物联网小课堂之NB-IoT黑科技——长连接方案x2

   （鸽王唐老师出差回来，难得补课，大家认真做笔记喔）

      

   
    But鸽不鸽的都不怪我，隔壁老田非要逼我闭关修炼，所以。。。
    其实是我连续出差一个月了啊，我的内心是崩溃的。。。算了，我毕竟是佛系工程师，不吐槽了，还是正事要紧。

    进入正题，那我们今天就来讨论下很多老铁们关心的NBIoT长连接实现方案。
    PS:今天的内容有点多，大家准备好小版本，迎接拖堂吧！

    其实对于NBIoT网络来说，本身针对低频次、小数据，对长连接模式并不友好；为了满足社会主义建设的需求，经过充分的理论和实践，也有如下两种方案能够实现NB终端的长连接。
   But
    老田又说了，研究问题要先理解原理。So，在研究两种方案之前，我们先来刨根问底一下，究竟了哪些因素限制了NBIoT网络下终端的长连接。


    （*注意各位老铁们，前方高能预警！干货来了！赶紧记笔记！！*）



    
    上图是通常情况下，设备终端（UE）通过基站（eNodeB），经过公网（Internet）连接到上层应用服务器（Server）的简单逻辑结构。
    首先，从无线接入网的角度来看，因为NBIoT引入了低功耗模式（PSM状态）-（不要问我什么是PSM状态！请看本鸽王第一期科普贴！），终端进入PSM状态后，意味着终端与网络之间的连接已经断开；此时，终端处于断网的状态，任何上层应用服务器下发的数据终端都不可能收到。
    上图中限制点1 即为这种情况。
    为了解决限制点1引起的不能保持终端与服务器长连接的问题，我们需要在终端模组上关闭PSM功能；终端关闭PSM功能后，当数据交互完毕RRC连接断开后，模组会一直处于IDLE状态，在这种状态下，终端将会按照寻呼时间窗的间隔，周期性的监听网络寻呼，从而实现终端与网络保持长连接。

    解决了限制点1的问题，再往上层看，终端数据最终经过在PDN网关（P-GW）后汇入公网并传输到上层应用服务器；由于IPV4资源限制，所有终端在通常情况下都不可能使用单独的公网IP，也就是说，在网络结构图上来看，实际上设备终端（UE）到PDN网关（P-GW）是与公网隔离开的；对于公网来说，UE到P-GW之间的交互不可知，为了解决IP资源不够的限制，P-GW通过资源池的方式，每次分配一个IP+Port给本次终端业务使用，如果在超过一定的时间限制后，该IP+Port没有新的数据流进行保活，P-GW就会将该IP资源回收，分配给其他业务使用。

    上图中限制点2即为这种情况，实际上这种资源使用逻辑也被称为IPV4 NAT映射老化时间（各位老铁，IPV6有多重要！有没有体会到！）。
    为了解决限制点2引起的不能保持终端与服务器长连接的问题，我们需要一些特别的方式来维持IPV4 NAT映射不被老化回收，一般来说我们有如下两种方式（分别为入门级和进阶级）：
    1. Class 1 – 入门级（心跳**）
    顾名思义，第一种方法就是使用心跳包来保持长连接（遭了，是心动的感觉）。

    入门级方法，非常简单。仅仅通过周期性发送心跳数据到服务器，刷新NAT映射老化计时器时间，从而维持IPV4 NAT映射不被回收，此时上层应用服务器下发的数据便能随时通过该NAT映射发送到P-GW，P-GW通过寻呼即可将数据发送到终端。
    但但但但但但但但但但是！入门级方法一点都不Coooooooool！并且存在应用缺陷，为什么？且看我给大家仔细分析。
    3GPP协议标准定义，NBIoT制式使用的载波带宽为200kHz。
    这是个什么概念呢？（请注意下面这段话的描述！）
    我们使用的2G网络的带宽为1M，在诸如火车站这种人多终端多的场景，如果使用2G网络会经常出现连不上网的情况（大家可以试试，或者以前每年春运应该都体会过！）；目前4G网络的带宽为6M，在类似演唱会/大型运动会这样的突发用户密集地区，却依然要通过通信保障车（临时基站）来缓解因用户过多而导致终端不能上网的问题。


    也就是说，带宽越窄，其容量就越小——搞通信的老铁们，有没有很熟悉的感觉？对的，香农定理！！信道容量与信道带宽成正比！！！


    NBIoT制式仅仅只有200kHz的带宽，并且目前部署的网络子载波为15kHz，这就意味着，除去保护带20kHz：

（200kHz – 20kHz）/15kHz = 12

    NBIoT的并发网络容量仅仅只有12个！
   
    至此，心跳方案凸显出了的巨大缺陷，那就是当一个小区下很多终端都在同时发送心跳的时候，极有可能产生因为网络并发容量不够而引起的终端数据发送失败！在这种情况下，甚至可能引起终端掉网，网络严重阻塞的问题。

    2. Class 2 – 进阶级（GRE隧道**）
    上面一通分析猛如虎，那进阶级的方案如何规避这个问题呢？
    首先，心跳方案已经凉了，肯定是不能用了；那我们需要找到一种不使用心跳就能维持IPV4 NAT映射不被老化回收的手段。
    此处干货！本鸽王用如下这个图来做解释：
     



    IPV4的NAT映射是由于公网资源有限而引入的，那么是否可以通过专用网络的方式解决资源受限的问题，从而规避NAT映射这种机制带来的影响（如上图红标所示）。

    答案是肯定的。
    并且，这种方案就是传说中的GRE隧道方案！
   
    至于如何分配不同的终端到不同的专用网络中，这里就要提到非常非常非常（说三遍）重要的另一个概念，接入点名称——APN（Access Point Name）。
    APN是一个用户通过P-GW可连接到公网的标识，其通常作为用户签约数据储存在HSS（归属用户服务器）中，分组业务中MME根据用户签约的APN，通过DNS进行域名解析，从而获取到P-GW的IP地址，将用户接入到APN对应的PDN中；从而实现通过APN将不同的用户接入到不同的网络中。





    如此这般，我们已经解决了公网资源限制的问题，将终端接入到了私网中进行传输，由于私网资源宽裕，所以在P-GW中可以绕过NAT映射，将一个IP+Port资源固定给一个业务上下行使用；这样就能规避心跳机制实现无需心跳维持NAT映射老化的长连接功能。
    这就是本鸽王墙裂推荐大家使用的——传输GRE隧道**！
    这种方式可以无需心跳维持长连接，不会因为频繁心跳导致多个终端出现并发受限，导致发送数据失败或者引起网络阻塞的问题。

    本期表演到此结束，额好像内容有点多，不过想来各位老铁老妹看完之后肯定都有对NBIoT的长连接有较深的了解。


    溜了溜了，下期再见老铁们！（我才不会说要等着老田催我更我才更！）

PS:想要与鸽王唐老师讨论更多内容的各位大佬，可以直接在文末留言或者添加小编微信公众号“中移模组”，欢迎加入我们和鸽王唐老师一起交流喔！