{"id":52137,"date":"2019-11-01T00:00:00","date_gmt":"2019-10-31T21:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/blog_prohoster\/nb-iot-kak-on-rabotaet-chast-2"},"modified":"2020-02-18T13:59:48","modified_gmt":"2020-02-18T10:59:48","slug":"nb-iot-kak-on-rabotaet-chast-2","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/de\/blog\/administrirovanie\/nb-iot-kak-on-rabotaet-chast-2","title":{"rendered":"NB-IoT: Wie funktioniert es? Teil 2","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"<p><b>Beim letzten Mal haben wir \u00fcber 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 ge\u00e4ndert hat. Also, lassen Sie uns beginnen.<br \/>\n<\/b><\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"NB-IoT: Wie funktioniert es? Teil 2\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/ef0e9fab23936e8ba104f65a7440a487.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<br \/>\nIm Kernnetz wurden bedeutende \u00c4nderungen vorgenommen. Zun\u00e4chst ist ein neues Element hinzugekommen, sowie eine Reihe von Mechanismen, die im Standard als \u201eCIoT EPS Optimization\u201c oder Optimierung der Backbone-Netzwerke f\u00fcr das mobile Internet der Dinge definiert sind. <\/p>\n<p>Wie bekannt, gibt es in Mobilfunknetzen zwei grundlegende Kommunikationskan\u00e4le, die als Control Plane (CP) und User Plane (UP) bezeichnet werden. Die Control Plane dient dem Austausch von Signalnachrichten zwischen verschiedenen Netzwerkelementen und gew\u00e4hrleistet das Mobilit\u00e4tsmanagement (Mobility management) der Endger\u00e4te (UE) sowie die Einrichtung und Aufrechterhaltung von Datensitzungen (Session Management). Die User Plane ist der Kanal, der den Benutzerverkehr tats\u00e4chlich \u00fcbertr\u00e4gt. In einem klassischen LTE-Netzwerk sieht die Verteilung von CP und UP \u00fcber die Schnittstellen wie folgt aus:<noindex><a rel=\"nofollow\" name=\"habracut\"><\/a><\/noindex><\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"NB-IoT: Wie funktioniert es? Teil 2\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/b252f5ac8a9b744f82d3f81cd659de8f.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<br \/>\nDie Optimierungsmechanismen von CP und UP f\u00fcr 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 \u2014 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 f\u00fcr die \u00dcbertragung kleiner Mengen non-IP-Daten angepasst.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"NB-IoT: Wie funktioniert es? Teil 2\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/5f2b191d925485b5c841018bda52d9b5.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<br \/>\nWie der Name schon sagt, ist SCEF ein Knoten zur Exponierung von Dienstm\u00f6glichkeiten. Anders ausgedr\u00fcckt, versteckt SCEF die Komplexit\u00e4t des Betreibernetzwerks und befreit die Anwendungsentwickler von der Notwendigkeit, mobile Ger\u00e4te (UE) zu identifizieren und zu authentifizieren. Stattdessen erm\u00f6glicht es den Anwendungsservern (Application Server, AS), Daten zu erhalten und Ger\u00e4te \u00fcber eine einheitliche API-Schnittstelle zu steuern. <\/p>\n<p>Die UE-Identifikation erfolgt nicht mehr \u00fcber eine Telefonnummer (MSISDN) oder eine IP-Adresse, wie es in klassischen 2G\/3G\/LTE-Netzen der Fall war, sondern \u00fcber die sogenannte \"externe ID\", die im f\u00fcr App-Entwickler g\u00e4ngigen Format \"@\" definiert ist. Dies ist ein gr\u00f6\u00dferes Thema, das einen eigenen Beitrag verdient, daher wollen wir jetzt nicht n\u00e4her darauf eingehen. <\/p>\n<p>Jetzt betrachten wir die bedeutendsten Neuerungen. Die \"CIoT EPS-Optimierung\" ist eine Optimierung der Mechanismen zur \u00dcbertragung von Datenverkehr und zur Verwaltung von Abonnementsitzungen. Hier sind die wichtigsten von ihnen:<\/p>\n<ul>\n<li>DoNAS <\/li>\n<li>NIDD <\/li>\n<li>Energiesparmechanismen PSM und eDRX<\/li>\n<li>HLCOM<\/li>\n<\/ul>\n<p>\n<b>DoNAS (Data over NAS):<\/b><\/p>\n<p>Das ist ein Mechanismus, der zur Optimierung der \u00dcbertragung kleiner Datenmengen entwickelt wurde. <\/p>\n<p>Im klassischen LTE stellt das Endger\u00e4t bei der Registrierung im Netzwerk eine PDN-Verbindung (dot PDN) \u00fcber das eNodeB zu MME-SGW-PGW her. Die Verbindung zwischen UE-eNodeB-MME wird als \u201eSignaling Radio Bearer\u201c (SRB) bezeichnet. Um Daten zu \u00fcbertragen oder zu empfangen, stellt das UE eine weitere Verbindung zum eNodeB her \u2013 den \u201eData Radio Bearer\u201c (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 f\u00fcr eine gewisse Zeit (in der Regel 5-20 Sekunden) werden diese Verbindungen getrennt, und das Ger\u00e4t wechselt in den Wartemodus oder den \u201eIdle Mode\u201c. Bei Bedarf an einem neuen Datenaustausch werden SRB und DRB neu eingerichtet.<\/p>\n<p>Im NB-IoT kann der Benutzerverkehr \u00fcber den Signalisierungskanal (SRB) in den NAS-Protokollnachrichten (<noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"http:\/\/www.3gpp.org\/more\/96-nas\">http:\/\/www.3gpp.org\/more\/96-nas<\/a><\/noindex>) \u00fcbertragen werden. Die Einrichtung von DRB ist nicht mehr erforderlich. Dies reduziert die Signallast erheblich, spart Funkressourcen des Netzwerks und verl\u00e4ngert vor allem die Lebensdauer des Ger\u00e4ts. <\/p>\n<p>Am eNodeB-Bereich beginnen die Benutzerdaten \u00fcber die S1-MME-Schnittstelle \u00fcbertragen zu werden, was in der klassischen LTE-Technologie nicht der Fall war. Daf\u00fcr wird das NAS-Protokoll verwendet, in dem der \u201eUser Data Container\u201c erscheint.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"NB-IoT: Wie funktioniert es? Teil 2\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/aa2ea680deac42cca298036d7e1fbb30.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<br \/>\nF\u00fcr die \u00dcbertragung des \u201eUser Plane\u201c vom MME zum SGW wird eine neue S11-U-Schnittstelle eingef\u00fchrt, die f\u00fcr die \u00dcbertragung kleiner Benutzerdatens\u00e4tze vorgesehen ist. Das S11-U-Protokoll basiert auf GTP-U v1, das auch f\u00fcr die \u00dcbertragung des User Plane an anderen Schnittstellen des 3GPP-Architekturnetzes verwendet wird.<br \/>\n<img decoding=\"async\" alt=\"NB-IoT: Wie funktioniert es? Teil 2\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/0a295d230c8f0c1858c7eaf278ea472a.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<b>NIDD (Non-IP Data Delivery):<\/b><\/p>\n<p>Im Rahmen der weiteren Optimierung der \u00dcbertragungsmechanismen f\u00fcr kleine Datenmengen wurde neben den bereits bestehenden PDN-Typen wie IPv4, IPv6 und IPv4v6 ein weiterer Typ \u2014 Non-IP \u2014 eingef\u00fchrt. In diesem Fall wird dem UE keine IP-Adresse zugewiesen und die Daten werden ohne Verwendung des IP-Protokolls \u00fcbertragen. Daf\u00fcr gibt es mehrere Gr\u00fcnde:<\/p>\n<ol>\n<li>IoT-Ger\u00e4te wie Sensoren k\u00f6nnen sehr kleine Datenmengen von 20 Byte oder sogar weniger \u00fcbertragen. Da die minimale Gr\u00f6\u00dfe des IP-Headers 20 Byte betr\u00e4gt, kann die Kapselung in IP manchmal eine recht kostspielige Angelegenheit sein.<\/li>\n<li>Es besteht keine Notwendigkeit, einen IP-Stack im Chip zu implementieren, was zu einer Kostensenkung f\u00fchrt (Frage zur Diskussion in den Kommentaren).<\/li>\n<\/ol>\n<p>\nIm Wesentlichen ben\u00f6tigen IoT-Ger\u00e4te eine IP-Adresse, um Daten \u00fcber das Internet zu \u00fcbertragen. In der NB-IoT-Konzeption fungiert SCEF als einzige Verbindungspunkt zum AS, und der Datenaustausch zwischen Ger\u00e4ten und Anwendungsservern geschieht \u00fcber APIs. Ohne SCEF k\u00f6nnen nicht-IP-Daten \u00fcber einen Point-to-Point (PtP) Tunnel vom PGW \u00fcbertragen werden, und die Einkapselung in IP erfolgt auf diesem.<\/p>\n<p>All dies passt in das Paradigma von NB-IoT \u2013 maximale Vereinfachung und Kostensenkung der Ger\u00e4te.<\/p>\n<p><b>Energiesparmechanismen PSM und eDRX:<\/b><\/p>\n<p>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. <\/p>\n<p>Wann verbraucht ein Ger\u00e4t am wenigsten Energie? Richtig, wenn es ausgeschaltet ist. Und wenn das Ger\u00e4t nicht vollst\u00e4ndig stromlos gemacht werden kann, lassen Sie uns das Funkmodul abschalten, solange es nicht ben\u00f6tigt wird. Aber das muss vorher mit dem Netzwerk abgestimmt werden.<\/p>\n<p> <b>PSM (Power Saving Mode):<\/b><\/p>\n<p>Der PSM-Energiesparmodus erm\u00f6glicht es dem Ger\u00e4t, das Funksignal \u00fcber l\u00e4ngere Zeit abzuschalten, w\u00e4hrend es weiterhin im Netzwerk registriert bleibt, ohne jedes Mal eine PDN-Verbindung neu herstellen zu m\u00fcssen, wenn Daten \u00fcbertragen werden m\u00fcssen. <\/p>\n<p>Um sicherzustellen, dass das Ger\u00e4t weiterhin verf\u00fcgbar ist, initiiert es regelm\u00e4\u00dfig das Aktualisierungsverfahren \u2014 die Tracking Area Update (TAU). Die H\u00e4ufigkeit dieses Verfahrens wird vom Netzwerk \u00fcber den Timer T3412 festgelegt, dessen Wert dem Ger\u00e4t w\u00e4hrend des Attach-Verfahrens oder einer weiteren TAU \u00fcbermittelt wird. Im klassischen LTE betr\u00e4gt der Standardwert dieses Timers 54 Minuten, w\u00e4hrend der maximale Wert 186 Minuten betr\u00e4gt. Um jedoch eine hohe Energieeffizienz zu gew\u00e4hrleisten, ist das regelm\u00e4\u00dfige Ausstrahlen alle 186 Minuten eine zu teure Angelegenheit. Aus diesem Grund wurde der PSM-Mechanismus entwickelt.<\/p>\n<p>Das Ger\u00e4t aktiviert den PSM-Modus, indem es in den Nachrichten \"Attach Request\" oder \"Tracking Area Request\" die Werte von zwei Timern, T3324 und T3412-Extended, \u00fcbertr\u00e4gt. Der erste definiert die Zeit, w\u00e4hrend der das Ger\u00e4t nach dem Wechsel in den \"Idle Mode\" verf\u00fcgbar sein wird. Der zweite ist die Zeitspanne, nach der eine TAU durchgef\u00fchrt 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 Ger\u00e4t erhaltenen Timerwerte akzeptieren oder \u00e4ndern, indem es neue Werte in den Nachrichten \"Attach Accept\" oder \"Tracking Area Update Accept\" \u00fcbertr\u00e4gt. Das Ger\u00e4t kann nun 413 Tage lang das Funkmodul nicht aktivieren und bleibt gleichzeitig im Netzwerk registriert. Dies f\u00fchrt zu einer enormen Einsparung von Netzwerkressourcen und Energieeffizienz der Ger\u00e4te!<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"NB-IoT: Wie funktioniert es? Teil 2\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/2ac7fdc892c8b569b5b19a33472c6045.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<br \/>\nIn diesem Modus ist das Ger\u00e4t jedoch nur f\u00fcr eingehende Kommunikation nicht verf\u00fcgbar. Wenn es notwendig ist, etwas an den Anwendungsserver zu senden, kann das Ger\u00e4t jederzeit aus dem PSM-Modus aussteigen und Daten senden, wobei es anschlie\u00dfend w\u00e4hrend des Timers T3324 aktiv bleibt, um Informationsnachrichten vom AS zu empfangen (sofern vorhanden).<\/p>\n<p><b>eDRX (erweiterte unterbrochene Empfangsphase):<\/b><\/p>\n<p>eDRX, erweiterter Modus der intermittierenden Empfang. Um Daten an ein Ger\u00e4t im \u00abIdle mode\u00bb zu \u00fcbertragen, f\u00fchrt das Netzwerk ein Benachrichtigungsverfahren durch \u2014 \u00abPaging\u00bb. Bei Erhalt des Paging initiiert das Ger\u00e4t die Einrichtung eines SRB f\u00fcr die weitere Kommunikation mit dem Netzwerk. Um jedoch keine an es adressierte Paging-Nachricht zu verpassen, muss das Ger\u00e4t st\u00e4ndig den Funkverkehr \u00fcberwachen, was ebenfalls recht energieintensiv ist. <\/p>\n<p>eDRX ist ein Modus, in dem das Ger\u00e4t Nachrichten vom Netzwerk nicht st\u00e4ndig, sondern periodisch empf\u00e4ngt. W\u00e4hrend der Attach- oder TAU-Verfahren stimmt das Ger\u00e4t mit dem Netzwerk Zeitintervalle ab, in denen es den Funkverkehr \u00ablauschen\u00bb wird. Dementsprechend wird in diesen Zeitintervallen auch das Paging durchgef\u00fchrt. Im eDRX-Modus wird der Betrieb des Ger\u00e4ts in Zyklen (eDRX-Zyklus) unterteilt. Zu Beginn jedes Zyklus gibt es das sogenannte \u00abPaging-Fenster\u00bb (Paging Time Window, PTW) \u2014 das ist die Zeit, in der das Ger\u00e4t den Funkkanal \u00fcberwacht. Nach Ablauf der PTW schaltet das Ger\u00e4t das Funkmodul bis zum Ende des Zyklus aus.<br \/>\n<img decoding=\"async\" alt=\"NB-IoT: Wie funktioniert es? Teil 2\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/11\/924110cbe84765d11efec28238de3dd1.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<b>HLCOM (high latency communication):<\/b><\/p>\n<p>Wenn das Ger\u00e4t Daten an Uplink \u00fcbermitteln muss, kann es aus einem dieser beiden Energiesparmodi austreten, ohne auf das Ende des PSM- oder eDRX-Zyklus zu warten. Daten k\u00f6nnen jedoch nur dann an das Ger\u00e4t gesendet werden, wenn es aktiv ist.<\/p>\n<p>Die HLCOM-Funktionalit\u00e4t oder die Kommunikation mit hohen Latenzen bedeutet, dass Downlink-Pakete auf dem SGW gepuffert werden, w\u00e4hrend das Ger\u00e4t sich im Energiesparmodus befindet und f\u00fcr die Kommunikation nicht erreichbar ist. Die gepufferten Pakete werden zugestellt, sobald das Ger\u00e4t aus dem PSM austritt, eine TAU durchf\u00fchrt oder Uplink-Verkehr \u00fcbertr\u00e4gt, oder wenn die PTW eintritt.<\/p>\n<p>Dies erfordert zweifellos ein Bewusstsein von Seiten der IoT-Produktentwickler, da die Kommunikation mit dem Ger\u00e4t nicht in Echtzeit erfolgt und einen bestimmten Ansatz zur Konstruktion der Gesch\u00e4ftslogik der Anwendungen erfordert.<\/p>\n<p>Zusammenfassend l\u00e4sst sich sagen: Die Einf\u00fchrung von Neuem ist immer spannend, und jetzt haben wir es mit einem Standard zu tun, der selbst bei den weltweiten \u201eGiganten\u201c wie Vodafone und Telefonica noch nicht vollst\u00e4ndig erprobt ist \u2013 daher ist dies umso faszinierender. Unsere Darstellung des Themas erhebt keinen Anspruch auf Vollst\u00e4ndigkeit, aber wir hoffen, dass sie ein ausreichendes Verst\u00e4ndnis der Technologie vermittelt. \u00dcber Ihr Feedback w\u00fcrden wir uns freuen.<\/p>\n<p><i>Autor: Experte f\u00fcr konvergente L\u00f6sungen und multimediale Dienste Alexey Lapshin <noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/habr.com\/users\/aslapsh\/\" class=\"user_link\">aslapsh<\/a><\/noindex><\/i><br \/>\n<br \/>Quelle: <a content=\"nofollow\" rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/habr.com\/ru\/company\/ru_mts\/blog\/431648\/\">habr.com<\/a><\/p>","protected":false,"gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"html"}]},"excerpt":{"rendered":"<p>\u0412 \u043f\u0440\u043e\u0448\u043b\u044b\u0439 \u0440\u0430\u0437 \u043c\u044b \u0433\u043e\u0432\u043e\u0440\u0438\u043b\u0438 \u043e\u0431 \u043e\u0441\u043e\u0431\u0435\u043d\u043d\u043e\u0441\u0442\u044f\u0445 \u043d\u043e\u0432\u043e\u0433\u043e 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