NB-IoT: Wie funktioniert das? Teil 2

Beim letzten Mal haben wir die Besonderheiten des neuen Standards NB-IoT aus der Sicht der Architektur des Radiozugangsnetzes besprochen. Heute wollen wir diskutieren, was sich im Kernnetz (Core Network) bei NB-IoT geändert hat. Also, los geht's.

Im Kernnetz gab es bedeutende Veränderungen. Beginnen wir damit, dass ein neues Element eingeführt wurde sowie eine Reihe von Mechanismen, die im Standard als „CIoT EPS Optimization“ oder Optimierung des Kernnetzes für das Mobilfunkinternet der Dinge definiert sind.

Wie bekannt ist, gibt es in Mobilfunknetzen zwei Hauptkommunikationskanäle, die als Control Plane (CP) und User Plane (UP) bezeichnet werden. Die Control Plane dient dem Austausch von Steuerungssignalen zwischen verschiedenen Netzwerkelementen und gewährleistet die Mobilität (Mobility management) der Endgeräte (UE) sowie den Aufbau/Erhalt von Datensitzungen (Session Management). Die User Plane ist der Kanal, über den der Benutzerverkehr übertragen wird. In einem klassischen LTE sieht die Verteilung von CP und UP auf die Schnittstellen wie folgt aus:

Die Mechanismen zur Optimierung von CP und UP für NB-IoT werden an den Knoten MME, SGW und PGW implementiert, die zusammen als ein einzelnes Element namens C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node) zusammengefasst werden. Außerdem sieht der Standard die Einführung eines neuen Netzwerkelements – SCEF (Service Capability Exposure Function) – vor. Die Schnittstelle zwischen MME und SCEF wird als T6a bezeichnet und basiert auf dem DIAMETER-Protokoll. Obwohl DIAMETER ein Signalisierungsprotokoll ist, wurde es für NB-IoT zur Übertragung kleiner Mengen an Non-IP-Daten angepasst.

Wie der Name schon sagt, ist SCEF ein Knoten zur Exposition von Dienstfähigkeiten. Mit anderen Worten: SCEF verbirgt die Komplexität des Betreibernetzwerks und befreit Anwendungsentwickler von der Notwendigkeit, mobile Endgeräte (UE) zu identifizieren und zu authentifizieren, indem es den Anwendungsservern (Application Server, AS) ermöglicht, Daten zu erhalten und Geräte über eine einheitliche API-Schnittstelle zu steuern.

Die Identifikation des UE erfolgt nicht über die Telefonnummer (MSISDN) oder die IP-Adresse, wie es in klassischen Netzwerken der Fall war (2G/3G/LTE), sondern über die sogenannte „external ID“, die im Standard im für Anwendungsentwickler gewohnten Format „@“ definiert ist. Dies ist ein separates, großes Thema, das eine eigene Behandlung verdient, weshalb wir jetzt nicht ausführlich darüber sprechen werden.

Lassen Sie uns nun die bedeutendsten Neuerungen betrachten. „CIoT EPS-Optimierung“ ist die Optimierung der Mechanismen zur Übertragung von Datenverkehr und zur Verwaltung von Nutzersitzungen. Dies sind die wichtigsten:

• DoNAS
• NIDD
• Energiesparmechanismen PSM und eDRX
• HLCOM

DoNAS (Daten über NAS):

Dies ist ein Mechanismus, der entwickelt wurde, um die Übertragung kleiner Datenmengen zu optimieren.

Im klassischen LTE richtet ein Endgerät beim Registrieren im Netzwerk eine PDN-Verbindung (nachfolgend PDN) über eNodeB zu MME-SGW-PGW ein. Die Verbindung UE-eNodeB-MME wird als „Signaling Radio Bearer“ (SRB) bezeichnet. Wenn Daten übertragen/empfangen werden müssen, stellt UE eine weitere Verbindung zu eNodeB her – „Data Radio Bearer“ (DRB), um Benutzerdatenverkehr zu SGW und weiter zu PGW zu übertragen (Schnittstellen S1-U und S5 entsprechend). Nach Abschluss des Austausches und bei fehlendem Verkehr über einen bestimmten Zeitraum (normalerweise 5-20 Sekunden) werden diese Verbindungen getrennt und das Gerät wechselt in den Standby-Modus oder „Idle Mode“. Bei Bedarf für den Austausch neuer Datenpakete werden SRB und DRB neu eingerichtet.

Im NB-IoT kann der Benutzerdatenverkehr über den Signalisierungskanal (SRB) in Nachrichten des NAS-Protokolls (http://www.3gpp.org/more/96-nas). Die Einrichtung eines DRB ist nicht mehr erforderlich. Dies reduziert die Signallast erheblich, spart Funkressourcen im Netzwerk und verlängert vor allem die Lebensdauer des Geräts.

Im Abschnitt eNodeB – MME beginnen Benutzerdaten, über die Schnittstelle S1-MME übertragen zu werden, was in der klassischen LTE-Technologie nicht der Fall war, und dafür wird das NAS-Protokoll verwendet, in dem ein „User Data Container“ auftaucht.

Für die Übertragung des „User Plane“ von MME zu SGW wurde eine neue Schnittstelle S11-U eingeführt, die für die Übertragung kleiner Datenmengen vorgesehen ist. Der S11-U-Protokoll basiert auf GTP-U v1, das auch zur Übertragung von User Plane an anderen Schnittstellen der 3GPP-Architektur verwendet wird.

NIDD (non-IP Datenübertragung):

Im Rahmen weiterer Optimierungsbemühungen bei der Übertragung kleiner Datenmengen wurde neben den bereits vorhandenen PDN-Typen wie IPv4, IPv6 und IPv4v6 ein weiterer Typ hinzugefügt – non-IP. In diesem Fall erhält UE keine IP-Adresse, und die Daten werden ohne Verwendung eines IP-Protokolls übertragen. Dafür gibt es mehrere Gründe:

1. IoT-Geräte wie Sensoren können sehr kleine Datenmengen von 20 Byte oder sogar weniger übertragen. Angesichts der Tatsache, dass die minimalen IP-Headergröße 20 Byte beträgt, kann die Kapselung in IP manchmal ein ziemlich teures Vergnügen sein;
2. Es besteht keine Notwendigkeit, einen IP-Stack im Chip zu implementieren, was zu einer Kostensenkung führt (eine Frage zur Diskussion in den Kommentaren).

Im Großen und Ganzen ist eine IP-Adresse für IoT-Geräte erforderlich, um Daten über das Internet zu übertragen. Im Konzept von NB-IoT fungiert SCEF als einheitlicher Verbindungspunkt zum AS, und der Datenaustausch zwischen Geräten und Anwendungsservern erfolgt über APIs. In Abwesenheit von SCEF können Non-IP-Daten über einen Point-to-Point (PtP) Tunnel von PGW an das AS gesendet werden, wobei die Kapselung in IP bereits dort erfolgt.

All dies passt in das Paradigma von NB-IoT – maximale Vereinfachung und Kostensenkung der Geräte.

Energiesparmechanismen PSM und eDRX:

Einer der Schlüsselvorteile von LPWAN-Netzwerken ist die Energieeffizienz. Es wird eine Lebensdauer von bis zu 10 Jahren im Batteriebetrieb für ein Gerät gemeldet. Lassen Sie uns herausfinden, wie solche Werte erreicht werden.

Wann verbraucht ein Gerät am wenigsten Energie? Richtig, wenn es ausgeschaltet ist. Und wenn man das Gerät nicht vollständig abschalten kann, lassen Sie uns das Funkmodul ausschalten, solange es nicht benötigt wird. Nur muss dies vorher mit dem Netzwerk abgestimmt werden.

PSM (Power Saving Mode):

Der Energiesparmodus PSM ermöglicht es einem Gerät, das Funkmodul für längere Zeit auszuschalten, während es weiterhin im Netzwerk registriert bleibt und nicht jedes Mal bei Bedarf ein PDN neu aufbauen muss.

Damit das Netzwerk weiß, dass das Gerät weiterhin verfügbar ist, initiiert es regelmäßig das Aktualisierungsverfahren – Tracking Area Update (TAU). Die Frequenz dieses Verfahrens wird vom Netzwerk mithilfe des Timers T3412 festgelegt, dessen Wert dem Gerät während des Attach-Verfahrens oder des nächsten TAU übermittelt wird. Im klassischen LTE beträgt der Standardwert dieses Timers 54 Minuten, der maximale 186 Minuten. Allerdings ist die Notwendigkeit, alle 186 Minuten ins Funknetz zu gehen, für eine hohe Energieeffizienz ein zu teures Vergnügen. Um dieses Problem zu lösen, wurde der PSM-Mechanismus entwickelt.

Das Gerät aktiviert den PSM-Modus, indem es in den Nachrichten „Attach Request“ oder „Tracking Area Request“ Werte für die beiden Timer T3324 und T3412-Extended übermittelt. Der erste Timer definiert die Zeit, in der das Gerät nach dem Wechsel in den „Idle Mode“ verfügbar sein wird. Der zweite ist die Zeit, nach der ein TAU durchgeführt werden muss, dessen Wert jedoch jetzt bis zu 35.712.000 Sekunden oder 413 Tage betragen kann. Je nach Konfiguration kann das MME die Werte der Timer, die vom Gerät empfangen werden, akzeptieren oder sie ändern, indem es neue Werte in den Nachrichten „Attach Accept“ oder „Tracking Area Update Accept“ übermittelt. Das Gerät kann nun 413 Tage lang den Funkmodul ausschalten und trotzdem im Netzwerk registriert bleiben. Das führt zu einer kolossalen Einsparung von Netzwerkressourcen und zur Energieeffizienz der Geräte!

In diesem Modus ist das Gerät jedoch nur für eingehende Kommunikationsanfragen nicht verfügbar. Wenn es notwendig ist, etwas an den Anwendungsserver zu übermitteln, kann das Gerät jederzeit aus dem PSM-Modus austreten und Daten senden, wobei es nach dem Senden während des Timers T3324 aktiv bleibt, um Informationsnachrichten von AS zu empfangen (sofern welche vorhanden sind).

eDRX (erweiterter intermittierender Empfang):

eDRX, der erweiterte Modus des intermittierenden Empfangs. Um Daten an ein Gerät zu übermitteln, das sich im „Idle mode“ befindet, führt das Netzwerk ein Benachrichtigungsverfahren - „Paging“ - durch. Bei Erhalt des Paginierungssignals initiiert das Gerät die Einrichtung des SRB für die weitere Kommunikation mit dem Netzwerk. Damit das Gerät die an es gerichtete Paging-Nachricht nicht verpasst, muss es den Funkbereich ständig überwachen, was ebenfalls einen hohen Energieverbrauch mit sich bringt.

eDRX ist ein Modus, in dem das Gerät Nachrichten vom Netzwerk nicht ständig, sondern periodisch empfängt. Während der Verfahren Attach oder TAU vereinbart das Gerät mit dem Netzwerk die Zeitintervalle, in denen es den Funk empfängt. Entsprechend wird in diesen Zeitintervallen das Paging-Verfahren durchgeführt. Im eDRX-Modus wird die Arbeit des Geräts in Zyklen (eDRX-Zyklen) unterteilt. Zu Beginn jedes Zyklus gibt es das sogenannte „Paging-Fenster“ (Paging Time Window, PTW) - das ist die Zeit, in der das Gerät den Funkkanal abhört. Nach Ablauf des PTW schaltet das Gerät das Funkmodul bis zum Ende des Zyklus ab.

HLCOM (Hochlatente Kommunikation):

Wenn notwendig, kann das Gerät aus einem dieser beiden Energiesparmodi in den Uplink wechseln, ohne auf das Ende des PSM- oder eDRX-Zyklus zu warten. Daten an das Gerät können jedoch nur übertragen werden, wenn es aktiv ist.

Die Funktionalität HLCOM oder die Kommunikation mit hohen Latenzen ist das Puffern von Downlink-Paketen auf dem SGW, während das Gerät im Energiesparmodus ist und für die Kommunikation nicht verfügbar ist. Die gepufferten Pakete werden geliefert, sobald das Gerät aus dem PSM kommt, eine TAU durchführt oder Uplink-Traffic überträgt, oder wenn PTW eintritt.

Dies erfordert zweifellos ein Bewusstsein seitens der Entwickler von IoT-Produkten, da die Kommunikation mit dem Gerät nicht in Echtzeit erfolgt und einen bestimmten Ansatz für die Konstruktion der Geschäftslogik von Anwendungen erfordert.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Die Einführung von Neuem ist immer faszinierend, und jetzt haben wir es mit einem Standard zu tun, der nicht einmal bei den weltgrößten Akteuren wie Vodafone und Telefonica vollständig erprobt ist – daher ist es doppelt spannend. Unser Materialansatz erhebt keinen Anspruch auf absolute Vollständigkeit, wir hoffen jedoch, ausreichend Verständnis für die Technologie zu bieten. Wir wären dankbar für Ihr Feedback.

Autor: Experte für konvergente Lösungen und Multimedia-Services Alexey Lapshin aslapsh

Quelle: habr.com