Minule jsme hovořili o zvláštnostech nového standardu NB-IoT z hlediska architektury síťového rádiového přístupu. Dnes se zamyslíme nad tím, co se změnilo v jádru sítě (Core Network) s NB-IoT. Takže, jdeme na to.
V jádru sítě došlo k významným změnám. Začněme tím, že se objevil nový prvek, stejně jako řada mechanismů, které jsou v standardu definovány jako „CIoT EPS Optimization“ neboli optimalizace páteřní sítě pro mobilní internet věcí.
Jak je známo, v mobilních sítích existují dva hlavní komunikační kanály, které se nazývají Control Plane (CP) a User Plane (UP). Control Plane slouží pro výměnu signálních zpráv mezi různými prvky sítě a zajišťuje mobilitu (Mobility management) zařízení (UE) a vytváření/udržení relace přenosu dat (Session Management). User Plane je vlastně kanál pro přenos uživatelského provozu. V klasickém LTE je rozložení CP a UP podle rozhraní následující:
Mechanismy optimalizace CP a UP pro NB-IoT jsou realizovány na uzlech MME, SGW a PGW, které jsou podmíněně spojeny do jednoho prvku nazývaného C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Standard také předpokládá vznik nového prvku sítě — SCEF (Service Capability Exposure Function). Rozhraní mezi MME a SCEF se nazývá T6a a je realizováno na základě protokolu DIAMETER. I když je DIAMETER signalizační protokol, v NB-IoT je přizpůsoben pro přenos malých objemů non-IP dat.
Vyplývá to z názvu, SCEF — je uzel pro exponování servisních schopností. Jinými slovy, SCEF skrývá složitost sítě operátora a odstraňuje potřebu identifikace a autentizace mobilních zařízení (UE) pro vývojáře aplikací (Application Server, dále AS), což umožňuje serverům aplikací získávat data a spravovat zařízení prostřednictvím jednotného rozhraní API.
Identifikátorem UE se stává ne telefonní číslo (MSISDN) nebo IP adresa, jak tomu bylo v klasických sítích 2G/3G/LTE, ale tzv. „external ID“, které je standardem definováno ve formátu běžném pro vývojáře aplikací „@“. To je samostatné velké téma, zasluhující samostatný materiál, takže se o tom teď podrobněji bavit nebudeme.
Nyní se podíváme na nejdůležitější novinky. „CIoT EPS Optimization“ je optimalizace mechanismů přenosu dat a správy uživatelských relací. Zde jsou hlavní z nich:
- DoNAS
- NIDD
- Mechanismy úspory energie PSM a eDRX
- HLCOM
DoNAS (Data over NAS):
Jedná se o mechanismus navržený pro optimalizaci přenosu malých objemů dat.
V klasickém LTE uživatelské zařízení při registraci v síti vytváří PDN connection (dále PDN) přes eNodeB do MME-SGW-PGW. Spojení UE-eNodeB-MME je tzv. „Signaling Radio Bearer“ (SRB). Při potřebě přenést/přijmout data UE vytváří další spojení s eNodeB – „Data Radio Bearer“ (DRB), pro přenos uživatelského provozu k SGW a dále na PGW (rozhraní S1-U a S5 příslušně). Po ukončení výměny a při absenci provozu po určitou dobu (obvykle 5-20 sekund) se tato spojení ukončují a zařízení přechází do pohotovostního režimu nebo „Idle Mode“. Při potřebě výměny nové várky dat se SRB a DRB znovu nastavují.
V NB-IoT může být uživatelský provoz přenášen přes signální kanál (SRB), v zprávách protokolu NAS (). Nastavení DRB již není nutné. To výrazně snižuje signální zátěž, šetří rádiové zdroje sítě a, co je nejdůležitější, prodlužuje životnost baterie zařízení.
Na úseku eNodeB – MME začínají být uživatelská data přenášena po rozhraní S1-MME, což v klasické technologii LTE nebylo, a k tomu se používá protokol NAS, ve kterém vzniká „User data container“.
Pro provádění přenosu „User Plane“ od MME k SGW vzniká nové rozhraní S11-U, které je určeno pro přenos malých objemů uživatelských dat. Na základě protokolu S11-U leží GTP-U v1, který se používá pro přenos User Plane i na jiných rozhraních sítě 3GPP-architektury.
NIDD (non-IP data delivery):
V rámci další optimalizace mechanismů přenosu malých objemů dat, kromě již existujících typů PDN, jako jsou IPv4, IPv6 a IPv4v6, vznikl ještě jeden typ – non-IP. V tomto případě není uživatelskému zařízení přidělen IP adres, a data se přenášejí bez použití protokolu IP. K tomu existuje několik důvodů:
- Zařízení IoT, jako jsou senzory, mohou přenášet velmi malé objemy dat, 20 bajtů a dokonce méně. S ohledem na to, že minimální velikost IP hlavičky je 20 bajtů, může být enkapsulace do IP někdy dost nákladná záležitost;
- Není nutné implementovat IP zásobník do čipu, což vede k jejich zlevnění (téma k diskusi v komentářích).
V zásadě je IP adresa nutná pro zařízení IoT, aby mohla přenášet data přes internet. V konceptu NB-IoT funguje SCEF jako jednotné připojovací místo AS a výměna dat mezi zařízeními a aplikačními servery probíhá prostřednictvím API. V případě absence SCEF mohou non-IP data být přenášena pomocí Point-to-Point (PtP) tunelu od PGW a enkapsulace do IP bude provedena již na něm.
To vše zapadá do paradigmy NB-IoT — maximální zjednodušení a zlevnění zařízení.
Mechanismy úspory energie PSM a eDRX:
Jednou z klíčových výhod LPWAN sítí je energetická účinnost. Tvrdí se, že zařízení může pracovat na jedno nabití baterie až 10 let. Podívejme se, jakých hodnot je dosaženo.
Kdy zařízení spotřebovává nejméně energie? Správně, když je vypnuté. A pokud není možné zařízení úplně vypnout, pojďme vypnout rádiový modul po dobu, kdy není potřeba. Jen je třeba to předem dohodnout se sítí.
PSM (Režim úspory energie):
Režim úspory energie PSM umožňuje zařízení dlouhodobě vypnout rádiový modul a přitom zůstat registrované v síti, aniž by bylo třeba při každém přenosu dat znovu nastavovat PDN.
Aby síť věděla, že je zařízení stále dostupné, periodicky iniciuje postup aktualizace — Tracking Area Update (TAU). Frekvence tohoto postupu je určována sítí pomocí časovače T3412, jehož hodnotu zařízení obdrží během procesu Attach nebo při dalším TAU. V klasickém LTE je výchozí hodnota tohoto časovače 54 minut a maximální 186 minut. Ovšem pro zajištění vysoké energetické účinnosti je nutnost vstupovat do rádiového prostoru každých 186 minut příliš nákladná záležitost. K vyřešení tohoto problému byl vyvinut mechanismus PSM.
Zařízení aktivuje režim PSM přenášením v hlášeních „Attach Request“ nebo „Tracking Area Request“ hodnot dvou časovačů T3324 a T3412-Extended. První určuje dobu, po kterou bude zařízení dostupné po přechodu do „Idle Mode“. Druhý je doba, za kterou musí být proveden TAU, přičemž jeho hodnota nyní může dosáhnout 35712000 sekund neboli 413 dní. V závislosti na nastavení může MME přijmout hodnoty časovačů získané od zařízení nebo je změnit, když pošle nové hodnoty v hlášeních „Attach Accept“ nebo „Tracking Area Update Accept“. Nyní může zařízení nezapínat rádiový modul 413 dní a přitom zůstávat zaregistrované v síti. To přináší obrovské úspory síťových zdrojů a energetickou efektivitu zařízení!
V tomto režimu však zařízení není dostupné pouze pro příchozí komunikaci. Pokud je potřeba něco přenést směrem k serveru aplikací, může zařízení kdykoliv opustit PSM a odeslat data, přičemž poté zůstane aktivní po dobu časovače T3324 pro příjem informačních zpráv od AS (pokud nějaké budou).
eDRX (rozšířené přerušované příjímání):
eDRX, rozšířený režim přerušovaného příjmu. Aby mohla síť přenést data na zařízení nacházející se v „Idle mode“, provádí proceduru upozornění — „Paging“. Po přijetí pейджинга zařízení iniciuje vytvoření SRB pro další komunikaci se sítí. Aby však nezmeškalo adresovanou zprávu Paging, musí zařízení neustále sledovat rádiový prostor, což je také dost energeticky náročné.
eDRX je režim, při kterém zařízení přijímá zprávy od sítě nikoli neustále, ale periodicky. Během procedur Attach nebo TAU zařizuje zařízení se sítí časové intervaly, během kterých bude „poslouchat“ éter. Podle toho se v těchto intervalech provede procedura Paging. V režimu eDRX je práce zařízení rozdělena do cyklů (eDRX cycle). Na začátku každého cyklu probíhá takzvané „okno pейджinga“ (Paging Time Window, dále PTW) — což je čas, kdy zařízení slyší rádiový kanál. Po skončení PTW zařízení vypne rádiový modul až do konce cyklu.
HLCOM (komunikace s vysokou latencí):
Pokud je třeba přenést data, může zařízení přejít z jakéhokoli z těchto dvou režimů úspory energie, aniž by čekalo na dokončení cyklu PSM nebo eDRX. Přenášet data na zařízení však lze pouze tehdy, když je aktivní.
Funkcionalita HLCOM nebo komunikace s vysokými zpožděními znamená, že se na SGW ukládají Downlink pakety po dobu, po kterou je zařízení v režimu úspory energie a není dostupné pro komunikaci. Bufferované pakety budou doručeny, jakmile zařízení opustí PSM, provede TAU nebo přenese Uplink provoz, nebo když nastane PTW.
To určitě vyžaduje uvědomění ze strany vývojářů IoT produktů, protože komunikace se zařízením se neodehrává v reálném čase a vyžaduje určité přístupy k sestavování obchodní logiky aplikací.
Na závěr řekněme: zavádění nové technologie je vždy vzrušující, a nyní se zabýváme standardem, který nebyl plně vyzkoušen ani u světových „gigantů“, jako jsou Vodafone a Telefonica – proto je to dvakrát vzrušující. Naše prezentace materiálu si neklade za cíl absolutní úplnost, ale doufáme, že poskytuje dostatečné porozumění technologii. Budeme vděční za zpětnou vazbu.
Autor: Expert oddělení konvergentních řešení a multimediálních služeb Alexej Lapšin
Zdroj: habr.com
