Sidste gang talte vi om funktionerne i den nye NB-IoT-standard set ud fra et radioadgangsnetværksarkitektur. I dag vil vi diskutere, hvad der har ændret sig i Core Network under NB-IoT. Så lad os gå.
Der er sket væsentlige ændringer i kernen af netværket. Lad os starte med det faktum, at et nyt element er dukket op, samt en række mekanismer, som er defineret af standarden som "CIoT EPS Optimization" eller optimering af kernenetværket til det cellulære internet af ting.
Som du ved, er der i mobilnetværk to hovedkommunikationskanaler, kaldet Control Plane (CP) og User Plane (UP). Control Plane er beregnet til udveksling af servicemeddelelser mellem forskellige netværkselementer og bruges til at sikre mobilitet (Mobility Management) af enheder (UE) og etablere/vedligeholde en datatransmissionssession (Session Management). User Plane er faktisk en kanal til transmission af brugertrafik. I klassisk LTE er fordelingen af CP og UP på tværs af grænseflader som følger:
CP- og UP-optimeringsmekanismer for NB-IoT er implementeret på MME-, SGW- og PGW-noder, som konventionelt kombineres til et enkelt element kaldet C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Standarden forudsætter også fremkomsten af et nyt netværkselement - SCEF (Service Capability Exposure Function). Interfacet mellem MME og SCEF kaldes T6a og er implementeret baseret på DIAMETER-protokollen. På trods af at DIAMETER er en signaleringsprotokol, er den i NB-IoT tilpasset til transmission af små mængder ikke-IP-data.
Som navnet antyder, er SCEF en Service Capability Exhibit Node. Med andre ord skjuler SCEF kompleksiteten af operatørens netværk og fritager også applikationsudviklere for behovet for at identificere og autentificere mobile enheder (UE), hvilket gør det muligt for applikationsservere (Application Server, herefter AS) at modtage data og administrere enheder gennem en enkelt API-grænseflade.
UE-identifikationen bliver ikke et telefonnummer (MSISDN) eller en IP-adresse, som det var tilfældet i det klassiske 2G/3G/LTE-netværk, men det såkaldte "eksterne ID", som er defineret af standarden i det velkendte format til applikationsudviklere "@". Dette er et separat stort emne, der fortjener separat materiale, så vi vil ikke tale om det i detaljer nu.
Lad os nu se på de vigtigste innovationer. "CIoT EPS Optimization" er optimering af trafiktransmissionsmekanismer og administration af abonnentsessioner. Her er de vigtigste:
- DoNAS
- NIDD
- PSM og eDRX strømbesparende mekanismer
- HLCOM
DoNAS (Data over NAS):
Dette er en mekanisme designet til at optimere overførslen af små mængder data.
I klassisk LTE etablerer en abonnentenhed ved registrering i netværket en PDN-forbindelse (herefter benævnt PDN) via eNodeB til MME-SGW-PGW. UE-eNodeB-MME forbindelsen er en såkaldt "Signaling Radio Bearer" (SRB). Hvis det er nødvendigt at transmittere/modtage data, etablerer UE en anden forbindelse med eNodeB - "Data Radio Bearer" (DRB), for at transmittere brugertrafik til SGW'en og videre til PGW'en (henholdsvis grænseflader S1-U og S5) . Ved afslutningen af udvekslingen, og hvis der ikke er trafik i nogen tid (normalt 5-20 sekunder), afbrydes disse forbindelser, og enheden går i standbytilstand eller "Idle Mode". Hvis det er nødvendigt at udveksle en ny del af data, nulstilles SRB og DRB.
I NB-IoT kan transmission af brugertrafik udføres gennem en signaleringskanal (SRB), i NAS-protokolmeddelelser (). Opsætning af en DRB er ikke længere nødvendig. Dette reducerer signalbelastningen markant, sparer netværksradioressourcer og, vigtigst af alt, forlænger levetiden for enhedens batteri.
I sektionen eNodeB - MME begynder brugerdata at blive transmitteret over S1-MME-grænsefladen, hvilket ikke var tilfældet i klassisk LTE-teknologi, og til dette bruges NAS-protokollen, hvor "Brugerdatabeholderen" vises.
For at udføre overførslen af "User Plane" fra MME til SGW fremkommer en ny grænseflade S11-U, som er designet til overførsel af små mængder brugerdata. S11-U-protokollen er baseret på GTP-U v1, som bruges til User Plane-transmission på andre netværksgrænseflader i 3GPP-arkitekturen.
NIDD (ikke-IP-datalevering):
Som led i yderligere optimering af mekanismer til transmission af små mængder data er der udover de allerede eksisterende PDN-typer, såsom IPv4, IPv6 og IPv4v6, dukket en anden type op - ikke-IP. I dette tilfælde tildeles UE ikke en IP-adresse, og data overføres uden brug af IP-protokollen. Det er der flere grunde til:
- IoT-enheder såsom sensorer kan transmittere meget små mængder data, 20 bytes eller mindre. I betragtning af at den minimale IP-headerstørrelse er 20 bytes, kan IP-indkapsling nogle gange være ret dyrt;
- Der er ingen grund til at implementere en IP-stak på chippen, hvilket fører til deres reduktion i omkostningerne (et spørgsmål til diskussion i kommentarerne).
I det store og hele er en IP-adresse nødvendig for at IoT-enheder kan overføre data over internettet. I NB-IoT-konceptet fungerer SCEF som et enkelt AS-forbindelsespunkt, og dataudveksling mellem enheder og applikationsservere sker via API. I mangel af SCEF kan ikke-IP-data overføres til AS'et via en Point-to-Point (PtP) tunnel fra PGW'en, og IP-indkapsling vil blive udført på den.
Alt dette passer ind i NB-IoT-paradigmet - maksimal forenkling og reduktion i omkostninger til enheder.
PSM og eDRX strømbesparende mekanismer:
En af de vigtigste fordele ved LPWAN-netværk er energieffektivitet. Enheden hævdes at holde op til 10 års batterilevetid på et enkelt batteri. Lad os finde ud af, hvordan sådanne værdier opnås.
Hvornår bruger en enhed mindst energi? Ret, når den er slukket. Og hvis det er umuligt at afbryde enheden fuldstændigt, lad os deaktivere radiomodulet, så længe det ikke er nødvendigt. Du skal blot koordinere dette med netværket først.
PSM (Strømsparetilstand):
PSM-strømsparetilstanden gør det muligt for enheden at slukke for radiomodulet i lang tid, mens den forbliver registreret i netværket, og ikke geninstallere PDN, hver gang den skal transmittere data.
For at lade netværket vide, at enheden stadig er tilgængelig, starter den med jævne mellemrum en opdateringsprocedure - Tracking Area Update (TAU). Frekvensen af denne procedure indstilles af netværket ved hjælp af timeren T3412, hvis værdi sendes til enheden under tilslutningsproceduren eller den næste TAU. I klassisk LTE er standardværdien for denne timer 54 minutter, og maksimum er 186 minutter. Men for at sikre høj energieffektivitet er behovet for at gå i luften hvert 186. minut for dyrt. PSM-mekanismen blev udviklet til at løse dette problem.
Enheden aktiverer PSM-tilstanden ved at sende værdierne af to timere T3324 og T3412-Extended i meddelelserne "Attach Request" eller "Tracking Area Request". Den første bestemmer den tid, enheden vil være tilgængelig efter skift til "Idle Mode". Den anden er den tid, hvorefter TAU skal laves, kun nu kan dens værdi nå 35712000 sekunder eller 413 dage. Afhængigt af indstillingerne kan MME acceptere de timerværdier, der er modtaget fra enheden, eller ændre dem ved at sende nye værdier i meddelelserne "Attach Accept" eller "Tracking Area Update Accept". Nu kan enheden ikke tænde for radiomodulet i 413 dage og forblive registreret i netværket. Som et resultat opnår vi enorme besparelser i netværksressourcer og energieffektivitet af enheder!
Men i denne tilstand er enheden ikke kun tilgængelig for indgående kommunikation. Hvis det er nødvendigt at sende noget til applikationsserveren, kan enheden til enhver tid afslutte PSM og sende data, hvorefter den forbliver aktiv under T3324-timeren for at modtage informationsmeddelelser fra AS (hvis nogen).
eDRX (udvidet diskontinuerlig modtagelse):
eDRX, forbedret intermitterende modtagelse. For at overføre data til en enhed, der er i "Inaktiv tilstand", udfører netværket en meddelelsesprocedure - "Paging". Ved modtagelse af en personsøgning initierer enheden etableringen af en SRB til yderligere kommunikation med netværket. Men for ikke at gå glip af Paging-meddelelsen, der er adresseret til den, skal enheden konstant overvåge radioluften, som også er ret energikrævende.
eDRX er en tilstand, hvor enheden ikke modtager beskeder fra netværket konstant, men periodisk. Under Vedhæft- eller TAU-procedurerne aftaler enheden med netværket, i hvilke tidsintervaller den vil "lytte" til udsendelsen. I overensstemmelse hermed vil personsøgningsproceduren blive udført med samme intervaller. I eDRX-tilstand er enhedens drift opdelt i cyklusser (eDRX-cyklus). I begyndelsen af hver cyklus er der et såkaldt "paging-vindue" (Paging Time Window, herefter PTW) - det er det tidspunkt, hvor enheden lytter til radiokanalen. Ved slutningen af PTW slukker enheden for radiomodulet indtil slutningen af cyklussen.
HLCOM (high latency communication):
Hvis den skal overføre data til Uplink, kan enheden afslutte en af disse to strømbesparende tilstande uden at vente på, at PSM- eller eDRX-cyklussen er fuldført. Men det er kun muligt at overføre data til enheden, når den er aktiv.
HLCOM-funktionalitet eller kommunikation med høj latens er bufferlagring af Downlink-pakker på SGW, mens enheden er i strømbesparende tilstand og ikke er tilgængelig for kommunikation. Bufret pakker vil blive leveret, så snart enheden afslutter PSM ved at udføre TAU eller passere Uplink trafik, eller når PTW opstår.
Dette kræver selvfølgelig bevidsthed fra udviklere af IoT-produkter, da kommunikation med en enhed ikke opnås i realtid og kræver en vis tilgang til at designe applikationernes forretningslogik.
Afslutningsvis, lad os sige: introduktionen af noget nyt er altid spændende, men nu har vi at gøre med en standard, der ikke er blevet fuldt testet selv af verdens "bisoner", som Vodafone og Telefonica - så det er dobbelt spændende. Vores præsentation af materialet foregiver ikke at være helt fuldstændig, men vi håber, at det giver en tilstrækkelig forståelse af teknologien. Vi ville sætte pris på din feedback.
Forfatter: Ekspert fra afdelingen for konvergente løsninger og multimedietjenester Alexey Lapshin
Kilde: www.habr.com