Prošli put smo govorili o karakteristikama novog NB-IoT standarda sa stanovišta arhitekture radio pristupne mreže. Danas ćemo razgovarati o tome šta se promijenilo u osnovnoj mreži pod NB-IoT. Pa, idemo.
Došlo je do značajnih promjena u jezgru mreže. Počnimo s činjenicom da se pojavio novi element, kao i niz mehanizama koji su standardom definirani kao “CIoT EPS optimizacija” ili optimizacija jezgrene mreže za mobilni internet stvari.
Kao što znate, u mobilnim mrežama postoje dva glavna komunikacijska kanala, nazvana Kontrolna ravnina (CP) i Korisnička ravnina (UP). Control Plane je namijenjen za razmjenu servisnih poruka između različitih elemenata mreže i koristi se za osiguranje mobilnosti (Mobility management) uređaja (UE) i uspostavljanje/održavanje sesije prijenosa podataka (Session Management). Korisnički plan je, u stvari, kanal za prijenos korisničkog prometa. U klasičnom LTE-u, distribucija CP i UP preko interfejsa je sljedeća:
CP i UP optimizacijski mehanizmi za NB-IoT implementirani su na MME, SGW i PGW čvorovima, koji su konvencionalno kombinovani u jedan element koji se zove C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Standard takođe pretpostavlja pojavu novog mrežnog elementa - SCEF (Service Capability Exposure Function). Interfejs između MME i SCEF naziva se T6a i implementiran je na osnovu DIAMETER protokola. Unatoč činjenici da je DIAMETER signalni protokol, u NB-IoT je prilagođen za prijenos malih količina ne-IP podataka.
Kao što mu ime govori, SCEF je čvor za izlaganje servisnih mogućnosti. Drugim riječima, SCEF skriva složenost mreže operatera, a također oslobađa programere aplikacija od potrebe da identifikuju i autentifikuju mobilne uređaje (UE), omogućavajući poslužiteljima aplikacija (Application Server, u daljem tekstu AS) da primaju podatke i upravljaju uređajima putem jednog API interfejs.
UE identifikator postaje ne telefonski broj (MSISDN) ili IP adresa, kao što je to bio slučaj u klasičnoj 2G/3G/LTE mreži, već tzv. programerima aplikacija “@”. Ovo je posebna velika tema koja zaslužuje poseban materijal, pa nećemo sada o njoj detaljno.
Pogledajmo sada najznačajnije inovacije. „CIoT EPS Optimizacija“ je optimizacija mehanizama za prenos saobraćaja i upravljanje sesijama pretplatnika. Evo glavnih:
- DoNAS
- NIDD
- PSM i eDRX mehanizmi za uštedu energije
- HLCOM
DoNAS (podaci preko NAS-a):
Ovo je mehanizam dizajniran da optimizira prijenos malih količina podataka.
U klasičnom LTE-u, prilikom registracije u mrežu, pretplatnički uređaj uspostavlja PDN vezu (u daljem tekstu PDN) preko eNodeB-a na MME-SGW-PGW. UE-eNodeB-MME veza je takozvani “Signaling Radio Bearer” (SRB). Ako je potrebno prenijeti/primiti podatke, UE uspostavlja drugu vezu sa eNodeB - “Data Radio Bearer” (DRB), za prijenos korisničkog prometa do SGW i dalje do PGW (interfejsi S1-U i S5, respektivno) . Na kraju razmjene i ako nema saobraćaja neko vrijeme (obično 5-20 sekundi), ove veze se prekidaju i uređaj prelazi u standby mod ili “Idle Mode”. Ukoliko je potrebna razmena novog dela podataka, SRB i DRB se resetuju.
U NB-IoT-u, prijenos korisničkog prometa može se vršiti putem signalnog kanala (SRB), u porukama NAS protokola (). Postavljanje DRB-a više nije potrebno. Ovo značajno smanjuje opterećenje signala, štedi mrežne radio resurse i, što je najvažnije, produžava vijek trajanja baterije uređaja.
U odjeljku eNodeB - MME, korisnički podaci počinju da se prenose preko S1-MME sučelja, što nije bio slučaj u klasičnoj LTE tehnologiji, a za to se koristi NAS protokol u kojem se pojavljuje „Korisnički spremnik podataka“.
Da bi se izvršio transfer „Korisničkog plana“ sa MME na SGW, pojavljuje se novi interfejs S11-U koji je dizajniran za prenos malih količina korisničkih podataka. S11-U protokol je baziran na GTP-U v1, koji se koristi za prijenos u korisničkoj ravni na drugim mrežnim sučeljima 3GPP arhitekture.
NIDD (isporuka podataka bez IP-a):
U sklopu dalje optimizacije mehanizama za prenos malih količina podataka, pored već postojećih PDN tipova, kao što su IPv4, IPv6 i IPv4v6, pojavio se još jedan tip - non-IP. U ovom slučaju, UE nije dodijeljena IP adresa i podaci se prenose bez korištenja IP protokola. Postoji nekoliko razloga za to:
- IoT uređaji kao što su senzori mogu prenositi vrlo male količine podataka, 20 bajtova ili manje. S obzirom da je minimalna veličina IP zaglavlja 20 bajtova, IP enkapsulacija ponekad može biti prilično skupa;
- Nema potrebe za implementacijom IP steka na čipu, što dovodi do njihovog smanjenja cijene (pitanje za diskusiju u komentarima).
Općenito, IP adresa je neophodna za IoT uređaje za prijenos podataka preko Interneta. U konceptu NB-IoT, SCEF djeluje kao jedna AS tačka veze, a razmjena podataka između uređaja i poslužitelja aplikacija odvija se preko API-ja. U nedostatku SCEF-a, ne-IP podaci se mogu prenijeti na AS preko Point-to-Point (PtP) tunela iz PGW-a i na njemu će se izvršiti IP enkapsulacija.
Sve se to uklapa u NB-IoT paradigmu - maksimalno pojednostavljenje i smanjenje troškova uređaja.
PSM i eDRX mehanizmi za uštedu energije:
Jedna od ključnih prednosti LPWAN mreža je energetska efikasnost. Za uređaj se tvrdi da traje do 10 godina trajanja baterije na jednoj bateriji. Hajde da shvatimo kako se takve vrijednosti postižu.
Kada uređaj troši najmanje energije? Ispraviti kada je isključen. A ako je nemoguće potpuno isključiti uređaj, isključimo radio modul sve dok nije potreban. Samo trebate ovo prvo koordinirati sa mrežom.
PSM (režim uštede energije):
PSM režim štednje energije omogućava uređaju da isključi radio modul na duže vrijeme, a da ostane registriran u mreži, a ne da ponovo instalira PDN svaki put kada treba za prijenos podataka.
Kako bi mreža obavijestila da je uređaj još uvijek dostupan, periodično pokreće proceduru ažuriranja - Tracking Area Update (TAU). Učestalost ove procedure postavlja mreža pomoću tajmera T3412, čija se vrijednost prenosi na uređaj tokom postupka pričvršćivanja ili sljedećeg TAU-a. U klasičnom LTE-u, zadana vrijednost ovog tajmera je 54 minute, a maksimalna 186 minuta. Međutim, da bi se osigurala visoka energetska efikasnost, potreba za emitovanjem svakih 186 minuta je preskupa. PSM mehanizam je razvijen da riješi ovaj problem.
Uređaj aktivira PSM način rada prenoseći vrijednosti dva tajmera T3324 i T3412-Extended u porukama "Zahtjev za prilaganje" ili "Zahtjev za područje praćenja". Prvi određuje vrijeme u kojem će uređaj biti dostupan nakon prebacivanja u “Idle Mode”. Drugi je vrijeme nakon kojeg se TAU mora napraviti, samo što sada njegova vrijednost može dostići 35712000 sekundi ili 413 dana. Ovisno o postavkama, MME može prihvatiti vrijednosti tajmera primljene od uređaja ili ih promijeniti slanjem novih vrijednosti u porukama "Priloži prihvatanje" ili "Prihvatam ažuriranje područja praćenja". Sada uređaj ne može uključiti radio modul 413 dana i ostati registriran u mreži. Kao rezultat, dobijamo enormne uštede u mrežnim resursima i energetskoj efikasnosti uređaja!
Međutim, u ovom načinu rada uređaj nije dostupan samo za dolaznu komunikaciju. Ako je potrebno nešto prenijeti prema aplikacijskom serveru, uređaj može u bilo kojem trenutku izaći iz PSM-a i poslati podatke, nakon čega ostaje aktivan tokom T3324 tajmera za primanje informativnih poruka od AS-a (ako ih ima).
eDRX (produženi diskontinuirani prijem):
eDRX, poboljšani povremeni prijem. Za prijenos podataka na uređaj koji se nalazi u “neaktivnom načinu rada”, mreža izvršava proceduru obavještavanja – “Pageing”. Po prijemu pejdžinga, uređaj pokreće uspostavljanje SRB-a za dalju komunikaciju sa mrežom. Ali da ne bi propustio poruku pejdžinga koja mu je upućena, uređaj mora stalno da prati radio-emit, koji takođe prilično troši energiju.
eDRX je način rada u kojem uređaj ne prima poruke s mreže stalno, već periodično. Tokom Attach ili TAU procedura, uređaj se dogovara sa mrežom o vremenskim intervalima tokom kojih će "slušati" emitovanje. Shodno tome, postupak pejdžiranja će se izvoditi u istim intervalima. U eDRX načinu rada, rad uređaja je podijeljen na cikluse (eDRX ciklus). Na početku svakog ciklusa nalazi se takozvani „prozor pejdžinga“ (Paging Time Window, u daljem tekstu PTW) - to je vrijeme u kojem uređaj sluša radio kanal. Na kraju PTW, uređaj isključuje radio modul do kraja ciklusa.
HLCOM (komunikacija velike latencije):
Ako treba prenijeti podatke na Uplink, uređaj može izaći iz bilo kojeg od ova dva načina uštede energije bez čekanja da se završi ciklus PSM ili eDRX. Ali moguće je prenijeti podatke na uređaj samo kada je aktivan.
HLCOM funkcionalnost ili komunikacija velike latencije je baferovanje downlink paketa na SGW dok je uređaj u režimu za uštedu energije i nije dostupan za komunikaciju. Baferovani paketi će biti isporučeni čim uređaj izađe iz PSM-a vršeći TAU ili propuštanjem uplink saobraćaja, ili kada se dogodi PTW.
To, naravno, zahtijeva svijest od strane programera IoT proizvoda, budući da se komunikacija s uređajem ne ostvaruje u realnom vremenu i zahtijeva određeni pristup dizajniranju poslovne logike aplikacija.
U zaključku, recimo: uvođenje nečeg novog je uvijek uzbudljivo, ali sada imamo posla sa standardom koji nisu u potpunosti testirali ni svjetski „bizoni“, poput Vodafonea i Telefonice – pa je dvostruko uzbudljivo. Naša prezentacija materijala ne pretenduje da bude apsolutno potpuna, ali se nadamo da pruža dovoljno razumijevanja tehnologije. Cijenili bismo vaše povratne informacije.
Autor: Ekspert Odeljenja za konvergentna rešenja i multimedijalne usluge Aleksej Lapšin
izvor: www.habr.com