В последния път говорихме за характеристиките на новия стандарт NB-IoT от гледна точка на архитектурата на радиодостъпната мрежа. Днес ще обсъдим какво се е променило в ядрото на мрежата (Core Network) при NB-IoT. Така че, нека започнем.
В ядрото на мрежата настъпиха значителни промени. Започваме с новия елемент, както и с редица механизми, определени от стандарта като „CIoT EPS Optimization“ или оптимизация на основната мрежа за мобилен интернет на нещата.
Както е известно, в мобилните мрежи съществуват два основни канала за комуникация, наречени Control Plane (CP) и User Plane (UP). Control Plane е предназначен за обмен на служебни съобщения между различни елементи на мрежата и служи за осигуряване на мобилност (Mobility management) на устройствата (UE) и установяване/поддържане на сесия за предаване на данни (Session Management). User Plane — това е самият канал за предаване на потребителски трафик. В класическия LTE разпределението на CP и UP по интерфейсите изглежда по следния начин:
Механизмите за оптимизация на CP и UP за NB-IoT се реализират на възлите MME, SGW и PGW, които условно се обединяват в единен елемент, наречен C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Стандартът предвижда също появата на нов елемент в мрежата — SCEF (Service Capability Exposure Function). Интерфейсът между MME и SCEF се нарича T6a и е реализиран на базата на протокола DIAMETER. Въпреки че DIAMETER е сигнален протокол, в NB-IoT той е адаптиран за предаване на малки обеми non-IP данни.
Както подсказва името, SCEF е възел за експониране на сервизни възможности. С други думи, SCEF скрива сложността на мрежата на оператора и премахва необходимостта на разработчиците на приложения да идентифицират и аутентифицират мобилните устройства (UE), предоставяйки на сървърите за приложения (Application Server, AS) възможността да получават данни и да управляват устройства чрез единен API интерфейс.
Идентификаторът на UE вече не е телефонният номер (MSISDN) или IP адрес, както беше в класическите мрежи 2G/3G/LTE, а така нареченият „external ID“, който е дефиниран от стандарта в познатия на разработчиците формат „@“. Това е отделна важна тема, заслужаваща по-подробно разглеждане, затова в момента няма да я обсъждаме.
Сега нека да разгледаме най-значимите иновации. „CIoT EPS Optimization“ е оптимизация на механизми за предаване на трафик и управление на абонатни сесии. Ето основните от тях:
- DoNAS
- NIDD
- Механизми за енергийна ефективност PSM и eDRX
- HLCOM
DoNAS (Data over NAS):
Това е механизъм, разработен за оптимизиране на предаването на малки обеми данни.
В класическия LTE абонатното устройство при регистрация в мрежата установява PDN connection (по-нататък PDN) през eNodeB към MME-SGW-PGW. Свързването UE-eNodeB-MME е т.нар. „Signaling Radio Bearer“ (SRB). При необходимост за предаване/получаване на данни, UE установява още едно свързване с eNodeB — „Data Radio Bearer“ (DRB), за предаване на потребителски трафик към SGW и по-нататък към PGW (интерфейсите S1-U и S5 съответно). След приключване на обмена и при липса на трафик в продължение на известно време (обикновено 5-20 секунди) тези свързвания се разкъсват и устройството преминава в режим на изчакване или „Idle Mode“. При необходимост от обмен на ново количество данни SRB и DRB се възстановяват.
В NB-IoT предаването на потребителски трафик може да се осъществява през сигналния канал (SRB), в съобщенията на NAS протокола (). Установяването на DRB вече не е необходимо. Това значително намалява сигналния натиск, икономисва радиоресурси на мрежата и, най-важното, удължава живота на батерията на устройството.
На участъка eNodeB — MME потребителските данни започват да се предават през интерфейса S1-MME, което не е било характерно за класическата технология LTE, и за тази цел се използва протокол NAS, в който се появява „User data container“.
За осъществяване на предаване на „User Plane“ от MME към SGW се появява нов интерфейс S11-U, предназначен за предаване на малки обеми потребителски данни. В основата на протокола S11-U лежи GTP-U v1, който се използва за предаване на User Plane и на други интерфейси в мрежовата архитектура 3GPP.
NIDD (non-IP data delivery):
В рамките на допълнителната оптимизация на механизмите за предаване на малки обеми данни, в допълнение към вече съществуващите типове PDN, като IPv4, IPv6 и IPv4v6, се появи още един тип — non-IP. В този случай на UE не се присвоява IP адрес и данните се предават без използване на IP протокол. Има няколко причини за това:
- IoT устройства, подобни на сензори, могат да предават много малки обеми данни, 20 байта и дори по-малко. Като се има предвид, че минималният размер на IP заглавката е 20 байта, инкапсулацията в IP понякога може да бъде доста скъпа.
- Не е необходимо да се реализира IP стек в чипа, което води до тяхното понижаване на цената (въпрос за обсъждане в коментарите).
По същество, IP адресът е необходим на IoT устройствата, за да предават данни през интернет. В концепцията на NB-IoT SCEF изпълнява ролята на единна точка за свързване AS, а обменът на данни между устройствата и сървърите на приложенията става чрез API. При отсъствие на SCEF, non-IP данните към AS могат да се предават чрез Point-to-Point (PtP) тунелен от PGW и инкапсулацията в IP ще бъде извършена на него.
Всичко това попада в парадигмата на NB-IoT — максимално опростяване и понижаване на цената на устройствата.
Механизми за пестене на енергия PSM и eDRX:
Едно от ключовите предимства на LPWAN мрежите е енергийната ефективност. Заявява се срок до 10 години автономна работа на устройството с една батерия. Нека разгледаме как се постига такава стойност.
Кога устройството консумира най-малко енергия? Правилно, когато е изключено. И ако не може да се изключи напълно, нека деактивираме радиомодула, за времето, в което не е необходим. Но преди това трябва да се съгласим с мрежата.
PSM (Режим на пестене на енергия):
Режимът на пестене на енергия PSM позволява на устройството да изключва радиомодула за дълъг период, оставайки регистрирано в мрежата, без да се преустановява PDN всеки път, когато трябва да предаде данни.
За да знае мрежата, че устройството все още е достъпно, то периодично инициира процедура за актуализиране — Tracking Area Update (TAU). Честотата на тази процедура се задава от мрежата с таймер T3412, чиято стойност се предава на устройството по време на процедурата Attach или следващия TAU. В класическия LTE, стойността по подразбиране на този таймер е 54 минути, а максималната — 186 минути. Въпреки това, за да се осигури висока енергийна ефективност, необходимостта от излизане в радиоефир на всеки 186 минути е твърде скъпа. За решаване на този проблем е разработен механизма PSM.
Устройството активира режим PSM, предавайки в съобщенията „Attach Request“ или „Tracking Area Request“ стойностите на два таймера T3324 и T3412-Extended. Първият определя времето, през което устройството ще бъде налично след преминаване в „Idle Mode“. Вторият е времето, след което трябва да бъде извършен TAU, като сега неговата стойност може да достигне 35712000 секунди или 413 дни. В зависимост от настройките, MME може да приеме стойностите на таймерите, получени от устройството, или да ги промени, предавайки нови стойности в съобщенията „Attach Accept“ или „Tracking Area Update Accept“. Сега устройството може да не включва радио модула в продължение на 413 дни и все пак да остава регистрирано в мрежата. В резултат на това получаваме колосална икономия на мрежови ресурси и енергийна ефективност на устройствата!
Въпреки това, в този режим устройството не е налично само за входящи комуникации. При необходимост да предаде нещо към сървъра на приложенията, устройството може по всяко време да излезе от PSM и да изпрати данни, оставайки след това активно в продължение на таймера T3324 за приемане на информационни съобщения от AS (ако има такива).
eDRX (extended discontinuous reception):
eDRX, разширен режим на прекъснато приемане. За да предаде данни на устройство, което се намира в „Idle mode“, мрежата изпълнява процедурата за уведомяване — „Paging“. При получаване на пейджингът, устройството инициира установяване на SRB за по-нататъшна комуникация с мрежата. Но за да не пропусне адресирано до него съобщение Paging, устройството трябва постоянно да мониторира радио ефира, което също е доста енергийно разходно.
eDRX — това е режим, при който устройството приема съобщения от мрежата не постоянно, а периодично. По време на процедурите Attach или TAU, устройството уточнява с мрежата времеви интервали, в които ще „слуша“ ефира. Съответно, в тези същите интервали ще бъде извършена процедурата Paging. В режим eDRX работата на устройството се разделя на цикли (eDRX cycle). В началото на всеки цикъл идва така нареченото „окно за пейджинг“ (Paging Time Window, по-нататък PTW) — това е времето, през което устройството слуша радиоканала. След края на PTW, устройството изключва радио модула до края на цикъла.
HLCOM (high latency communication):
Ако е необходимо да се предадат данни, Uplink устройството може да излезе от който и да било от тези два режима на пестене на енергия, без да чака приключването на цикъла PSM или eDRX. Но данните могат да бъдат предадени на устройството само когато то е активно.
Функционалността на HLCOM или комуникацията с високи закъснения представлява буферизиране на Downlink пакети на SGW за времето, докато устройството е в режим на пестене на енергия и недостъпно за комуникация. Буферизираните пакети ще бъдат доставени, щом устройството излезе от PSM, направи TAU или предаде Uplink трафик, или когато настъпи PTW.
Това безспорно изисква осъзнаване от страна на разработчиците на IoT продукти, тъй като комуникацията с устройството не е в реално време и изисква определен подход към правилното изграждане на бизнес логиката на приложенията.
В заключение да кажем: внедряването на новото винаги е вълнуващо, а в момента сме изправени пред стандарт, който дори световните „гиганти“, като Vodafone и Telefonica, все още не са напълно опитвали – затова това е двойно вълнуващо. Нашето представяне на материала не на претендира за абсолютна пълнота, но се надяваме да осигури достатъчно разбиране на технологията. Ще се радваме на обратна връзка.
Автор: Експерт в отдела за конвергентни решения и мултимедийни услуги Алексей Лапшин
Източник: habr.com
