Minule jsme si povídali o vlastnostech nového standardu NB-IoT z pohledu architektury rádiové přístupové sítě. Dnes budeme diskutovat o tom, co se změnilo v Core Network pod NB-IoT. Tak pojďme.
V jádru sítě došlo k významným změnám. Začněme tím, že se objevil nový prvek a také řada mechanismů, které standard definuje jako „CIoT EPS Optimization“ neboli optimalizace jádrové sítě pro celulární internet věcí.
Jak víte, v mobilních sítích existují dva hlavní komunikační kanály, nazývané Control Plane (CP) a User Plane (UP). Control Plane je určen pro výměnu servisních zpráv mezi různými síťovými prvky a používá se k zajištění mobility (Mobility management) zařízení (UE) a navázání/udržování relace přenosu dat (Session Management). Uživatelská rovina je ve skutečnosti kanál pro přenos uživatelského provozu. V klasickém LTE je rozložení CP a UP mezi rozhraními následující:
Optimalizační mechanismy CP a UP pro NB-IoT jsou implementovány na uzlech MME, SGW a PGW, které jsou konvenčně kombinovány do jediného prvku zvaného C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Norma také předpokládá vznik nového síťového prvku – SCEF (Service Capability Exposure Function). Rozhraní mezi MME a SCEF se nazývá T6a a je implementováno na základě protokolu DIAMETER. Přestože je DIAMETER signalizační protokol, v NB-IoT je uzpůsoben pro přenos malého množství non-IP dat.
Jak jeho název napovídá, SCEF je výstavní uzel způsobilosti služeb. Jinými slovy, SCEF skrývá složitost sítě operátora a také zbavuje vývojáře aplikací potřeby identifikovat a ověřovat mobilní zařízení (UE), což umožňuje aplikačním serverům (Application Server, dále AS) přijímat data a spravovat zařízení prostřednictvím jediného API rozhraní.
UE identifikátorem se nestává telefonní číslo (MSISDN) ani IP adresa, jak tomu bylo v klasické 2G/3G/LTE síti, ale tzv. „externí ID“, které je standardem definováno ve formátu známém. vývojářům aplikací“ @ " Toto je samostatné velké téma, které si zaslouží samostatný materiál, takže o něm nyní nebudeme hovořit podrobně.
Nyní se podíváme na nejvýznamnější novinky. „CIoT EPS Optimization“ je optimalizace mechanismů přenosu provozu a správy předplatitelských relací. Zde jsou ty hlavní:
- DoNAS
- NIDD
- Mechanismy úspory energie PSM a eDRX
- HLCOM
DoNAS (data přes NAS):
Jedná se o mechanismus určený k optimalizaci přenosu malého množství dat.
V klasickém LTE naváže účastnické zařízení při registraci do sítě PDN spojení (dále jen PDN) přes eNodeB k MME-SGW-PGW. Spojení UE-eNodeB-MME je takzvaný „Signaling Radio Bearer“ (SRB). Pokud je nutné vysílat/přijímat data, UE naváže další spojení s eNodeB – „Data Radio Bearer“ (DRB), pro přenos uživatelského provozu do SGW a dále do PGW (rozhraní S1-U a S5, v tomto pořadí) . Na konci výměny a pokud není po určitou dobu (obvykle 5-20 sekund) žádný provoz, jsou tato spojení ukončena a zařízení přejde do pohotovostního režimu nebo „Idle Mode“. Pokud je nutné vyměnit novou část dat, SRB a DRB se resetují.
V NB-IoT lze přenos uživatelského provozu provádět prostřednictvím signalizačního kanálu (SRB), ve zprávách protokolu NAS (). Nastavení DRB již není nutné. To výrazně snižuje zátěž signálu, šetří síťové rádiové zdroje a hlavně prodlužuje životnost baterie zařízení.
V sekci eNodeB - MME se začínají přenášet uživatelská data přes rozhraní S1-MME, což u klasické LTE technologie nebylo a slouží k tomu NAS protokol, ve kterém se objevuje „User data container“.
Pro provedení přenosu „User Plane“ z MME do SGW se objevuje nové rozhraní S11-U, které je určeno pro přenos malého množství uživatelských dat. Protokol S11-U je založen na GTP-U v1, který se používá pro přenos User Plane na jiných síťových rozhraních architektury 3GPP.
NIDD (doručování dat bez IP adresy):
V rámci další optimalizace mechanismů pro přenos malého množství dat se vedle již existujících typů PDN, jako jsou IPv4, IPv6 a IPv4v6, objevil další typ - non-IP. V tomto případě není UE přiřazena IP adresa a data jsou přenášena bez použití IP protokolu. Důvodů je několik:
- Zařízení internetu věcí, jako jsou senzory, mohou přenášet velmi malá množství dat, 20 bajtů nebo méně. Vzhledem k tomu, že minimální velikost hlavičky IP je 20 bajtů, může být zapouzdření IP někdy docela drahé;
- Není potřeba implementovat IP stack na čip, což vede k jejich zlevnění (otázka do diskuze v komentářích).
Celkově je IP adresa nezbytná pro IoT zařízení k přenosu dat přes internet. V konceptu NB-IoT funguje SCEF jako jediný spojovací bod AS a výměna dat mezi zařízeními a aplikačními servery probíhá prostřednictvím API. V nepřítomnosti SCEF mohou být non-IP data přenášena do AS prostřednictvím Point-to-Point (PtP) tunelu z PGW a bude na něm provedeno zapouzdření IP.
To vše zapadá do paradigmatu NB-IoT – maximální zjednodušení a snížení nákladů na zařízení.
Mechanismy úspory energie PSM a eDRX:
Jednou z klíčových výhod sítí LPWAN je energetická účinnost. Zařízení má údajně vydržet až 10 let životnosti baterie na jednu baterii. Pojďme zjistit, jak se takové hodnoty dosahují.
Kdy zařízení spotřebuje nejméně energie? Opravte, když je vypnutý. A pokud není možné úplně odpojit zařízení od napájení, vypněte rádiový modul tak dlouho, dokud to nebude potřeba. Nejprve to musíte koordinovat se sítí.
PSM (režim úspory energie):
Úsporný režim PSM umožňuje zařízení vypnout rádiový modul na dlouhou dobu a přitom zůstat registrován v síti a ne znovu instalovat PDN pokaždé, když potřebuje přenést data.
Aby síť věděla, že je zařízení stále dostupné, pravidelně spouští aktualizační proceduru – Tracking Area Update (TAU). Frekvenci této procedury nastavuje síť pomocí časovače T3412, jehož hodnota je přenášena do zařízení během procedury Attach nebo další TAU. V klasickém LTE je výchozí hodnota tohoto časovače 54 minut a maximum je 186 minut. Pro zajištění vysoké energetické účinnosti je však potřeba vysílat každých 186 minut příliš drahá. K vyřešení tohoto problému byl vyvinut mechanismus PSM.
Zařízení aktivuje režim PSM vysíláním hodnot dvou časovačů T3324 a T3412-Extended ve zprávách „Požadavek na připojení“ nebo „Požadavek na sledování oblasti“. První určuje dobu, po kterou bude zařízení dostupné po přepnutí do „Idle Mode“. Druhým je doba, po které musí být TAU provedeno, teprve nyní může jeho hodnota dosáhnout 35712000 413 413 sekund nebo XNUMX dní. V závislosti na nastavení může MME přijmout hodnoty časovače přijaté ze zařízení nebo je změnit odesláním nových hodnot ve zprávách „Attach Accept“ nebo „Tracking Area Update Accept“. Nyní zařízení nemůže zapnout rádiový modul po dobu XNUMX dní a zůstat registrováno v síti. Výsledkem je enormní úspora síťových zdrojů a energetické účinnosti zařízení!
V tomto režimu však zařízení není dostupné pouze pro příchozí komunikaci. Pokud je potřeba něco vyslat směrem k aplikačnímu serveru, může zařízení kdykoli ukončit PSM a odeslat data, po kterých zůstane aktivní během časovače T3324 pro příjem informačních zpráv z AS (pokud existují).
eDRX (prodloužený přerušovaný příjem):
eDRX, vylepšený přerušovaný příjem. Pro přenos dat do zařízení, které je v „režimu nečinnosti“, síť provede notifikační proceduru – „Paging“. Po přijetí pagingu zařízení zahájí vytvoření SRB pro další komunikaci se sítí. Aby ale neunikla jemu adresovaná Pagingová zpráva, musí zařízení neustále monitorovat rádiový vzduch, což je také dost energeticky náročné.
eDRX je režim, ve kterém zařízení nepřijímá zprávy ze sítě neustále, ale pravidelně. Během procedur Attach nebo TAU se zařízení dohodne se sítí na časových intervalech, během kterých bude „poslouchat“ vysílání. V souladu s tím bude procedura stránkování prováděna ve stejných intervalech. V režimu eDRX je provoz zařízení rozdělen do cyklů (cyklus eDRX). Na začátku každého cyklu je tzv. „stránkovací okno“ (Paging Time Window, dále PTW) - to je doba, po kterou zařízení poslouchá rádiový kanál. Na konci PTW zařízení vypne rádiový modul až do konce cyklu.
HLCOM (komunikace s vysokou latencí):
Pokud potřebuje přenést data do Uplinku, může zařízení opustit jeden z těchto dvou úsporných režimů, aniž by čekalo na dokončení cyklu PSM nebo eDRX. Přenášet data do zařízení je ale možné pouze tehdy, když je aktivní.
Funkce HLCOM nebo komunikace s vysokou latencí je ukládání paketů Downlink na SGW, když je zařízení v úsporném režimu a není dostupné pro komunikaci. Pakety s vyrovnávací pamětí budou doručeny, jakmile zařízení opustí PSM provedením TAU nebo předáním uplinkového provozu, nebo když dojde k PTW.
To samozřejmě vyžaduje povědomí ze strany vývojářů produktů IoT, protože komunikace se zařízením neprobíhá v reálném čase a vyžaduje určitý přístup k navrhování obchodní logiky aplikací.
Na závěr řekněme: představení něčeho nového je vždy vzrušující, ale nyní máme co do činění se standardem, který nebyl plně otestován ani světovými „bizoni“, jako jsou Vodafone a Telefonica – takže je to dvojnásob vzrušující. Naše prezentace materiálu nepředstírá, že je absolutně úplná, ale doufáme, že poskytne dostatečné pochopení technologie. Budeme rádi za vaši zpětnou vazbu.
Autor: Expert katedry konvergentních řešení a multimediálních služeb Alexey Lapshin
Zdroj: www.habr.com