У мінулы раз мы казалі аб асаблівасцях новага стандарту NB-IoT з пункта гледжання архітэктуры сеткі радыёдоступу. Сёння паразважаем, што змянілася ў ядры сеткі (Core Network) пры NB-IoT. Такім чынам, паехалі.
У ядры сеткі адбыліся значныя змены. Пачнём з таго, што з'явіўся новы элемент, а таксама шэраг механізмаў, якія вызначаны стандартам як "CIoT EPS Optimization" ці аптымізацыі апорнай сеткі для сотавага інтэрнэту рэчаў.
Як вядома, у мабільных сетках існуе два асноўных канала камунікацый, якія называюцца Control Plane (CP) і User Plane (UP). Control Plane прызначаны для абмену службовымі паведамленнямі паміж рознымі элементамі сеткі і служыць для забеспячэння мабільнасці (Mobility management) прылад (UE) і ўсталяванні/падтрыманні сесіі перадачы дадзеных (Session Management). User Plane - гэта, уласна, канал перадачы карыстацкага трафіку. У класічным LTE размеркаванне CP і UP па інтэрфейсах выглядае наступным чынам:
Механізмы аптымізацыі CP і UP для NB-IoT рэалізоўваюцца на вузлах MME, SGW і PGW, якія ўмоўна аб'ядноўваюцца ў адзіны элемент пад назовам C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Таксама стандарт мяркуе з'яўленне новага элемента сеткі – SCEF (Service Capability Exposure Function). Інтэрфейс паміж MME і SCEF называецца T6a і рэалізаваны на базе пратакола DIAMETER. Нягледзячы на тое, што DIAMETER гэта сігнальны пратакол, у NB-IoT ён адаптаваны для перадачы малых аб'ёмаў non-IP дадзеных.
Зыходзячы з назвы, SCEF – гэта вузел экспанавання сэрвісных магчымасцяў. Іншымі словамі, SCEF хавае складанасць сеткі аператара, а таксама здымае з распрацоўшчыкаў прыкладанняў неабходнасць ідэнтыфікацыі і аўтэнтыфікацыі мабільных прылад (UE), падаючы магчымасць серверам прыкладанняў (Application Server, далей AS) атрымліваць дадзеныя і кіраваць прыладамі праз адзіны API інтэрфейс.
Ідэнтыфікатарам UE становіцца не тэлефонны нумар (MSISDN) ці IP адрас, як гэта было ў класічнай сетцы 2G/3G/LTE, а так званы «external ID», які вызначаны стандартам у звыклым для распрацоўнікаў прыкладанняў фармаце «@». Гэта асобная вялікая тэма, якая заслугоўвае асобнага матэрыялу, таму падрабязна пра гэта зараз казаць не будзем.
Зараз разбяромся з найболей значнымі новаўвядзеннямі. «CIoT EPS Optimization» - гэта аптымізацыя механізмаў перадачы трафіку і кіравання абаненцкімі сесіямі. Вось асноўныя з іх:
- DoNAS
- NIDD
- Механізмы энергазберажэння PSM і eDRX
- HLCOM
DoNAS (Data over NAS):
Гэта механізм, распрацаваны для аптымізацыі перадачы малых аб'ёмаў даных.
У класічным LTE абаненцкая прылада пры рэгістрацыі ў сетцы ўсталёўвае PDN connection (далей PDN) праз eNodeB да MME-SGW-PGW. Злучэнне UE-eNodeB-MME – гэта так званы "Signaling Radio Bearer" (SRB). Пры неабходнасці перадаць/атрымаць дадзеныя UE усталёўвае яшчэ адно злучэнне з eNodeB – "Data Radio Bearer" (DRB), для перадачы карыстацкага трафіку да SGW і далей на PGW (інтэрфейсы S1-U і S5 адпаведна). Па канчатку абмену і пры адсутнасці трафіку на працягу некаторага часу (звычайна 5-20 секунд) гэтыя злучэнні разрываюцца і прылада пераходзіць у рэжым чакання ці "Idle Mode". Пры неабходнасці абмену новай порцыяй дадзеных SRB і DRB пераўсталёўваюцца.
У NB-IoT перадача карыстацкага трафіку можа ажыццяўляцца праз сігнальны канал (SRB), у паведамленнях пратаколу NAS (). Усталяванне DRB больш не патрабуецца. Гэта значна зніжае сігнальную нагрузку, эканоміць радыёрэсурсы сеткі і, самае важнае - падаўжае тэрмін жыцця батарэі прылады.
На ўчастку eNodeB – MME карыстацкія дадзеныя пачынаюць перадавацца па інтэрфейсе S1-MME, чаго не было ў класічнай тэхналогіі LTE, і выкарыстоўваецца для гэтага пратакол NAS, у якім з'яўляецца "User data container".
Для ажыццяўлення перадачы "User Plane" ад MME да SGW з'яўляецца новы інтэрфейс S11-U, які прызначаны для перадачы малых аб'ёмаў карыстацкіх дынных. У аснове пратаколу S11-U ляжыць GTP-U v1, які выкарыстоўваецца для перадачы User Plane і на іншых інтэрфейсах сеткі 3GPP-архітэктуры.
NIDD (non-IP-дадатковы файл):
У рамках далейшай аптымізацыі механізмаў перадачы малых аб'ёмаў дадзеных, у дадатак да ўжо існым тыпам PDN, такім як IPv4, IPv6 і IPv4v6, з'явіўся яшчэ адзін тып – non-IP. У гэтым выпадку UE не прысвойваецца IP адрас, і дадзеныя перадаюцца без выкарыстання пратаколу IP. На тое ёсць некалькі прычын:
- IoT прылады, такія як датчыкі, могуць перадаваць вельмі малыя аб'ёмы даных, 20 байт і нават менш. Улічваючы, што мінімальны памер IP загалоўка - 20 байт, інкапсуляцыя ў IP часам можа быць дастаткова дарагім задавальненнем;
- Няма неабходнасці рэалізацыі ў чыпе IP-стэка, што вядзе да іх патаннення (пытанне да абмеркавання ў каментарах).
Па вялікім рахунку, IP адрас неабходны IoT прыладам, каб перадаваць дадзеныя праз інтэрнэт. У канцэпцыі NB-IoT SCEF выступае ў ролі адзінай кропкі падлучэння AS, і абмен дадзенымі паміж прыладамі і серверамі прыкладанняў адбываецца пасродкам API. Пры адсутнасці SCEF non-IP дадзеныя да AS могуць перадавацца праз Point-to-Point (PtP) тунэль ад PGW і інкапсуляцыя ў IP будзе рабіцца ўжо на ім.
Усё гэта ўпісваецца ў парадыгму NB-IoT – максімальнае спрашчэнне і патанненне прылад.
Механізмы энергазберажэння PSM і eDRX:
Адной з ключавых пераваг LPWAN сетак з'яўляецца энергаэфектыўнасць. Заяўляецца тэрмін да 10 гадоў аўтаномнай працы прылады на адной батарэі. Разбярэмся, якім чынам дасягаюцца такія значэнні.
Калі прылада спажывае менш за ўсё энергіі? Правільна, калі яно выключана. І калі цалкам абясточыць девайс нельга, давайце абясточым радыё модуль, на той час, пакуль у ім няма неабходнасці. Толькі папярэдне трэба ўзгадніць гэта з сеткай.
PSM (Power saving mode):
Рэжым энергазберажэння PSM дазваляе прыладзе надоўга выключаць радыё модуль, застаючыся пры гэтым зарэгістраваным у сетцы, і не пераўсталёўваць PDN кожны раз пры неабходнасці перадаць дадзеныя.
Каб сетка ведала, што прылада па-ранейшаму даступна, яно перыядычна ініцыюе працэдуру актуалізацыі – Tracking Area Update (TAU). Частата гэтай працэдуры задаецца сеткай пры дапамозе таймера T3412, значэнне якога перадаецца прыладзе падчас працэдуры Attach ці чарговага TAU. У класічным LTE дэфолтнае значэнне гэтага таймера 54 хвіліны, а максімальнае – 186 хвілін. Аднак, для забеспячэння высокай энергаэфектыўнасці, неабходнасць выхаду ў радыёэфір кожныя 186 хвілін - гэта занадта дарагое задавальненне. Для вырашэння гэтай праблемы і быў распрацаваны механізм PSM.
Прылада актывуе рэжым PSM перадаючы ў паведамленнях Attach Request або Tracking Area Request значэння двух таймераў T3324 і T3412-Extended. Першы вызначае час, якое прылада будзе даступна пасля пераходу ў "Idle Mode". Другі - гэта час, праз якое павінен быць выраблены TAU, толькі зараз яго значэнне можа дасягаць 35712000 секунд або 413 дзён. У залежнасці ад налад, MME можа прыняць значэння таймераў, атрыманыя ад прылады, або змяніць іх, перадаўшы новыя значэнні ў паведамленнях Attach Accept або Tracking Area Update Accept. Цяпер прылада можа не ўключаць радыё модуль 413 дзён і заставацца пры гэтым зарэгістраваным у сетцы. У выніку атрымліваем каласальную эканомію рэсурсаў сеткі і энергаэфектыўнасць прылад!
Аднак у гэтым рэжыме прылада недаступна толькі для ўваходных камунікацый. Пры неабходнасці перадаць штосьці ў бок сервера прыкладанняў прылада можа ў любы момант выйсці з PSM і адправіць дадзеныя, застаўшыся пасля гэтага актыўным на працягу таймера T3324 для прыёму інфармацыйных паведамленняў ад AS (калі такія будуць).
eDRX (extended discontinuous reception):
eDRX, пашыраны рэжым перарывістага прыёму. Каб перадаць дадзеныя на прыладу, якое знаходзіцца ў "Idle mode", сетка выконвае працэдуру абвесткі - "Paging". Пры атрыманні пэйджынгу прылада ініцыюе ўсталяванне SRB для далейшай камунікацыі з сеткай. Але каб не прапусціць адрасаванае яму паведамленне Paging, прылада павінна стала маніторыць радыёэфір, што таксама досыць энергазатратна.
eDRX – гэта рэжым, пры якім прылада прымае паведамленні ад сеткі не ўвесь час, а перыядычна. Падчас працэдур Attach або TAU прылада ўзгадняе з сеткай часавыя прамежкі, у якія яно будзе "слухаць" эфір. Адпаведна, у гэтыя ж прамежкі будзе рабіцца працэдура Paging. У рэжыме eDRX праца прылады разбіваецца на цыклы (eDRX cycle). У пачатку кожнага цыклу ідзе так званае "акно пэйджынгу" (Paging Time Window, далей PTW) - гэты час, якое прылада слухае радыёканал. Па канчатку PTW прылада адключае радыё модуль да канца цыклу.
HLCOM (high latency communication):
Пры неабходнасці перадаць дадзеныя ў Uplink прылада можа выйсці з любога з гэтых двух рэжымаў энергазберажэння, не чакаючы заканчэння PSM або eDRX цыклу. Але вось перадаць дадзеныя на прыладу магчыма, толькі калі яно актыўна.
Функцыянал HLCOM або камунікацыя з высокімі затрымкамі - гэта буферызацыя Downlink пакетаў на SGW на час, пакуль прылада знаходзіцца ў рэжыме энергазберажэння і недаступна для камунікацыі. Буферызаваныя пакеты будуць дастаўлены, як толькі прылада выйдзе з PSM, зрабіўшы TAU ці перадаўшы Uplink трафік, ці, калі наступіць PTW.
Гэта, безумоўна, патрабуе ўсведамлення з боку распрацоўшчыкаў IoT-прадуктаў, паколькі зносіны з прыладай атрымліваецца не ў рэальным часе і патрабуе пэўнага падыходу да канструявання бізнес логікі працы прыкладанняў.
У зняволенні скажам: укараненне новага заўсёды захоплівае, а цяпер мы маем справу са стандартам, да канца не абкатаным нават у сусветных "зуброў", накшталт Vodafone і Telefonica таму гэта захоплівае ўдвая. Наш выклад матэрыялу не прэтэндуе на абсалютную паўнату, але спадзяемся забяспечвае дастатковае разуменне тэхналогіі. Будзем удзячныя за зваротную сувязь.
Аўтар: Эксперт аддзела канвергентных рашэнняў і мультымедыйных сэрвісаў Аляксей Лапшын
Крыніца: habr.com