什么是NB-IoT核心网？

大家都知道的，尽管LTE和NB-IoT一脉同气，但LTE的设计目标是高速率、大流量，而NB-IoT为物联网“间歇传送小数据”而生，两者方向相反。因此，LTE核心网EPS也不再适应NB-IoT应用，需要对其进行优化。

为了提升NB-IoT系统的小数据的传输效率，3GPP SA2工作组于2015年7月开始研究CIoT EPS优化构架，提出了CIoT EPS需支持四大功能：

①支持超低功耗物联网终端

②支持每小区连接大量物联网设备

③支持窄带频谱无线接入技术

④支持物联网增强覆盖

并进行功能简化，裁剪了LTE EPS的四项功能：

①不提供紧急呼叫服务

②不支持流量卸载，如本地lP接入(LIPA)和选择性IP流量卸载

③在EPS连接管理上，只支持IDLE模式下的重选，不支持CONNECTED模式下的切换

④不支持建立GBR承载和专用承载

最终，3GPP提出了两种优化方案：控制面优化传输方案（ C-Plane CIoT EPS optimization）和用户面优化传输方案（U-Plane CIoT EPS optimization）。对于物联网终端，必须支持“控制面优化传输方案”，可选支持“用户面优化传输方案”。

控制面优化传输方案

控制面优化传输方案使得小数据包可以传输于控制面上，数据以非接入层协议数据单元（NAS PDU）的格式封装于控制面信令消息来传输，其概念如同商场购物，若消费者只购买少量商品，可经由指定的快速通道结账。

这一方案可在传输数据时减少了控制面信令开销，因此有助于降低终端功耗和减少使用频带。

如上图所示，控制面优化传输方案支持IP数据和非IP数据传输，传输路径可分为两条：①通过S-GW传送到P-GW再传送到应用服务器（CIoT Services）；②通过SCEF（Service Capability Exposure Function）连接到应用服务器，该路径仅支持非IP数据传输。

根据传输路径和是否支持IP数据传输，可分为三种传输模式：

传输路径①（IP数据传输）

传输路径为S-GW到P-GW再到应用服务器，可沿用现有的IP通信技术快速部署NB-IoT，缺点是安全性低，且不经过SCEF，电信运营商仍为管道角色。

传输路径①（非IP数据传输）

传输路径仍为S-GW到P-GW再到应用服务器，但由于已无IP地址传输数据包，因此在P-GW上必须要有NB-IoT终端的ID与AS的IP地址+端口号的对应关系，才能将数据包正确传送在SGi的界面上，这种方式称为UDP/IP的点对点隧道(Point-to-Point (PtP) Tunneling)技术。隧道的参数，也就是目的地IP地址与UDP端口号需事先配置于P-GW上，对NB-IoT终端和AS之间传送的数据来说，P-GW是一个透明的传输节点。

这种方式安全性高且省电，但需要开发新的点对点隧道技术。

传输路径②（非IP数据传输）

即通过SCEF传递Non-IP数据，这条路径仅支持非IP数据传输，属于Non-IP专属解决方案。这种方式优点较多，安全性高、省电，且运营商能创造新的商业价值，但需新建SCEF网元节点，需开发新的API技术。

SCEF

SCEF为NB-IoT新增加的节点，其通过API接口向AS提供服务，而非直接发送数据，使得电信营运商不再只是管道，而是可以将业务能力安全地开放给第三方业务供应商，实现对物联网的大数据分析以创造新的商业价值。

SCEF构架如上图所示，鉴于安全性考虑，SCEF放置于运营商信任的网域中(Trust Domain)，并通过OMA(Open Mobile Alliance)，GSMA(Groupe Speciale Mobile Association)，或其他标准组织(Standardisation Bodies, SDOs)的API接入服务，同时，SCEF的API支持多种不同类型，如DIAMETER、RESTful APIs与XML over HTTP等，使得SCEF可以更灵活应用于不同的网络中。Network Entity则指HSS、MME、P-GW、PCRF或与计费、安全相关的网络节点。

C-SGN

C-SGN，即CIoT Serving Gateway Node，是控制面优化传输方案引入的新节点，该节点是由LTE EPS的控制面节点MME、用户面节点S-GW和P-GW的最小化功能合并而成的单个逻辑实体，C-SGN功能也可以部署在现网EPS的MME中。

HLCom

在控制面优化传输方案中，可引入了HLCom机制，即Optimization to support High Latency Communication，该机制将下行数据缓存在S-GW中。由于NB-IoT终端通过PSM和eDRX等技术来间歇性接收数据，以达到省电的目的，当NB-IoT终端在休眠状态时，S-GW将下行数据缓存，直到终端被唤醒后才将这些缓存的数据下发给终端。

用户面优化传输方案

数据传输的方式与LTE EPS一样采用用户面承载，但是，该优化方案在RRC层引入了挂起（Suspend）和恢复（Resume）两种新状态以适应物联网数据的间歇传输特性，同时要求NB-IoT终端、eNB和MME存储连接信息，以快速恢复重建连接，简化信令流程，提升传输效率。

经过这么一优化，承载可以按需的方式建立，因而可降低终端功耗和支持单小区大规模物联网设备连接。该方案除了支持现有EPS功能外，还可以支持通过P-GW传输非IP数据。

RRC Suspend流程

如上图所示，该过程由eNB激活，释放NB-IoT终端与eNB之间的RRC连接，以及eNB与S-GW之间的S1-U承载。

步骤（1）和（2）：

eNB发送UE Context Suspend Request，并通过MME向S-GW发起释放与NB-IoT终端相关的承载信息。

步骤（3）：

S-GW释放eNB与NB-IoT终端相关的S1-U承载。具体而言，S-GW仅释放eNB地址和下行隧道端点标识符（TEID），并继续存储其他信息。

步骤（4）和（5）：

在S-GW处完成S1-U承载释放后，eNB通过MME接收UE Context Suspend Response通知。

步骤（6）和（7）：

eNB存储NB-IoT终端的Access Stratum (AS)信息、S1-AP连接信息和承载信息，并向NB-IoT终端发送RRC Connection Suspend消息。

步骤（8）：

MME为NB-IoT终端存储S1-AP连接信息和承载信息，并进入IDLE状态。

步骤（9）：

当接收到来自eNB的RRC Connection Suspend消息后，NB-IoT终端存储AS信息，并IDLE状态。

RRC Resume流程

如上图所示，该过程重新建立（恢复）处于Suspend状态的NB-IoT UE与eNB之间的RRC连接，以及eNB与S-GW之间的释放的S1-U承载。Resume过程由NB-IoT启动和激活。

步骤（1）和（2）：

首先使用由RRC Suspend过程中存储的AS信息来恢复与网络的连接。

步骤（3）：

此时，eNB对NB-IoT终端执行安全检查，并向NB-IoT终端提供恢复的无线承载列表，且同步NB-IoT UE和eNB之间的EPS承载状态。

步骤（4）：

eNB向MME发送UE Context Resume Request，以通知其与NB-IoT终端的连接已经安全地恢复。

步骤（5）和（6）：

从eNB接收到该恢复通知后，MME恢复NB-IoT终端的S1-AP连接信息和承载信息，进入CONNECTED状态，并向eNB发送UE Context Resume Response消息（包括S-GW地址和S1-AP连接信息）。

步骤（7）：

现在NB-IoT终端可以向S-GW发送上行数据。

步骤（8 ）和（9）：

MME通过Modify Bearer Request消息向S-GW发送eNB地址和下行链路TEID，以重建NB-IoT终端与S-GW之间的下行链路的S1-U承载。

步骤（10）和（11）：

S-GW向MME发送Modify Bearer Response消息，然后开始传输下行数据。

值得一提的是，当S-GW接收到下行数据的同时NB-IoT终端处于Suspend状态，此时，S-GW将缓存数据包，同时在S-GW和MME之间初始化Downlink Data Notification过程，然后MME寻呼NB-IoT终端，由此通过NB-IoT终端启动激活连接Resume流程。