NB-IoT的協議和信令流程在LTE技術基礎上進行了精簡。在網絡功能方面，NB-IoT網絡面對移動物聯網深覆蓋、低成本、低功耗和海量連接的需求，通過優化信令流程、數據傳輸方案、移動性管理方案，適應NB-IoT終端低速低頻次的數據傳輸需求，輔助終端實現省電和降低成本。

NB-IoT的關鍵技術流程主要包括：接入及移動性管理、數據傳輸、Non-IP、短消息及后續演進的關鍵技術流程等，本章將著重介紹這些關鍵流程與LTE流程的差異。

1 附著

附著是UE進行業務前在網絡中的注冊過程，主要完成接入鑒權和加密、資源請求和注冊更新以及默認承載建立等過程。附著流程完成后，網絡記錄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之間建立會話的信令流程。

2)如果NB-IoT UE和網絡同時支持控制面優化數據傳輸方案，那么當UE在附著過程中請求建立PDN連接時，網絡側可決決定不建立無線數據承載，UE和MME之間通過NAS消息來傳輸用戶數據)。

2 去附著

去附著可以是顯式去附著，由網絡或UE通過明確的信令方式來去附著UE;也可以是隱式去附著，指網絡可以注銷UE，但不通過信令方式告知UE。

去附著流程包括UE發起的過程和網絡發起(MME/HSS發起)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E-UTRAN終端進行跟蹤區更新相比，NB-IoT終端觸發跟蹤區更新新增如下情況：

UE優先網絡行為(Perferrred Network Behaviour)信息的變化可能導致與其接入的MME提供的支持網絡行為(SupportedNetwork Behaviour)信息不同。

其他流程上的差異點和附著流程的差異點基本相同。

4 控制面優化傳輸方案

控制面優化數據傳輸方案，針對發送頻率低的小數據包傳輸進行優化設計，通過將IP數據包、Non-IP數據包或SMS封裝到NAS協議數據單元中傳輸，無須建立無線數據承載和S1-U承載。

控制面數據傳輸，通過RRC、S1-AP協議的NAS消息，以及MME和S-GW之間的S11-U用戶面隧道來實現。對于Non-IP數據，也可以通過MME與SCEF之間的連接來實現。

對于IP數據，UE和MME基于IETF RFC 4995定義的ROHC框架協商IP頭壓縮功能相關參數并執行IP頭壓縮。

對于上行數據，UE執行ROHC壓縮器的功能，MME執行ROHC解壓縮器的功能;對于下行數據，MME執行ROHC壓縮器的功能，UE執行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。

頭壓縮相關配置在PDN連接建立的過程中完成。對于Non-IP數據，不執行IP頭壓縮功能。為了避免NAS信令PDU和NAS數據PDU之間的沖突，MME應在EPS移動性管理和EPS會話管理NAS流程(如鑒權、安全模式命令、GUTI重分配等)完成之后，再發起下行NAS數據PDU的傳輸。

5 用戶面優化傳輸方案

用戶面優化數據傳輸方案針對報文較大的數據傳輸優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。

用戶面優化數據傳輸方案主要包括連接掛起(ConnectionSuspend)和連接恢復(Connection Resume)流程，UE執行初始連接建立時在網絡和UE側建立了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UE處于ECM-IDLE狀態時，任何NAS觸發的后續操作(包括UE嘗試使用控制面方案傳輸數據)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UE在不同eNodeB間移動時用戶面優化數據傳輸方案，AS上下文信息應可以在eNo-deB間傳送。

使用Connection Suspend流程時：

1)UE轉換到ECM-IDLE狀態，并存儲AS上下文。

2)eNodeB在掛起RRC連接時存儲UE的AS上下文、S1-AP關聯信息和承載上下文。

3)MME存儲進入ECM-IDLE狀態下UE的S1-AP關聯和承載上下文。

使用Connection Resume流程時：

1)UE使用Connection Suspend流程中存儲的AS信息來恢復到網絡的連接。

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

當MME存儲了一個UE的S1-AP關聯，而它又從另一個該UE關聯的邏輯S1連接中收到該UE的LTE移動性管理流程(MME改變的TAU流程，或UE重附著時的SGSN上下文請求，或UE去附著)，則該MME及先前涉及的eNodeB應使用S1 Release流程刪除存儲的S1-AP關聯。

6 控制面優化和用戶面優化傳輸共存當用戶采用控制面方案傳輸數據時，如有大數據包傳輸需求，則可由終端或者網絡發起由控制面方案到用戶面方案的轉換，并在會話建立或TAU流程中網絡為S11-U和S1-U分配不同的F-TEID(Full Qualified Tunnel Endpoint Identifier，全量隧道端點標識)，此處的用戶面方案包括普通用戶面方案和用戶面優化方案。

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

連接態用戶的控制面到用戶面方案的轉換可以由終端通過Control Plane Service Request流程發起，也由MME直接發起。MME收到終端Control Plane Service Request消息時，或者檢測到下行數據包超過一定閾值時，MME刪除和控制面方案相關的S11-U信息和IP頭壓縮信息，并為用戶建立用戶面通道。

在控制面優化數據傳輸的會話建立或S-GW改變的TAU過程中，S-GW返回給MME的Cre-ate Session Response中同時攜帶S11-U和S1-U F-TEID，MME保存S1-U F-TEID并在控制面轉用戶面優化時將保存的S1-U F-TEID發給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發給新的MME，保證TAU后新的MME可以完成控制面優化數據傳輸至用戶面優化數據傳輸的轉換。

7 Non-IP數據傳輸方案

在一些物聯網應用中，終端發送數據報文字節較小(一般在20～200B之間)，但IP數據報文頭所占用字節數就有20B或40B，導致數據報文在傳輸過程中的有效字節數較低。在這種場景下，NB-IoT終端可以采用Non-IP Data Over NAS進行數據傳輸，減小傳送數據包的大小，提高傳輸效率，節省終端電池功耗。

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

8 短消息方案

為豐富NB-IoT的數據業務能力，NB-IoT終端還可通過短消息進行數據傳輸。NB-IoT終端在請求短消息服務時，可以不用像傳統的LTE終端發起聯合的EPS/IMSI附著，只需附著到EPS網絡，通過MME與MSC的交互實現短消息數據傳輸業務，該方案降低了NB-IoT終端的復雜度。