تحدثنا في المرة الأخيرة عن ميزات معيار NB-IoT الجديد من وجهة نظر بنية شبكة الوصول الراديوي. سنناقش اليوم ما الذي تغير في الشبكة الأساسية ضمن NB-IoT. إذا هيا بنا.
لقد حدثت تغييرات كبيرة في جوهر الشبكة. لنبدأ بحقيقة ظهور عنصر جديد، بالإضافة إلى عدد من الآليات التي يحددها المعيار باسم "CIoT EPS Optimization" أو تحسين الشبكة الأساسية لإنترنت الأشياء الخلوي.
كما تعلم، يوجد في شبكات الهاتف المحمول قناتان رئيسيتان للاتصال، تسمى "طائرة التحكم" (CP) و"طائرة المستخدم" (UP). يهدف مستوى التحكم إلى تبادل رسائل الخدمة بين عناصر الشبكة المختلفة ويستخدم لضمان التنقل (إدارة التنقل) للأجهزة (UE) وإنشاء/صيانة جلسة نقل البيانات (إدارة الجلسة). مستوى المستخدم هو في الواقع قناة لنقل حركة مرور المستخدم. في LTE الكلاسيكي، يكون توزيع CP وUP عبر الواجهات كما يلي:
يتم تنفيذ آليات تحسين CP وUP لـ NB-IoT على عقد MME وSGW وPGW، والتي يتم دمجها تقليديًا في عنصر واحد يسمى C-SGN (عقدة بوابة خدمة إنترنت الأشياء الخلوية). يفترض المعيار أيضًا ظهور عنصر شبكة جديد - SCEF (وظيفة التعرض لقدرة الخدمة). تسمى الواجهة بين MME وSCEF T6a ويتم تنفيذها بناءً على بروتوكول DIAMETER. على الرغم من أن DIAMETER هو بروتوكول إشارات، إلا أنه في NB-IoT يتم تكييفه لنقل كميات صغيرة من البيانات غير المتعلقة بـ IP.
كما يوحي اسمها، فإن SCEF عبارة عن عقدة عرض لقدرات الخدمة. بمعنى آخر، يخفي SCEF تعقيد شبكة المشغل، كما يريح مطوري التطبيقات من الحاجة إلى تحديد الأجهزة المحمولة (UE) والمصادقة عليها، مما يسمح لخوادم التطبيقات (خادم التطبيقات، والمشار إليه فيما يلي بـ AS) بتلقي البيانات وإدارة الأجهزة من خلال خادم واحد. واجهة API.
لا يصبح معرف UE رقم هاتف (MSISDN) أو عنوان IP، كما كان الحال في شبكة 2G/3G/LTE الكلاسيكية، ولكن ما يسمى بـ "المعرف الخارجي"، والذي يتم تعريفه بواسطة المعيار بالتنسيق المألوف لمطوري التطبيقات "@". وهذا موضوع منفصل كبير يستحق مادة منفصلة، لذلك لن نتحدث عنه بالتفصيل الآن.
الآن دعونا نلقي نظرة على أهم الابتكارات. "CIoT EPS Optimization" هو تحسين آليات نقل حركة المرور وإدارة جلسة المشتركين. فيما يلي أهمها:
- دوناس
- نيد
- آليات توفير الطاقة PSM وeDRX
- هلكوم
DoNAS (البيانات عبر NAS):
هذه آلية مصممة لتحسين نقل كميات صغيرة من البيانات.
في LTE الكلاسيكي، عند التسجيل في الشبكة، يقوم جهاز المشترك بإنشاء اتصال PDN (يشار إليه فيما يلي باسم PDN) عبر eNodeB إلى MME-SGW-PGW. اتصال UE-eNodeB-MME هو ما يسمى "حامل راديو الإشارة" (SRB). إذا كان من الضروري إرسال/استقبال البيانات، يقوم تجهيز المستعمل بإنشاء اتصال آخر مع eNodeB - "حامل راديو البيانات" (DRB)، لنقل حركة مرور المستخدم إلى SGW ثم إلى PGW (الواجهات S1-U وS5، على التوالي) . في نهاية التبادل، وإذا لم تكن هناك حركة مرور لبعض الوقت (عادة 5-20 ثانية)، يتم إنهاء هذه الاتصالات وينتقل الجهاز إلى وضع الاستعداد أو "وضع الخمول". إذا كان من الضروري تبادل جزء جديد من البيانات، تتم إعادة تعيين SRB وDRB.
في NB-IoT، يمكن نقل حركة مرور المستخدم من خلال قناة الإشارة (SRB)، في رسائل بروتوكول NAS (). لم يعد إعداد DRB مطلوبًا. يؤدي ذلك إلى تقليل حمل الإشارة بشكل كبير، وتوفير موارد راديو الشبكة، والأهم من ذلك، إطالة عمر بطارية الجهاز.
في قسم eNodeB - MME، يبدأ نقل بيانات المستخدم عبر واجهة S1-MME، وهو ما لم يكن الحال في تقنية LTE الكلاسيكية، ويتم استخدام بروتوكول NAS لهذا، حيث تظهر "حاوية بيانات المستخدم".
لتنفيذ نقل "مستوى المستخدم" من MME إلى SGW، تظهر واجهة جديدة S11-U، والتي تم تصميمها لنقل كميات صغيرة من بيانات المستخدم. يعتمد بروتوكول S11-U على GTP-U v1، والذي يستخدم لنقل مستوى المستخدم على واجهات الشبكة الأخرى لبنية 3GPP.
NIDD (تسليم البيانات بخلاف IP):
كجزء من تحسين آليات نقل كميات صغيرة من البيانات، بالإضافة إلى أنواع PDN الموجودة بالفعل، مثل IPv4 وIPv6 وIPv4v6، ظهر نوع آخر - غير IP. في هذه الحالة، لا يتم تعيين عنوان IP لUE، ويتم نقل البيانات دون استخدام بروتوكول IP. هناك عدة أسباب لذلك:
- يمكن لأجهزة إنترنت الأشياء مثل أجهزة الاستشعار نقل كميات صغيرة جدًا من البيانات، 20 بايت أو أقل. نظرًا لأن الحد الأدنى لحجم رأس IP هو 20 بايت، فقد يكون تغليف IP مكلفًا للغاية في بعض الأحيان؛
- ليست هناك حاجة لتنفيذ مكدس IP على الشريحة، مما يؤدي إلى تقليل تكلفتها (سؤال للمناقشة في التعليقات).
بشكل عام، يعد عنوان IP ضروريًا لأجهزة إنترنت الأشياء لنقل البيانات عبر الإنترنت. في مفهوم NB-IoT، يعمل SCEF كنقطة اتصال AS واحدة، ويتم تبادل البيانات بين الأجهزة وخوادم التطبيقات عبر واجهة برمجة التطبيقات. في غياب SCEF، يمكن نقل البيانات غير IP إلى AS عبر نفق من نقطة إلى نقطة (PtP) من PGW وسيتم تنفيذ تغليف IP عليها.
كل هذا يتناسب مع نموذج NB-IoT - أقصى قدر من التبسيط وتقليل تكلفة الأجهزة.
آليات توفير الطاقة PSM وeDRX:
إحدى المزايا الرئيسية لشبكات LPWAN هي كفاءة استخدام الطاقة. يُزعم أن الجهاز يدوم حتى 10 سنوات من عمر البطارية على بطارية واحدة. دعونا معرفة كيفية تحقيق هذه القيم.
متى يستهلك الجهاز أقل قدر من الطاقة؟ صحيح عند إيقاف تشغيله. وإذا كان من المستحيل إلغاء تنشيط الجهاز تمامًا، فلنقم بإلغاء تنشيط وحدة الراديو طالما لم تكن هناك حاجة إليها. تحتاج فقط إلى تنسيق ذلك مع الشبكة أولاً.
PSM (وضع توفير الطاقة):
يسمح وضع توفير الطاقة PSM للجهاز بإيقاف تشغيل وحدة الراديو لفترة طويلة، مع البقاء مسجلاً في الشبكة، وعدم إعادة تثبيت PDN في كل مرة يحتاج فيها إلى نقل البيانات.
لإعلام الشبكة بأن الجهاز لا يزال متاحًا، تبدأ بشكل دوري إجراء التحديث - تحديث منطقة التتبع (TAU). يتم ضبط تردد هذا الإجراء بواسطة الشبكة باستخدام المؤقت T3412، والذي يتم إرسال قيمته إلى الجهاز أثناء إجراء الإرفاق أو TAU التالي. في LTE الكلاسيكي، القيمة الافتراضية لهذا المؤقت هي 54 دقيقة، والحد الأقصى هو 186 دقيقة. ومع ذلك، لضمان كفاءة عالية في استخدام الطاقة، فإن الحاجة إلى البث كل 186 دقيقة أمر مكلف للغاية. تم تطوير آلية PSM لحل هذه المشكلة.
يقوم الجهاز بتنشيط وضع PSM من خلال إرسال قيم المؤقتين T3324 وT3412-الممتد في رسائل "طلب إرفاق" أو "طلب منطقة التتبع". الأول يحدد الوقت الذي سيكون فيه الجهاز متاحًا بعد التبديل إلى "وضع الخمول". والثاني هو الوقت الذي يجب أن يتم بعده TAU، والآن فقط يمكن أن تصل قيمته إلى 35712000 ثانية أو 413 يومًا. اعتمادًا على الإعدادات، يمكن لـ MME قبول قيم المؤقت الواردة من الجهاز أو تغييرها عن طريق إرسال قيم جديدة في رسائل "إرفاق قبول" أو "قبول تحديث منطقة التتبع". الآن لا يمكن للجهاز تشغيل وحدة الراديو لمدة 413 يومًا ويظل مسجلاً في الشبكة. ونتيجة لذلك، نحصل على وفورات هائلة في موارد الشبكة وكفاءة استخدام الطاقة للأجهزة!
ومع ذلك، في هذا الوضع، لا يكون الجهاز متاحًا للاتصالات الواردة فقط. إذا كان من الضروري إرسال شيء ما نحو خادم التطبيق، فيمكن للجهاز الخروج من PSM في أي وقت وإرسال البيانات، وبعد ذلك يظل نشطًا أثناء مؤقت T3324 لتلقي رسائل المعلومات من AS (إن وجدت).
eDRX (الاستقبال المتقطع الممتد):
eDRX لتقف علي الاستقبال المتقطع المحسن. لنقل البيانات إلى جهاز في "وضع الخمول"، تنفذ الشبكة إجراء إعلام - "الترحيل". عند استلام الترحيل، يبدأ الجهاز في إنشاء SRB لمزيد من الاتصال بالشبكة. ولكن لكي لا تفوت رسالة الترحيل الموجهة إليها، يجب على الجهاز مراقبة هواء الراديو باستمرار، والذي يستهلك أيضًا الطاقة تمامًا.
eDRX هو الوضع الذي لا يتلقى فيه الجهاز الرسائل من الشبكة بشكل مستمر، ولكن بشكل دوري. أثناء إجراءات إرفاق أو TAU، يتفق الجهاز مع الشبكة على الفواصل الزمنية التي "يستمع" خلالها إلى البث. وبناء على ذلك، سيتم تنفيذ إجراء الترحيل على نفس الفواصل الزمنية. في وضع eDRX، يتم تقسيم تشغيل الجهاز إلى دورات (دورة eDRX). في بداية كل دورة، يوجد ما يسمى "نافذة الترحيل" (نافذة وقت الترحيل، فيما يلي PTW) - وهذا هو الوقت الذي يستمع فيه الجهاز إلى قناة الراديو. في نهاية فترة PTW، يقوم الجهاز بإيقاف تشغيل وحدة الراديو حتى نهاية الدورة.
HLCOM (اتصالات الكمون العالي):
إذا كان بحاجة إلى نقل البيانات إلى Uplink، فيمكن للجهاز الخروج من أي من هذين الوضعين لتوفير الطاقة دون انتظار اكتمال دورة PSM أو eDRX. ولكن من الممكن نقل البيانات إلى الجهاز فقط عندما يكون نشطًا.
وظيفة HLCOM أو الاتصال ذو زمن الاستجابة العالي هو التخزين المؤقت لحزم الوصلة الهابطة على SGW عندما يكون الجهاز في وضع توفير الطاقة وغير متاح للاتصال. سيتم تسليم الحزم المخزنة مؤقتًا بمجرد خروج الجهاز من PSM عن طريق إجراء TAU أو تمرير حركة مرور Uplink، أو عند حدوث PTW.
وهذا بالطبع يتطلب وعيًا من جانب مطوري منتجات إنترنت الأشياء، نظرًا لأن الاتصال بالجهاز لا يتم في الوقت الفعلي ويتطلب نهجًا معينًا لتصميم منطق الأعمال للتطبيقات.
في الختام، دعنا نقول: إن تقديم شيء جديد أمر مثير دائمًا، لكننا الآن نتعامل مع معيار لم يتم اختباره بشكل كامل حتى من قبل "البيسونات" في العالم، مثل فودافون وتليفونيكا - لذا فهو مثير بشكل مضاعف. لا يبدو عرضنا للمادة مكتملاً تمامًا، ولكننا نأمل أن يوفر فهمًا كافيًا للتكنولوجيا. ونحن نقدر ملاحظاتك.
المؤلف: خبير قسم الحلول المتقاربة وخدمات الوسائط المتعددة أليكسي لابشين
المصدر: www.habr.com