NB-IoT: как работи? Част 2

Миналия път говорихме за характеристиките на новия стандарт NB-IoT от гледна точка на архитектурата на мрежата за радио достъп. Днес ще обсъдим какво се е променило в основната мрежа под NB-IoT. И така, да вървим.

Има значителни промени в ядрото на мрежата. Да започнем с факта, че се появи нов елемент, както и редица механизми, които се определят от стандарта като „CIoT EPS Optimization“ или оптимизация на основната мрежа за клетъчния интернет на нещата.

Както знаете, в мобилните мрежи има два основни комуникационни канала, наречени Control Plane (CP) и User Plane (UP). Control Plane е предназначен за обмен на служебни съобщения между различни мрежови елементи и се използва за осигуряване на мобилност (Mobility management) на устройства (UE) и установяване/поддържане на сесия за предаване на данни (Session Management). User Plane всъщност е канал за предаване на потребителски трафик. В класическия LTE разпределението на CP и UP между интерфейсите е както следва:

Механизмите за оптимизация на CP и UP за NB-IoT са внедрени на MME, SGW и PGW възли, които конвенционално се комбинират в един елемент, наречен C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Стандартът също така предполага появата на нов мрежов елемент - SCEF (Service Capability Exposure Function). Интерфейсът между MME и SCEF се нарича T6a и е реализиран на базата на протокола DIAMETER. Въпреки факта, че DIAMETER е сигнализиращ протокол, в NB-IoT той е адаптиран за предаване на малки количества не-IP данни.

Както подсказва името му, SCEF е възел за показване на възможности за обслужване. С други думи, SCEF скрива сложността на мрежата на оператора и също така освобождава разработчиците на приложения от необходимостта да идентифицират и удостоверяват мобилни устройства (UE), позволявайки на сървърите на приложения (Application Server, по-нататък AS) да получават данни и да управляват устройства чрез един единствен API интерфейс.

Идентификаторът на UE става не телефонен номер (MSISDN) или IP адрес, както беше в класическата 2G/3G/LTE мрежа, а т. нар. „външен идентификатор“, който се дефинира от стандарта в познатия формат за разработчиците на приложения “ @ " Това е отделна голяма тема, която заслужава отделен материал, така че сега няма да говорим за нея подробно.

Сега нека разгледаме най-значимите иновации. „CIoT EPS Optimization“ е оптимизиране на механизмите за предаване на трафик и управление на абонатни сесии. Ето основните от тях:

• DoNAS
• NIDD
• PSM и eDRX механизми за пестене на енергия
• HLCOM

DoNAS (данни през NAS):

Това е механизъм, предназначен да оптимизира прехвърлянето на малки количества данни.

В класическия LTE, когато се регистрира в мрежата, абонатното устройство установява PDN връзка (наричана по-долу PDN) чрез eNodeB към MME-SGW-PGW. Връзката UE-eNodeB-MME е така нареченият „Сигнален радионосител“ (SRB). Ако е необходимо да се предават/получават данни, UE установява друга връзка с eNodeB - „Data Radio Bearer“ (DRB), за да предава потребителски трафик към SGW и по-нататък към PGW (интерфейси S1-U и S5, съответно) . В края на обмена и ако няма трафик за известно време (обикновено 5-20 секунди), тези връзки се прекъсват и устройството преминава в режим на готовност или „Режим на неактивност“. Ако е необходимо да се обмени нова порция данни, SRB и DRB се нулират.

В NB-IoT предаването на потребителски трафик може да се извърши чрез канал за сигнализиране (SRB), в съобщения на NAS протокол (http://www.3gpp.org/more/96-nas). Настройването на DRB вече не е необходимо. Това значително намалява натоварването на сигнала, спестява мрежови радио ресурси и най-важното удължава живота на батерията на устройството.

В секцията eNodeB - MME потребителските данни започват да се предават през интерфейса S1-MME, което не беше случаят в класическата LTE технология, и за това се използва протоколът NAS, в който се появява „Контейнер за потребителски данни“.

За да се извърши прехвърлянето на „Потребителска равнина“ от MME към SGW, се появява нов интерфейс S11-U, който е предназначен за прехвърляне на малки количества потребителски данни. Протоколът S11-U е базиран на GTP-U v1, който се използва за предаване на User Plane на други мрежови интерфейси на 3GPP архитектурата.

NIDD (не-IP доставка на данни):

Като част от по-нататъшната оптимизация на механизмите за предаване на малки количества данни, в допълнение към вече съществуващите типове PDN, като IPv4, IPv6 и IPv4v6, се появи друг тип - не-IP. В този случай на UE не се присвоява IP адрес и данните се предават без използване на IP протокола. Има няколко причини за това:

1. IoT устройства като сензори могат да предават много малки количества данни, 20 байта или по-малко. Като се има предвид, че минималният размер на IP хедъра е 20 байта, IP капсулирането понякога може да бъде доста скъпо;
2. Не е необходимо внедряване на IP стек върху чипа, което води до намаляване на цената им (въпрос за обсъждане в коментарите).

Като цяло IP адресът е необходим на IoT устройствата за предаване на данни през интернет. В концепцията NB-IoT SCEF действа като единична AS точка за свързване и обменът на данни между устройства и сървъри на приложения се извършва чрез API. При отсъствието на SCEF, не-IP данни могат да се предават към AS чрез тунел от точка до точка (PtP) от PGW и IP капсулиране ще бъде извършено върху тях.

Всичко това се вписва в парадигмата на NB-IoT – максимално опростяване и намаляване на цената на устройствата.

PSM и eDRX механизми за пестене на енергия:

Едно от основните предимства на LPWAN мрежите е енергийната ефективност. Твърди се, че устройството издържа до 10 години живот на батерията с една батерия. Нека да разберем как се постигат такива стойности.

Кога едно устройство консумира най-малко енергия? Коригирайте, когато е изключен. И ако е невъзможно напълно да изключите устройството, нека изключим радиомодула толкова дълго, колкото не е необходимо. Просто първо трябва да координирате това с мрежата.

PSM (Енергоспестяващ режим):

Режимът за пестене на енергия PSM позволява на устройството да изключва радиомодула за дълго време, като същевременно остава регистрирано в мрежата, а не да преинсталира PDN всеки път, когато трябва да предава данни.

За да уведоми мрежата, че устройството все още е достъпно, тя периодично инициира процедура за актуализиране - Tracking Area Update (TAU). Честотата на тази процедура се задава от мрежата с помощта на таймер T3412, чиято стойност се предава на устройството по време на процедурата за прикачване или следващия TAU. В класическия LTE стойността по подразбиране на този таймер е 54 минути, а максималната е 186 минути. Въпреки това, за да се гарантира висока енергийна ефективност, необходимостта да се излъчва на всеки 186 минути е твърде скъпа. Механизмът PSM е разработен за решаване на този проблем.

Устройството активира режима PSM, като предава стойностите на два таймера T3324 и T3412-Extended в съобщенията „Attach Request“ или „Tracking Area Request“. Първият определя времето, през което устройството ще бъде достъпно след превключване в „Режим на готовност“. Второто е времето, след което трябва да се направи TAU, само сега стойността му може да достигне 35712000 413 413 секунди или XNUMX дни. В зависимост от настройките, MME може да приеме стойностите на таймера, получени от устройството, или да ги промени, като изпрати нови стойности в съобщенията „Attach Accept“ или „Tracking Area Update Accept“. Сега устройството не може да включи радиомодула в продължение на XNUMX дни и да остане регистрирано в мрежата. В резултат на това получаваме огромни спестявания на мрежови ресурси и енергийна ефективност на устройствата!

В този режим обаче устройството не е достъпно само за входящи комуникации. Ако е необходимо да се предаде нещо към сървъра на приложения, устройството може да излезе от PSM по всяко време и да изпрати данни, след което остава активно по време на таймера T3324, за да получава информационни съобщения от AS (ако има такива).

eDRX (разширено прекъснато приемане):

eDRX, подобрено прекъсващо приемане. За да прехвърлите данни към устройство, което е в „Режим на готовност“, мрежата изпълнява процедура за уведомяване - „Пейджинг“. При получаване на пейджинг устройството инициира установяването на SRB за по-нататъшна комуникация с мрежата. Но за да не пропусне съобщението за пейджинг, адресирано до него, устройството трябва постоянно да следи радиоефира, което също е доста енергоемко.

eDRX е режим, при който устройството не получава съобщения от мрежата постоянно, а периодично. По време на процедурите Attach или TAU устройството се договаря с мрежата за интервалите от време, през които ще „слуша“ излъчването. Съответно процедурата за пейджинг ще се извършва на същите интервали. В режим eDRX работата на устройството е разделена на цикли (eDRX цикъл). В началото на всеки цикъл има така наречения „прозорец за пейджинг“ (Paging Time Window, по-нататък PTW) - това е времето, през което устройството слуша радиоканала. В края на PTW устройството изключва радиомодула до края на цикъла.

HLCOM (комуникация с висока латентност):

Ако трябва да прехвърли данни към Uplink, устройството може да излезе от всеки от тези два режима за пестене на енергия, без да чака цикълът PSM или eDRX да завърши. Но е възможно да се прехвърлят данни към устройството само когато е активно.

Функционалността на HLCOM или комуникацията с висока латентност е буферирането на пакети за връзка надолу в SGW, докато устройството е в режим на пестене на енергия и не е достъпно за комуникация. Буферираните пакети ще бъдат доставени веднага щом устройството излезе от PSM чрез извършване на TAU или предаване на трафик на връзка нагоре, или когато възникне PTW.

Това, разбира се, изисква информираност от страна на разработчиците на IoT продукти, тъй като комуникацията с устройството не се постига в реално време и изисква определен подход към проектирането на бизнес логиката на приложенията.

В заключение, да кажем: въвеждането на нещо ново винаги е вълнуващо, но сега имаме работа със стандарт, който не е напълно тестван дори от световните „бизони“, като Vodafone и Telefonica - така че е двойно вълнуващо. Нашето представяне на материала не претендира за абсолютна пълнота, но се надяваме, че дава достатъчно разбиране за технологията. Ще се радваме на вашите отзиви.

Автор: експерт от отдела за конвергентни решения и мултимедийни услуги Алексей Лапшин
 пляскам

Източник: www.habr.com