Beim letzten Mal haben wir über die Besonderheiten des neuen NB-IoT-Standards aus der Perspektive der Netzwerkarchitektur gesprochen. Heute analysieren wir, was sich im Kernnetz (Core Network) mit NB-IoT geändert hat. Also, lassen Sie uns beginnen.
Im Kernnetz wurden bedeutende Änderungen vorgenommen. Zunächst ist ein neues Element hinzugekommen, sowie eine Reihe von Mechanismen, die im Standard als „CIoT EPS Optimization“ oder Optimierung der Backbone-Netzwerke für das mobile Internet der Dinge definiert sind.
Wie bekannt, gibt es in Mobilfunknetzen zwei grundlegende Kommunikationskanäle, die als Control Plane (CP) und User Plane (UP) bezeichnet werden. Die Control Plane dient dem Austausch von Signalnachrichten zwischen verschiedenen Netzwerkelementen und gewährleistet das Mobilitätsmanagement (Mobility management) der Endgeräte (UE) sowie die Einrichtung und Aufrechterhaltung von Datensitzungen (Session Management). Die User Plane ist der Kanal, der den Benutzerverkehr tatsächlich überträgt. In einem klassischen LTE-Netzwerk sieht die Verteilung von CP und UP über die Schnittstellen wie folgt aus:
Die Optimierungsmechanismen von CP und UP für NB-IoT werden an den Knoten MME, SGW und PGW umgesetzt, die bedingt zu einem einzelnen Element namens C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node) zusammengefasst sind. Der Standard sieht auch das Auftreten eines neuen Netzwerkelements vor — SCEF (Service Capability Exposure Function). Die Schnittstelle zwischen MME und SCEF wird als T6a bezeichnet und basiert auf dem DIAMETER-Protokoll. Obwohl DIAMETER ein Signalisierungsprotokoll ist, wurde es im NB-IoT für die Übertragung kleiner Mengen non-IP-Daten angepasst.
Wie der Name schon sagt, ist SCEF ein Knoten zur Exponierung von Dienstmöglichkeiten. Anders ausgedrückt, versteckt SCEF die Komplexität des Betreibernetzwerks und befreit die Anwendungsentwickler von der Notwendigkeit, mobile Geräte (UE) zu identifizieren und zu authentifizieren. Stattdessen ermöglicht es den Anwendungsservern (Application Server, AS), Daten zu erhalten und Geräte über eine einheitliche API-Schnittstelle zu steuern.
Die UE-Identifikation erfolgt nicht mehr über eine Telefonnummer (MSISDN) oder eine IP-Adresse, wie es in klassischen 2G/3G/LTE-Netzen der Fall war, sondern über die sogenannte "externe ID", die im für App-Entwickler gängigen Format "@" definiert ist. Dies ist ein größeres Thema, das einen eigenen Beitrag verdient, daher wollen wir jetzt nicht näher darauf eingehen.
Jetzt betrachten wir die bedeutendsten Neuerungen. Die "CIoT EPS-Optimierung" ist eine Optimierung der Mechanismen zur Übertragung von Datenverkehr und zur Verwaltung von Abonnementsitzungen. Hier sind die wichtigsten von ihnen:
- DoNAS
- NIDD
- Energiesparmechanismen PSM und eDRX
- HLCOM
DoNAS (Data over NAS):
Das ist ein Mechanismus, der zur Optimierung der Übertragung kleiner Datenmengen entwickelt wurde.
Im klassischen LTE stellt das Endgerät bei der Registrierung im Netzwerk eine PDN-Verbindung (dot PDN) über das eNodeB zu MME-SGW-PGW her. Die Verbindung zwischen UE-eNodeB-MME wird als „Signaling Radio Bearer“ (SRB) bezeichnet. Um Daten zu übertragen oder zu empfangen, stellt das UE eine weitere Verbindung zum eNodeB her – den „Data Radio Bearer“ (DRB), um den Benutzerverkehr zum SGW und weiter zum PGW (Interfaces S1-U und S5) zu leiten. Nach Abschluss des Austauschs und in Abwesenheit von Verkehr für eine gewisse Zeit (in der Regel 5-20 Sekunden) werden diese Verbindungen getrennt, und das Gerät wechselt in den Wartemodus oder den „Idle Mode“. Bei Bedarf an einem neuen Datenaustausch werden SRB und DRB neu eingerichtet.
Im NB-IoT kann der Benutzerverkehr über den Signalisierungskanal (SRB) in den NAS-Protokollnachrichten () übertragen werden. Die Einrichtung von DRB ist nicht mehr erforderlich. Dies reduziert die Signallast erheblich, spart Funkressourcen des Netzwerks und verlängert vor allem die Lebensdauer des Geräts.
Am eNodeB-Bereich beginnen die Benutzerdaten über die S1-MME-Schnittstelle übertragen zu werden, was in der klassischen LTE-Technologie nicht der Fall war. Dafür wird das NAS-Protokoll verwendet, in dem der „User Data Container“ erscheint.
Für die Übertragung des „User Plane“ vom MME zum SGW wird eine neue S11-U-Schnittstelle eingeführt, die für die Übertragung kleiner Benutzerdatensätze vorgesehen ist. Das S11-U-Protokoll basiert auf GTP-U v1, das auch für die Übertragung des User Plane an anderen Schnittstellen des 3GPP-Architekturnetzes verwendet wird.
NIDD (Non-IP Data Delivery):
Im Rahmen der weiteren Optimierung der Übertragungsmechanismen für kleine Datenmengen wurde neben den bereits bestehenden PDN-Typen wie IPv4, IPv6 und IPv4v6 ein weiterer Typ — Non-IP — eingeführt. 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 von 20 Byte oder sogar weniger übertragen. Da die minimale Größe des IP-Headers 20 Byte beträgt, kann die Kapselung in IP manchmal eine recht kostspielige Angelegenheit sein.
- Es besteht keine Notwendigkeit, einen IP-Stack im Chip zu implementieren, was zu einer Kostensenkung führt (Frage zur Diskussion in den Kommentaren).
Im Wesentlichen benötigen IoT-Geräte eine IP-Adresse, um Daten über das Internet zu übertragen. In der NB-IoT-Konzeption fungiert SCEF als einzige Verbindungspunkt zum AS, und der Datenaustausch zwischen Geräten und Anwendungsservern geschieht über APIs. Ohne SCEF können nicht-IP-Daten über einen Point-to-Point (PtP) Tunnel vom PGW übertragen werden, und die Einkapselung in IP erfolgt auf diesem.
All dies passt in das Paradigma von NB-IoT – maximale Vereinfachung und Kostensenkung der Geräte.
Energiesparmechanismen PSM und eDRX:
Eines der Hauptmerkmale von LPWAN-Netzwerken ist die Energieeffizienz. Es wird eine Betriebsdauer von bis zu 10 Jahren mit einer Batterie angegeben. Lassen Sie uns untersuchen, wie solche Werte erreicht werden.
Wann verbraucht ein Gerät am wenigsten Energie? Richtig, wenn es ausgeschaltet ist. Und wenn das Gerät nicht vollständig stromlos gemacht werden kann, lassen Sie uns das Funkmodul abschalten, solange es nicht benötigt wird. Aber das muss vorher mit dem Netzwerk abgestimmt werden.
PSM (Power Saving Mode):
Der PSM-Energiesparmodus ermöglicht es dem Gerät, das Funksignal über längere Zeit abzuschalten, während es weiterhin im Netzwerk registriert bleibt, ohne jedes Mal eine PDN-Verbindung neu herstellen zu müssen, wenn Daten übertragen werden müssen.
Um sicherzustellen, dass das Gerät weiterhin verfügbar ist, initiiert es regelmäßig das Aktualisierungsverfahren — die Tracking Area Update (TAU). Die Häufigkeit dieses Verfahrens wird vom Netzwerk über den Timer T3412 festgelegt, dessen Wert dem Gerät während des Attach-Verfahrens oder einer weiteren TAU übermittelt wird. Im klassischen LTE beträgt der Standardwert dieses Timers 54 Minuten, während der maximale Wert 186 Minuten beträgt. Um jedoch eine hohe Energieeffizienz zu gewährleisten, ist das regelmäßige Ausstrahlen alle 186 Minuten eine zu teure Angelegenheit. Aus diesem Grund wurde der PSM-Mechanismus entwickelt.
Das Gerät aktiviert den PSM-Modus, indem es in den Nachrichten "Attach Request" oder "Tracking Area Request" die Werte von zwei Timern, T3324 und T3412-Extended, überträgt. Der erste definiert die Zeit, während der das Gerät nach dem Wechsel in den "Idle Mode" verfügbar sein wird. Der zweite ist die Zeitspanne, nach der eine TAU durchgeführt werden muss, wobei der Wert jetzt bis zu 35.712.000 Sekunden oder 413 Tage betragen kann. Je nach Einstellungen kann das MME die von dem Gerät erhaltenen Timerwerte akzeptieren oder ändern, indem es neue Werte in den Nachrichten "Attach Accept" oder "Tracking Area Update Accept" überträgt. Das Gerät kann nun 413 Tage lang das Funkmodul nicht aktivieren und bleibt gleichzeitig im Netzwerk registriert. Dies führt zu einer enormen Einsparung von Netzwerkressourcen und Energieeffizienz der Geräte!
In diesem Modus ist das Gerät jedoch nur für eingehende Kommunikation nicht verfügbar. Wenn es notwendig ist, etwas an den Anwendungsserver zu senden, kann das Gerät jederzeit aus dem PSM-Modus aussteigen und Daten senden, wobei es anschließend während des Timers T3324 aktiv bleibt, um Informationsnachrichten vom AS zu empfangen (sofern vorhanden).
eDRX (erweiterte unterbrochene Empfangsphase):
eDRX, erweiterter Modus der intermittierenden Empfang. Um Daten an ein Gerät im «Idle mode» zu übertragen, führt das Netzwerk ein Benachrichtigungsverfahren durch — «Paging». Bei Erhalt des Paging initiiert das Gerät die Einrichtung eines SRB für die weitere Kommunikation mit dem Netzwerk. Um jedoch keine an es adressierte Paging-Nachricht zu verpassen, muss das Gerät ständig den Funkverkehr überwachen, was ebenfalls recht energieintensiv ist.
eDRX ist ein Modus, in dem das Gerät Nachrichten vom Netzwerk nicht ständig, sondern periodisch empfängt. Während der Attach- oder TAU-Verfahren stimmt das Gerät mit dem Netzwerk Zeitintervalle ab, in denen es den Funkverkehr «lauschen» wird. Dementsprechend wird in diesen Zeitintervallen auch das Paging durchgeführt. Im eDRX-Modus wird der Betrieb des Geräts in Zyklen (eDRX-Zyklus) 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 überwacht. Nach Ablauf der PTW schaltet das Gerät das Funkmodul bis zum Ende des Zyklus aus.
HLCOM (high latency communication):
Wenn das Gerät Daten an Uplink übermitteln muss, kann es aus einem dieser beiden Energiesparmodi austreten, ohne auf das Ende des PSM- oder eDRX-Zyklus zu warten. Daten können jedoch nur dann an das Gerät gesendet werden, wenn es aktiv ist.
Die HLCOM-Funktionalität oder die Kommunikation mit hohen Latenzen bedeutet, dass Downlink-Pakete auf dem SGW gepuffert werden, während das Gerät sich im Energiesparmodus befindet und für die Kommunikation nicht erreichbar ist. Die gepufferten Pakete werden zugestellt, sobald das Gerät aus dem PSM austritt, eine TAU durchführt oder Uplink-Verkehr überträgt, oder wenn die PTW eintritt.
Dies erfordert zweifellos ein Bewusstsein von Seiten der IoT-Produktentwickler, da die Kommunikation mit dem Gerät nicht in Echtzeit erfolgt und einen bestimmten Ansatz zur Konstruktion der Geschäftslogik der Anwendungen erfordert.
Zusammenfassend lässt sich sagen: Die Einführung von Neuem ist immer spannend, und jetzt haben wir es mit einem Standard zu tun, der selbst bei den weltweiten „Giganten“ wie Vodafone und Telefonica noch nicht vollständig erprobt ist – daher ist dies umso faszinierender. Unsere Darstellung des Themas erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, aber wir hoffen, dass sie ein ausreichendes Verständnis der Technologie vermittelt. Über Ihr Feedback würden wir uns freuen.
Autor: Experte für konvergente Lösungen und multimediale Dienste Alexey Lapshin
Quelle: habr.com
