Letztes Mal haben wir über die Funktionen des neuen NB-IoT-Standards aus Sicht der Funkzugangsnetzwerkarchitektur gesprochen. Heute besprechen wir, was sich im Kernnetzwerk unter NB-IoT geändert hat. So lass uns gehen.
Im Kern des Netzwerks gab es erhebliche Änderungen. Beginnen wir mit der Tatsache, dass ein neues Element sowie eine Reihe von Mechanismen aufgetaucht sind, die im Standard als „CIoT EPS Optimization“ oder Optimierung des Kernnetzwerks für das zellulare Internet der Dinge definiert werden.
Wie Sie wissen, gibt es in Mobilfunknetzen zwei Hauptkommunikationskanäle: Control Plane (CP) und User Plane (UP). Control Plane dient dem Austausch von Dienstnachrichten zwischen verschiedenen Netzwerkelementen und dient der Sicherstellung der Mobilität (Mobility Management) von Geräten (UE) und dem Aufbau/Aufrechterhalten einer Datenübertragungssitzung (Session Management). User Plane ist in der Tat ein Kanal zur Übertragung des Benutzerverkehrs. Bei klassischem LTE ist die Verteilung von CP und UP auf die Schnittstellen wie folgt:
CP- und UP-Optimierungsmechanismen für NB-IoT werden auf MME-, SGW- und PGW-Knoten implementiert, die üblicherweise in einem einzigen Element namens C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node) zusammengefasst werden. Der Standard geht auch von der Entstehung eines neuen Netzwerkelements aus – SCEF (Service Capability Exposure Function). Die Schnittstelle zwischen MME und SCEF heißt T6a und ist auf Basis des DIAMETER-Protokolls implementiert. Obwohl DIAMETER ein Signalisierungsprotokoll ist, ist es in NB-IoT für die Übertragung kleiner Mengen von Nicht-IP-Daten angepasst.
Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei SCEF um einen Service Capability Exhibit Node. Mit anderen Worten: SCEF verbirgt die Komplexität des Netzwerks des Betreibers und entlastet Anwendungsentwickler von der Notwendigkeit, mobile Geräte (UE) zu identifizieren und zu authentifizieren, sodass Anwendungsserver (Anwendungsserver, im Folgenden AS) Daten empfangen und Geräte über ein einziges Gerät verwalten können API-Schnittstelle.
Bei der UE-Kennung handelt es sich nicht um eine Telefonnummer (MSISDN) oder eine IP-Adresse, wie es im klassischen 2G/3G/LTE-Netz der Fall war, sondern um die sogenannte „externe ID“, die vom Standard im bekannten Format definiert wird an Anwendungsentwickler „@“. Dies ist ein separates großes Thema, das separates Material verdient, daher werden wir jetzt nicht im Detail darauf eingehen.
Schauen wir uns nun die wichtigsten Neuerungen an. „CIoT EPS Optimization“ ist die Optimierung von Verkehrsübertragungsmechanismen und Teilnehmersitzungsmanagement. Hier sind die wichtigsten:
- DoNAS
- NIDD
- PSM- und eDRX-Energiesparmechanismen
- HLCOM
DoNAS (Daten über NAS):
Hierbei handelt es sich um einen Mechanismus zur Optimierung der Übertragung kleiner Datenmengen.
Bei klassischem LTE baut ein Teilnehmergerät bei der Anmeldung im Netz eine PDN-Verbindung (im Folgenden PDN genannt) über eNodeB zum MME-SGW-PGW auf. Bei der UE-eNodeB-MME-Verbindung handelt es sich um einen sogenannten „Signaling Radio Bearer“ (SRB). Wenn das Senden/Empfangen von Daten erforderlich ist, stellt das UE eine weitere Verbindung mit dem eNodeB her – „Data Radio Bearer“ (DRB), um den Benutzerverkehr an das SGW und weiter an das PGW (Schnittstellen S1-U bzw. S5) zu übertragen. . Am Ende des Austauschs und wenn für einige Zeit (normalerweise 5-20 Sekunden) kein Verkehr stattfindet, werden diese Verbindungen beendet und das Gerät geht in den Standby-Modus oder „Idle Mode“. Wenn es notwendig ist, einen neuen Datenabschnitt auszutauschen, werden SRB und DRB zurückgesetzt.
Bei NB-IoT kann die Übertragung des Benutzerverkehrs über einen Signalisierungskanal (SRB) erfolgen, in NAS-Protokollnachrichten (). Das Einrichten eines DRB ist nicht mehr erforderlich. Dadurch wird die Signallast erheblich reduziert, Netzwerkfunkressourcen geschont und vor allem die Lebensdauer des Geräteakkus verlängert.
Im Abschnitt eNodeB - MME beginnt die Übertragung von Benutzerdaten über die S1-MME-Schnittstelle, was in der klassischen LTE-Technologie nicht der Fall war, und hierfür wird das NAS-Protokoll verwendet, in dem der „Benutzerdatencontainer“ erscheint.
Um die Übertragung von „User Plane“ von MME zu SGW durchzuführen, erscheint eine neue Schnittstelle S11-U, die für die Übertragung kleiner Mengen an Benutzerdaten ausgelegt ist. Das S11-U-Protokoll basiert auf GTP-U v1, das für die User Plane-Übertragung auf anderen Netzwerkschnittstellen der 3GPP-Architektur verwendet wird.
NIDD (Nicht-IP-Datenlieferung):
Im Rahmen der weiteren Optimierung der Mechanismen zur Übertragung kleiner Datenmengen ist neben den bereits vorhandenen PDN-Typen wie IPv4, IPv6 und IPv4v6 ein weiterer Typ aufgetaucht – Nicht-IP. In diesem Fall wird dem UE keine IP-Adresse zugewiesen und die Daten werden ohne Verwendung des IP-Protokolls übertragen. Dafür gibt es mehrere Gründe:
- IoT-Geräte wie Sensoren können sehr kleine Datenmengen, 20 Byte oder weniger, übertragen. Angesichts der Tatsache, dass die Mindestgröße des IP-Headers 20 Byte beträgt, kann die IP-Kapselung manchmal recht teuer sein;
- Es ist nicht erforderlich, einen IP-Stack auf dem Chip zu implementieren, was zu einer Kostensenkung führt (eine Frage, die in den Kommentaren diskutiert werden soll).
Im Großen und Ganzen ist eine IP-Adresse erforderlich, damit IoT-Geräte Daten über das Internet übertragen können. Im NB-IoT-Konzept fungiert der SCEF als einzelner AS-Verbindungspunkt und der Datenaustausch zwischen Geräten und Anwendungsservern erfolgt über API. Wenn kein SCEF vorhanden ist, können Nicht-IP-Daten über einen Point-to-Point (PtP)-Tunnel vom PGW an den AS übertragen werden, und die IP-Kapselung wird darauf durchgeführt.
All dies passt zum NB-IoT-Paradigma – maximale Vereinfachung und Reduzierung der Gerätekosten.
PSM- und eDRX-Stromsparmechanismen:
Einer der Hauptvorteile von LPWAN-Netzwerken ist die Energieeffizienz. Das Gerät soll mit einer einzigen Batterie eine Batterielebensdauer von bis zu 10 Jahren haben. Lassen Sie uns herausfinden, wie solche Werte erreicht werden.
Wann verbraucht ein Gerät am wenigsten Energie? Richtig, wenn es ausgeschaltet ist. Und wenn es nicht möglich ist, das Gerät vollständig stromlos zu schalten, schalten wir das Funkmodul so lange stromlos, wie es nicht benötigt wird. Sie müssen dies lediglich zunächst mit dem Netzwerk abstimmen.
PSM (Energiesparmodus):
Der PSM-Energiesparmodus ermöglicht es dem Gerät, das Funkmodul für längere Zeit auszuschalten, während es im Netzwerk registriert bleibt, und das PDN nicht jedes Mal neu zu installieren, wenn es Daten übertragen muss.
Um dem Netzwerk mitzuteilen, dass das Gerät noch verfügbar ist, initiiert es regelmäßig einen Update-Vorgang – Tracking Area Update (TAU). Die Häufigkeit dieses Vorgangs wird vom Netzwerk mithilfe des Timers T3412 eingestellt, dessen Wert beim Attach-Vorgang oder beim nächsten TAU an das Gerät übertragen wird. Bei klassischem LTE beträgt der Standardwert dieses Timers 54 Minuten und der Maximalwert 186 Minuten. Um eine hohe Energieeffizienz zu gewährleisten, ist es jedoch zu teuer, alle 186 Minuten auf Sendung zu gehen. Zur Lösung dieses Problems wurde der PSM-Mechanismus entwickelt.
Das Gerät aktiviert den PSM-Modus, indem es die Werte der beiden Timer T3324 und T3412-Extended in den Nachrichten „Attach Request“ oder „Tracking Area Request“ übermittelt. Der erste bestimmt die Zeit, die das Gerät nach dem Umschalten in den „Leerlaufmodus“ verfügbar sein wird. Die Sekunde ist die Zeit, nach der die TAU erstellt werden muss, erst jetzt kann ihr Wert 35712000 Sekunden oder 413 Tage erreichen. Abhängig von den Einstellungen kann das MME die vom Gerät empfangenen Timer-Werte akzeptieren oder sie ändern, indem es neue Werte in den Nachrichten „Attach Accept“ oder „Tracking Area Update Accept“ sendet. Nun kann das Gerät das Funkmodul 413 Tage lang nicht einschalten und im Netzwerk angemeldet bleiben. Dadurch erzielen wir enorme Einsparungen bei den Netzwerkressourcen und der Energieeffizienz der Geräte!
Allerdings ist das Gerät in diesem Modus nicht nur für eingehende Kommunikation verfügbar. Wenn etwas an den Anwendungsserver übertragen werden muss, kann das Gerät PSM jederzeit verlassen und Daten senden. Danach bleibt es während des T3324-Timers aktiv, um Informationsnachrichten vom AS zu empfangen (falls vorhanden).
eDRX (erweiterter diskontinuierlicher Empfang):
eDRX, Enhanced Intermittent Reception. Um Daten an ein Gerät zu übertragen, das sich im „Leerlaufmodus“ befindet, führt das Netzwerk einen Benachrichtigungsvorgang durch – „Paging“. Beim Empfang eines Pagings initiiert das Gerät die Einrichtung eines SRB für die weitere Kommunikation mit dem Netzwerk. Um aber die an ihn gerichtete Paging-Nachricht nicht zu verpassen, muss das Gerät die Funkluft ständig überwachen, was ebenfalls recht energieaufwendig ist.
eDRX ist ein Modus, bei dem das Gerät nicht ständig, sondern periodisch Nachrichten vom Netzwerk empfängt. Während des Attach- oder TAU-Vorgangs vereinbart das Gerät mit dem Netzwerk die Zeitintervalle, in denen es die Übertragung „abhört“. Dementsprechend wird der Paging-Vorgang in den gleichen Abständen durchgeführt. Im eDRX-Modus ist der Betrieb des Geräts in Zyklen unterteilt (eDRX-Zyklus). Zu Beginn jedes Zyklus gibt es ein sogenanntes „Paging-Fenster“ (Paging Time Window, im Folgenden PTW) – das ist die Zeit, in der das Gerät auf den Funkkanal hört. Am Ende des PTW schaltet das Gerät das Funkmodul bis zum Ende des Zyklus ab.
HLCOM (Kommunikation mit hoher Latenz):
Wenn Daten an Uplink übertragen werden müssen, kann das Gerät einen dieser beiden Energiesparmodi verlassen, ohne auf den Abschluss des PSM- oder eDRX-Zyklus warten zu müssen. Es ist jedoch nur möglich, Daten an das Gerät zu übertragen, wenn es aktiv ist.
Bei der HLCOM-Funktionalität oder Kommunikation mit hoher Latenz handelt es sich um die Pufferung von Downlink-Paketen auf dem SGW, während sich das Gerät im Energiesparmodus befindet und nicht für die Kommunikation verfügbar ist. Gepufferte Pakete werden zugestellt, sobald das Gerät PSM verlässt, indem es TAU ausführt oder Uplink-Verkehr weiterleitet, oder wenn PTW auftritt.
Dies erfordert natürlich ein Bewusstsein seitens der Entwickler von IoT-Produkten, da die Kommunikation mit einem Gerät nicht in Echtzeit erfolgt und eine bestimmte Herangehensweise an die Gestaltung der Geschäftslogik von Anwendungen erfordert.
Lassen Sie uns abschließend sagen: Die Einführung von etwas Neuem ist immer aufregend, aber jetzt haben wir es mit einem Standard zu tun, der selbst von den „Bisons“ der Welt wie Vodafone und Telefonica noch nicht vollständig getestet wurde – also ist es doppelt aufregend. Unsere Darstellung des Materials erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, wir hoffen jedoch, dass sie ein ausreichendes Verständnis der Technologie vermittelt. Wir würden uns über Ihr Feedback freuen.
Autor: Experte der Abteilung für konvergente Lösungen und Multimediadienste Alexey Lapshin
Source: habr.com