《窄带物联网（NB-IoT）原理与技术》课件第9章

第9章EPC核心网规划9.1EPC核心网网络规划9.2EPC核心网容量规划9.3EPC核心网组网规划

9.1EPC核心网网络规划

9.1.1EPC网元设置目前国内三大运营商的NB-IoT业务在EPC核心网主要采用CP优化传输，即由移动性管理设备(MME)、服务网关(SGW)、分组数据网关(PGW)及存储用户签约信息的HSS、策略控制单元(PCRF)等组成。与LTE相似，SGW和PGW逻辑上分设，物理上可以合设，也可以分设，PCRF物理上是与PGW合设。

在电力、水务等一些小型专网中采用融合核心网(C-SGN)和HSS组成EPC，在前面也提过，融合核心网C-SGN等价于MME、SGW、PGW三者逻辑功能，物理实体就在一块板子上，这样就节约了设备利用空间。当需要实现NB-IoT接入的基本功能时，EPC核心网需要部署的网元包括MME、SGW、PGW及HSS，NB-IoT接入的系统架构如图9-1所示。图9-1NB-IoTCP模式网络架构

在运营商网络中这几种设备一般是如何部署的呢？

首先看MME，MME主要负责控制层面信息的处理，与LTE不同，NB-IoT中MME可通过NAS层传输用户的小包数据，对传输带宽要求较小。MME与eNodeB之间采用IP方式连接，不存在传输带宽瓶颈和传输电路调度困难的问题。另外MME与eNodeB之间本身就是采用“星型”组网模式。

HSS负责存储用户数据、鉴权管理等功能，宜采用以省为单位集中设置的方式。

SGW在NB-IoT中主要通过S11接口连接MME，原LTE中SGW与MME的S1-U接口在CP优化传输中不采用，但在UP优化传输中采用。

PGW主要负责连接外部数据网，以及用户IP地址管理、内容计费，在PCRF的控制下完成策略控制。从媒体流处理上看，SGW、PGW负责用户媒体流的疏通，业务承载方案是：

(1) CP优化传输采用“eNodeB-MME-SGW-PGW”方式；

(2) UP优化传输与LTE相同，仍采用“eNodeB-SGW-PGW”方式，不存在“SGW- SGW”“eNodeB-eNodeB”的业务承载。

S/PGW设置与媒体流的流量和流向相关，应根据业务量及业务类型，选择集中或分散的方式。因NB-IoT业务量较小且不需提供语音类点对点业务，主要数据业务类型为“点到服务器”类型时，S/PGW连接的互联网出口一般为集中设置，因此S/PGW可采用集中设置的方式。当某些本地网业务量较大或需提供点对点业务时，可将S/PGW下移至本地网，尽量靠近用户，减少路由迂回。建网初期，互联网出口一般以集中设置为主，点对点业务量不大，因此建议采用集中设置的方式。EPC网元部署如图9-2所示。图9-2NB-IoTEPC网元部署

SAE-GW的设置方式可以分为SGW和PGW的合并设置和分开设置，分析见表9-1。

9.1.2 EPC主要接口的组网方案

1. MME与eNodeB间的互通

NB-IoT沿用LTE组网方案，eNodeB将直接与核心网互联，简化了无线系统的结构，但由于EPC采用控制与承载分离的架构，因此在业务处理过程中，eNodeB需通过S1接口分别与MME、SGW互通。eNodeB与MME间采用S1接口主要互通控制信令信息，其间的网络组织有两种方案：归属方式和全连接方式。

方案一：归属方式，即每个eNodeB固定由一个MME为之服务，点对点互联，如图9-3所示。图9-3归属方式

方案二：全连接方式，即每个eNodeB的业务由一组MME来处理，点对多点互连，如图9-4所示。图9-4全连接方式

2. SGW与eNodeB间的互通

eNodeB与SGW间采用S1-U接口，主要传送用户媒体流。当采用控制面优化传输方案(CP优化传输)时，不采用S1-U接口；当采用用户面优化传输方案(UP优化传输)时，S1-U接口保留使用。所以实际现网中可保留S1-U的路由配置，但MME决定是否采用S1-U接口。eNodeB与SGW间的组网方式也有两种：

方式一：eNodeB与某个(或两个)SGW配置归属关系并经IP承载网互联，其发起的业务由MME直接选择其归属的SGW来疏通，如图9-5所示。

图9-5组网方式一

方式二：eNodeB与所属区域内的多个SGW均经IP承载网互联，无归属关系，其业务由一组SGW负荷分担地疏通，如图9-6所示。图9-6组网方式二

方式一的优点是易于规划eNodeB与SGW间的IP电路及配置接口带宽，局数据设置相对简单，对MME功能要求较低。其缺点是网络可靠性较低，当某一SGW出现故障时，其服务的所有eNodeB接入的业务均将受到影响；不同eNodeB覆盖范围内业务量不均衡时，其归属的SGW的负荷也将出现不均衡的现象，不能有效利用资源；另外，当用户在不同eNodeB覆盖范围内进行业务切换时，需切换到其他SGW为之服务，增加了信令处理需求。

方式二的优点是网络可靠性高，通过DNS和MME的数据配置，可以实现SGW的冗余备份；当用户在一组SGW服务区域内发生跨eNodeB业务切换时，仍由原SGW服务，可相对减少信令交互；一组SGW采用负荷分担方式工作，可避免服务区域内不同eNodeB接入业务量不均衡带来的问题，资源利用率高。其缺点是不易于规划eNodeB与SGW间的IP传输电路，接口带宽配置核算相对较难；对MME的功能要求较高，需要具备负荷分担选择SGW的功能。

综合上述分析，方式二优势较明显，建议采用。

3. MME间及MME与S/PGW的互通

NB-IoT中用户附着时是否建立默认承载是可选的，当采用用户面优化方案(UP优化传输)时，必须激活默认承载，此时与LTE类似，在用户进行网络附着时，EPC网络即为用户建立用户⇔eNodeB⇔SGW⇔PGW的默认承载，MME需为用户选择PGW和SGW。MME收到用户附着请求或PDN连接请求消息后，MME从该用户在HSS中的签约信息中获取APN，向DNS获取该APN对应的SGW和PGW地址列表，再根据配置的策略选择最优的SGW和PGW组合，为用户建立默认承载。

从上述过程来看，MME选择S/PGW需根据DNS解析的结果来实现，同样MME间的选择也需通过DNS解析的结果来实现，因此在实际组网时不需特别规划其间的组网方式，只需在MME、DNS等节点配置相关数据。网元间经IP承载网直接互联。

(1) SGW选择，用户建立PDN连接时，MME根据TAI信息通过DNS进行选择，如图9-7所示。图9-7SGW的选择

(2) PGW选择，用户建立PDN连接时，MME根据APN信息通过DNS来选择，如图9-8所示。图9-8PGW的选择

4. MME与HSS的互通

EPC核心网中MME与HSS间采用Diameter协议互通，底层基于SCTP承载，需要静态配置信令连接，上层使用IMSI进行路由。为了支持漫游业务，全网大量网元之间需要存在信令全连接关系。同一本地网内的MME与HSS间可采用静态配置数据方式，直接经IP承载网互联；跨本地网及跨省的MME与HSS的互通一般采用Diameter中继代理方式。

方案一：如图9-9所示，MME静态配置HSS地址数据，需MME配置外的所有HSS的地址(与LTEIMSI号码段有对应关系)。对于方案一，MME与HSS间可直接互通信令，信令传送时延较小，服务质量较高，但该方案适合MME与HSS数量较少，网络规模较小的情况。图9-9方案一

方案二：如图9-10所示，由DRA负责解析相应节点的地址并反馈给MME。MME的数据配置相对简单，且MME直接与HSS进行信令消息的交互，但在跨省寻址时，需要经多个DRA进行解析，特别是需经多级DNS解析地址，信令传送时延较长。图9-10方案二

方案三：如图9-11所示，Diameter代理中继类似于七号信令网中的STP，转接MME与HSS间的Diameter信令，MME的数据配置也相对简单，HSS、MME拓扑对外隐藏，安全性高。但Diameter信令需经多个节点转接，传送时延将较长，且需考虑Diameter代理中继的设置和组网问题，在网络规模较小时，设置独立的Diameter代理中继服务器不太经济。图9-11方案三

9.1.3双平面组网设计

EPC的网元，如MME的接口板具备千兆电口/光口，如MME接口同时连接两个交换机的两个接口实现链路备份，交换机启用层三功能，MME的下一跳IP配置在交换机上。

交换机到EPC的网元的前向路由提供OSPF路由和静态路由两种方式，同样交换机和各网元之间启动BFD检测，配合OSPF路由或静态路由一起实现PDSN和交换机之间的前向路由备份。

交换机和承载网的路由器或PTN之间根据运营商的要求配置静态路由或动态路由实现互通。

单平面组网示意图如图9-12所示，双平面组网示意图如图9-13所示。图9-12单平面组网示意图图9-13双平面组网示意图

9.2EPC核心网容量规划

9.2.1MME容量规划影响MME设备选型的因素有很多，如用户容量、系统吞吐量、交换能力、特殊业务等。下面对两个主要因素，即用户容量与系统吞吐量进行估算。

在系统中，SAU代表用户容量。SAU即为附着用户数，总用户数是SAU数与分离用户数之和。一般由于MME内存限制，支持的用户总数为A，在线用户比例为a，那么MME控制面处理模块支持的SAU就是A × a。由于NB-IoT终端采用PSM和eDRX两种省电技术，多数时间处于睡眠状态，基站无法寻呼到终端，因此将终端睡眠与关机统称为离线状态，将正常业务状态称为在线状态。

MME为EPC系统中的控制网元。NB-IoT中采用CP优化传输时，可通过NAS信令携带用户数据，但携带信息量大小限制在200 KB以内；采用UP优化传输时，MME只传送信令，因此影响MME系统吞吐量的只有信令流量。而MME处理的吞吐量即为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。

各接口流量包括各种流程的信令消息的总流量，例如经过S1-MME接口的信令消息，包括附着、去附着、激活承载上下文、去激活承载上下文、修改承载上下文等信令消息，在现网对各接口的控制面吞吐量进行精密计算，计算公式为

其中各流程的每秒并发数参照MME话务模型，如表9-2所示。

如图9-14所示，根据外场测算经验值给出S1-MME接口、S11-C接口及S6a接口的每用户忙时单方向的平均信令流量的最大值。

图9-14简化的MME话务模型

基于以上经验值，对各接口的信令流量进行估算，方法如下：

MME处理的吞吐量即为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，结合式(9-1)、式(9-2)、式(9-3)，可通过(9-4)式计算出系统信令吞吐量：

9.2.2 SGW容量规划

SGW的数据接口包括S11-U接口和S5接口。考虑S11-U接口和S5接口均采用GTP封装，开销长度为62Byte，典型包大小为500Byte，可以认为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接口进/出流量 = 1/2(S11-U接口流量 + S5接口流量)。

接下来进行S11-U接口流量的估算。S11-U接口采用GTP协议进行封装，考虑到S11-U的包头长度为62 Byte，如表9-3所示。

9.2.3 PGW容量规划

PGW的数据接口包括S5和SGi。SGi接口一般考虑以太网接口封装，包头开销为26 Byte。经统计计算PGW进流量约等于出流量，因此可按如下方法计算。

9.3 EPC核心网组网规划

9.3.1 EPC网元硬件概述在“IUV-NB-IoT全网规划部署与应用软件”的设备配置模块中，需要对机房进行硬件配置。软件要求需部署MME、SGW、PGW及HSS四种设备类型。主流厂商设备的硬件架构为机架—机框—单板，如图9-15所示。图9-15EPC的主要设备硬件架构

目前主流厂商的硬件产品通常都支持以下硬件特性：

(1)所有的硬件板卡均能实现1∶1的冗余。

(2)所有硬件组件均可以实现热插拔。

(3)业务面和底层的处理分离，由不同的专用硬件板卡实现。

(4)支持网管接口。

9.3.2 MME物理连接及地址规划

在“IUV-NB-IoT全网规划部署与应用软件”软件中，为了方便理解，我们以最小的硬件配置为例进行介绍。如图9-16所示，比如为了使MME能够进行正常的工作，一个MME可能会配置多个机框，机框可能会包含多种类型的板卡，在软件中笼统分成了物理接口板卡以及业务处理板卡。不同厂商可能还会有交换板、操作维护板、业务处理板等。图9-16MME板位示例图

如图9-17所示，MME的接口板提供一对或多对物理接口，在实际现网环境中，为便于维护和业务逻辑清晰，S1-MME和S6a采用物理分离方式组网，S10/S11-C/S11-U合用两个GE口。图9-17MME物理连接示意图

(1)接口地址分配原则：MME的接口地址不能在相同网段，不同物理接口和VLAN子接口必须分配不同网段的接口地址。

(2)接口工作方式原则：MME支持接口负荷分担和主备，优选接口负荷分担方式。在接口负荷分担方式下，各业务接口最好对应启用OSPF，也可启用静态路由。在接口主备方式下，通常启用静态路由。

MME的IP地址分成两类：

(1) MME接口地址。

(2) MME业务地址。

地址规划如表9-4所示。

9.3.3 SGW物理连接及地址规划

在现网环境中，SGW是用户面处理网元。S5/S8流量较大，建议规划在单独的物理端口上。S1-U是面向eNodeB的业务，当MME设置采用UP模式时，使用S1-U接口，当MME设置采用CP模式时，不使用S1-U接口。同时，为了提高数据的安全性，会将不同的业务划分到不同的VRF中实现业务隔离。

SGW通