NB-IoT的協(xié)議和信令流程在LTE技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行了精簡。在網(wǎng)絡(luò)功能方面，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)面對(duì)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)深覆蓋、低成本、低功耗和海量連接的需求，通過優(yōu)化信令流程、數(shù)據(jù)傳輸方案、移動(dòng)性管理方案，適應(yīng)NB-IoT終端低速低頻次的數(shù)據(jù)傳輸需求，輔助終端實(shí)現(xiàn)省電和降低成本。

NB-IoT的關(guān)鍵技術(shù)流程主要包括：接入及移動(dòng)性管理、數(shù)據(jù)傳輸、Non-IP、短消息及后續(xù)演進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)流程等，本章將著重介紹這些關(guān)鍵流程與LTE流程的差異。

1 附著

附著是UE進(jìn)行業(yè)務(wù)前在網(wǎng)絡(luò)中的注冊(cè)過程，主要完成接入鑒權(quán)和加密、資源請(qǐng)求和注冊(cè)更新以及默認(rèn)承載建立等過程。附著流程完成后，網(wǎng)絡(luò)記錄UE的位置信息。

與LTE的附著流程相比，NB-IoT的附著流程主要有以下差異：

1)NB-IoT UE可以支持不建立PDN連接的附著，即可以跳過在MME和S-GW、P-GW之間建立會(huì)話的信令流程。

2)如果NB-IoT UE和網(wǎng)絡(luò)同時(shí)支持控制面優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸方案，那么當(dāng)UE在附著過程中請(qǐng)求建立PDN連接時(shí)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)可決決定不建立無線數(shù)據(jù)承載，UE和MME之間通過NAS消息來傳輸用戶數(shù)據(jù))。

2 去附著

去附著可以是顯式去附著，由網(wǎng)絡(luò)或UE通過明確的信令方式來去附著UE;也可以是隱式去附著，指網(wǎng)絡(luò)可以注銷UE，但不通過信令方式告知UE。

去附著流程包括UE發(fā)起的過程和網(wǎng)絡(luò)發(fā)起(MME/HSS發(fā)起)的過程，與LTE的去附著流程相比，NB-IoT的去附著流程主要有以下變化：

1)如果UE存在激活的PDN連接，那么兩者的去附著流程無差異。

2)如果UE不存在激活的PDN連接，則不需要MME和S-GW、P-GW之間去附著的信令流程。

3 TAU

與傳統(tǒng)E-UTRAN終端進(jìn)行跟蹤區(qū)更新相比，NB-IoT終端觸發(fā)跟蹤區(qū)更新新增如下情況：

UE優(yōu)先網(wǎng)絡(luò)行為(Perferrred Network Behaviour)信息的變化可能導(dǎo)致與其接入的MME提供的支持網(wǎng)絡(luò)行為(SupportedNetwork Behaviour)信息不同。

其他流程上的差異點(diǎn)和附著流程的差異點(diǎn)基本相同。

4 控制面優(yōu)化傳輸方案

控制面優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸方案，針對(duì)發(fā)送頻率低的小數(shù)據(jù)包傳輸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過將IP數(shù)據(jù)包、Non-IP數(shù)據(jù)包或SMS封裝到NAS協(xié)議數(shù)據(jù)單元中傳輸，無須建立無線數(shù)據(jù)承載和S1-U承載。

控制面數(shù)據(jù)傳輸，通過RRC、S1-AP協(xié)議的NAS消息，以及MME和S-GW之間的S11-U用戶面隧道來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于Non-IP數(shù)據(jù)，也可以通過MME與SCEF之間的連接來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于IP數(shù)據(jù)，UE和MME基于IETF RFC 4995定義的ROHC框架協(xié)商IP頭壓縮功能相關(guān)參數(shù)并執(zhí)行IP頭壓縮。

對(duì)于上行數(shù)據(jù)，UE執(zhí)行ROHC壓縮器的功能，MME執(zhí)行ROHC解壓縮器的功能;對(duì)于下行數(shù)據(jù)，MME執(zhí)行ROHC壓縮器的功能，UE執(zhí)行ROHC解壓縮器的功能。UE和MME綁定上行和下行ROHC信道以便傳輸反饋信息。

頭壓縮相關(guān)配置在PDN連接建立的過程中完成。對(duì)于Non-IP數(shù)據(jù)，不執(zhí)行IP頭壓縮功能。為了避免NAS信令PDU和NAS數(shù)據(jù)PDU之間的沖突，MME應(yīng)在EPS移動(dòng)性管理和EPS會(huì)話管理NAS流程(如鑒權(quán)、安全模式命令、GUTI重分配等)完成之后，再發(fā)起下行NAS數(shù)據(jù)PDU的傳輸。

5 用戶面優(yōu)化傳輸方案

用戶面優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸方案針對(duì)報(bào)文較大的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化了用戶面連接重建流程，無須使用Service Request流程來建立eNodeB與UE間的接入層(AS)上下文。

用戶面優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸方案主要包括連接掛起(ConnectionSuspend)和連接恢復(fù)(Connection Resume)流程，UE執(zhí)行初始連接建立時(shí)在網(wǎng)絡(luò)和UE側(cè)建立了AS承載和AS安全上下文，之后eNodeB通過Connection Suspend流程掛起RRC連接。

當(dāng)UE處于ECM-IDLE狀態(tài)時(shí)，任何NAS觸發(fā)的后續(xù)操作(包括UE嘗試使用控制面方案傳輸數(shù)據(jù))將促使UE嘗試Connection Resume流程。如果Connection Resume流程失敗，UE將暫緩NAS信息傳輸流程。為維護(hù)UE在不同eNodeB間移動(dòng)時(shí)用戶面優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸方案，AS上下文信息應(yīng)可以在eNo-deB間傳送。

使用Connection Suspend流程時(shí)：

1)UE轉(zhuǎn)換到ECM-IDLE狀態(tài)，并存儲(chǔ)AS上下文。

2)eNodeB在掛起RRC連接時(shí)存儲(chǔ)UE的AS上下文、S1-AP關(guān)聯(lián)信息和承載上下文。

3)MME存儲(chǔ)進(jìn)入ECM-IDLE狀態(tài)下UE的S1-AP關(guān)聯(lián)和承載上下文。

使用Connection Resume流程時(shí)：

1)UE使用Connection Suspend流程中存儲(chǔ)的AS信息來恢復(fù)到網(wǎng)絡(luò)的連接。

2)eNodeB(有可能是新的eNodeB)將UE連接恢復(fù)的信息告知MME，則MME進(jìn)入到ECM-CONNECTED狀態(tài)。

當(dāng)MME存儲(chǔ)了一個(gè)UE的S1-AP關(guān)聯(lián)，而它又從另一個(gè)該UE關(guān)聯(lián)的邏輯S1連接中收到該UE的LTE移動(dòng)性管理流程(MME改變的TAU流程，或UE重附著時(shí)的SGSN上下文請(qǐng)求，或UE去附著)，則該MME及先前涉及的eNodeB應(yīng)使用S1 Release流程刪除存儲(chǔ)的S1-AP關(guān)聯(lián)。

6 控制面優(yōu)化和用戶面優(yōu)化傳輸共存當(dāng)用戶采用控制面方案傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，如有大數(shù)據(jù)包傳輸需求，則可由終端或者網(wǎng)絡(luò)發(fā)起由控制面方案到用戶面方案的轉(zhuǎn)換，并在會(huì)話建立或TAU流程中網(wǎng)絡(luò)為S11-U和S1-U分配不同的F-TEID(Full Qualified Tunnel Endpoint Identifier，全量隧道端點(diǎn)標(biāo)識(shí))，此處的用戶面方案包括普通用戶面方案和用戶面優(yōu)化方案。

空閑態(tài)用戶通過Service Request流程發(fā)起控制面到用戶面方案的轉(zhuǎn)換，MME收到終端的Service Request后，需刪除和控制面方案相關(guān)的S11-U信息和IP頭壓縮信息，并為用戶建立用戶面通道。

連接態(tài)用戶的控制面到用戶面方案的轉(zhuǎn)換可以由終端通過Control Plane Service Request流程發(fā)起，也由MME直接發(fā)起。MME收到終端Control Plane Service Request消息時(shí)，或者檢測(cè)到下行數(shù)據(jù)包超過一定閾值時(shí)，MME刪除和控制面方案相關(guān)的S11-U信息和IP頭壓縮信息，并為用戶建立用戶面通道。

在控制面優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅?huì)話建立或S-GW改變的TAU過程中，S-GW返回給MME的Cre-ate Session Response中同時(shí)攜帶S11-U和S1-U F-TEID，MME保存S1-U F-TEID并在控制面轉(zhuǎn)用戶面優(yōu)化時(shí)將保存的S1-U F-TEID發(fā)給eNodeB用于建立用戶面通道。在MME改變的TAU過程中，舊的MME需將保存的S1-U F-TEID發(fā)給新的MME，保證TAU后新的MME可以完成控制面優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸至用戶面優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換。

7 Non-IP數(shù)據(jù)傳輸方案

在一些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，終端發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文字節(jié)較小(一般在20～200B之間)，但I(xiàn)P數(shù)據(jù)報(bào)文頭所占用字節(jié)數(shù)就有20B或40B，導(dǎo)致數(shù)據(jù)報(bào)文在傳輸過程中的有效字節(jié)數(shù)較低。在這種場景下，NB-IoT終端可以采用Non-IP Data Over NAS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，減小傳送數(shù)據(jù)包的大小，提高傳輸效率，節(jié)省終端電池功耗。

Non-IP數(shù)據(jù)傳輸包括終端發(fā)起(MO)的和終端接收(MT)的數(shù)據(jù)傳輸兩部分。NB-IoT為Non-IP數(shù)據(jù)傳輸新增了一種PDN類型“Non-IP”。將Non-IP數(shù)據(jù)傳輸給SCS/AS，可以有基于SCEF的Non-IP數(shù)據(jù)傳輸和基于P-GW的Non-IP數(shù)據(jù)傳輸兩種方案。MME根據(jù)APN對(duì)應(yīng)的In voke SCEF Selection參數(shù)決定是否采用SCEF方案。

8 短消息方案

為豐富NB-IoT的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力，NB-IoT終端還可通過短消息進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。NB-IoT終端在請(qǐng)求短消息服務(wù)時(shí)，可以不用像傳統(tǒng)的LTE終端發(fā)起聯(lián)合的EPS/IMSI附著，只需附著到EPS網(wǎng)絡(luò)，通過MME與MSC的交互實(shí)現(xiàn)短消息數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，該方案降低了NB-IoT終端的復(fù)雜度。