label）進行表示，運營商的表示方式與此類似。

選擇不同的APN可讓終端接入不同的核心網(wǎng)，從而在享有的服務(wù)功能上有所差別。

4.2 APN分配與使用

NB終端不同于其它物聯(lián)網(wǎng)終端，NB終端無需設(shè)置APN即可直接撥號，核心網(wǎng)MME設(shè)備會根據(jù)號碼簽約的APN自動下發(fā)配置。對于變更APN或TAU定時器的操作，只需重新附著網(wǎng)絡(luò)就會給終端下發(fā)新的APN配置參數(shù)。

為適應不同的業(yè)務(wù)場景，NB卡提供了9種特殊定制的APN，如表7所示。不同的APN對應不同的省電參數(shù)，在業(yè)務(wù)受理時根據(jù)需要選擇合適的APN和TAU定時器。

NB業(yè)務(wù)中最常用的兩種APN是ctNB（默認）和psm0.eDRX0.ctNB。其中，ctNB是省電模式的APN，開啟PSM功能;psm0.eDRX0.ctNB是下發(fā)控制模式的APN，同時關(guān)閉PSM和dDRX功能。NB卡默認簽約APN為“ctNB”，終端不需要設(shè)置，由網(wǎng)絡(luò)下發(fā)。不同的APN對應不同的定時器參數(shù)，根據(jù)業(yè)務(wù)需要選擇合適的定時器參數(shù)。

5 NB-IoT APN配置優(yōu)化案例

5.1 背景介紹

某小區(qū)位于某市龍生路與茶苑路的交匯處，是一個占地面積0.225 km2能容納近4000戶的“公園”樓盤，現(xiàn)為該區(qū)域最大的高檔居民小區(qū)，為打造成該市第一個智能小區(qū)，要建設(shè)智能門禁、水表、電表和停車等智能功能。為此與開發(fā)商簽訂戰(zhàn)略合作，以智能門禁為試點，實現(xiàn)水、電和停車的智能商用。

5.2 問題描述

客戶投訴小區(qū)內(nèi)安裝的NB智能門禁模組時好時壞，時延時高時低，主要表現(xiàn)為：①模組在門禁盒外可以正常開啟，放置門內(nèi)過段時間則無法開門;②放進門內(nèi)時延很高，開門有時需要長達10s左右;③模組失效后，放到門禁盒外需要重啟才能正常使用。

5.3 業(yè)務(wù)流程及信令解析

小區(qū)智能門禁業(yè)務(wù)流程如圖6所示。用戶使用APP開門，消息通過服務(wù)器發(fā)送給IoT平臺，平臺響應，尋呼消息由核心網(wǎng)下發(fā)至基站，基站尋呼模組。

基站尋呼模組后，進行空口RRC連接，交互NAS消息模組控制門禁開門，后釋放RRC連接。正常模組開門空口信令如圖7所示。

5.4 問題排查

（1）排查無線側(cè)問題。由于模組在門禁盒外可以正常開啟，放置門內(nèi)過段時間則無法開門，懷疑是門禁盒對無線信號的接收產(chǎn)生影響，但取出外置一段時間后發(fā)現(xiàn)故障依然存在。

（2）端到端核查。聯(lián)合核心網(wǎng)、設(shè)備廠家、NB物聯(lián)網(wǎng)平臺及網(wǎng)優(yōu)后臺進行信令跟蹤，APP平臺下發(fā)消息，IoT收到消息后并未向下尋呼轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）判斷為APN問題。由于故障時好時壞，懷疑是參數(shù)配置問題，首先查看APN配置。經(jīng)核查，NB卡APN模式處于默認模式（CTNB），該模式下終端開啟PSM，周期進入深度睡眠模式，導致尋呼不到的情況，初步判斷為開卡特性不符合現(xiàn)場門禁業(yè)務(wù)。

（4）參數(shù)。門禁業(yè)務(wù)和水表電表業(yè)務(wù)不同，水表電表對時延和頻次要求不高，因此可以采用CTNB模式，現(xiàn)場模組放置門禁盒子內(nèi)，直接接通外部電源，業(yè)務(wù)需長時間待機在線，不需要休眠省電。更換設(shè)備并將NB卡APN模式修改為psm0.eDRX0.ctNB模式（開門延時在3-4s，客戶表示能接受）。關(guān)閉PSM特性，終端不會深度睡眠，長時間待機。更換開卡APN后，現(xiàn)場測試均正常。

（5）IoT平臺24h會話?；顔栴}。開卡APN后，當天各時間段測試均正常。第二天接到客戶消息，門禁NB終端未響應、開不了門。多節(jié)點信令跟蹤，問題為IoT平臺沒下發(fā)尋呼。查詢核心網(wǎng)終端狀態(tài)正常為idle態(tài)。經(jīng)與省內(nèi)核心網(wǎng)確認，終端每小時會進行TAU位置更新，所以在核心網(wǎng)側(cè)并未拆線。通過IoT平臺排查未有終端會話，經(jīng)核實平臺會話?；疃〞r器為24h，由于終端未主動上報數(shù)據(jù)導致IoT平臺定時器超時會話失活，省內(nèi)外終端狀態(tài)不一致導致無法正常開門。

在定時器超時前，終端需主動發(fā)送心跳包至平臺，平臺收到后會重新更新定時器。與終端廠家確認，終端并未加入相應的數(shù)據(jù)主動上報機制，導致平臺會話定時器超時。

模組廠家重新對設(shè)備進行更新，設(shè)置相應的主動上報機制?，F(xiàn)場測試前后2次開門時間超過24h，能正常開門，說明IoT平臺能收到模組主動上報心跳包，刷新會話存活時間。

5.5 問題總結(jié)

NB應用不僅僅局限于水表電表，簡單地用默認APN配置不能支撐其它業(yè)務(wù)應用。隨著更多新應用的推出，會有不同的問題出現(xiàn)。NB問題定位涉及端到端各節(jié)點問題，其往往不是無線側(cè)能直接定位的問題，需要拉通所有節(jié)點協(xié)助定位，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員要熟悉業(yè)務(wù)特性，熟悉端到端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，熟悉參數(shù)配置等。

6 結(jié)語

以上研究和測試說明，NB-IoT業(yè)務(wù)和其它傳統(tǒng)的移動網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不一樣，NB-IoT業(yè)務(wù)涉及的專業(yè)范圍廣、內(nèi)容多，各行各業(yè)的業(yè)務(wù)訴求也存在較大差異，如對時延、頻次、傳輸速率等都有不同要求。問題定位涉及端到端各節(jié)點問題，往往不是靠簡單的現(xiàn)象就可以判定的，需要維護人員貫穿所有節(jié)點協(xié)助定位。要熟悉業(yè)務(wù)實質(zhì)，梳理業(yè)務(wù)流程，聯(lián)合其它節(jié)點跟蹤，才能定位出問題的準確位置。

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（責任編輯：杜能鋼）