Την τελευταία φορά μιλήσαμε για τα χαρακτηριστικά του νέου προτύπου NB-IoT από την άποψη της αρχιτεκτονικής δικτύου ραδιοπρόσβασης. Σήμερα θα συζητήσουμε τι έχει αλλάξει στο Core Network στο NB-IoT. Λοιπόν πάμε.
Έχουν γίνει σημαντικές αλλαγές στον πυρήνα του δικτύου. Ας ξεκινήσουμε με το γεγονός ότι έχει εμφανιστεί ένα νέο στοιχείο, καθώς και ένας αριθμός μηχανισμών, οι οποίοι ορίζονται από το πρότυπο ως "CIoT EPS Optimization" ή βελτιστοποίηση του βασικού δικτύου για το κυψελοειδές Διαδίκτυο των πραγμάτων.
Όπως γνωρίζετε, στα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας υπάρχουν δύο κύρια κανάλια επικοινωνίας, που ονομάζονται Control Plane (CP) και User Plane (UP). Το Control Plane προορίζεται για την ανταλλαγή μηνυμάτων υπηρεσίας μεταξύ διαφόρων στοιχείων δικτύου και χρησιμοποιείται για τη διασφάλιση της κινητικότητας (Mobility management) των συσκευών (UE) και τη δημιουργία/διατήρηση μιας συνόδου μετάδοσης δεδομένων (Session Management). Το User Plane είναι, στην πραγματικότητα, ένα κανάλι για τη μετάδοση της κίνησης των χρηστών. Στο κλασικό LTE, η κατανομή των CP και UP μεταξύ των διεπαφών είναι η εξής:
Οι μηχανισμοί βελτιστοποίησης CP και UP για NB-IoT υλοποιούνται σε κόμβους MME, SGW και PGW, οι οποίοι συμβατικά συνδυάζονται σε ένα ενιαίο στοιχείο που ονομάζεται C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Το πρότυπο προϋποθέτει επίσης την εμφάνιση ενός νέου στοιχείου δικτύου - SCEF (Service Capability Exposure Function). Η διεπαφή μεταξύ MME και SCEF ονομάζεται T6a και υλοποιείται με βάση το πρωτόκολλο DIAMETER. Παρά το γεγονός ότι το DIAMETER είναι πρωτόκολλο σηματοδότησης, στο NB-IoT είναι προσαρμοσμένο για τη μετάδοση μικρών ποσοτήτων δεδομένων εκτός IP.
Όπως υποδηλώνει το όνομά του, το SCEF είναι ένας κόμβος έκθεσης ικανότητας υπηρεσιών. Με άλλα λόγια, το SCEF κρύβει την πολυπλοκότητα του δικτύου του παρόχου και επίσης απαλλάσσει τους προγραμματιστές εφαρμογών από την ανάγκη αναγνώρισης και ελέγχου ταυτότητας φορητών συσκευών (UE), επιτρέποντας στους διακομιστές εφαρμογών (Application Server, εφεξής AS) να λαμβάνουν δεδομένα και να διαχειρίζονται συσκευές μέσω ενός ενιαίου Διεπαφή API.
Το αναγνωριστικό UE δεν γίνεται αριθμός τηλεφώνου (MSISDN) ή διεύθυνση IP, όπως συνέβαινε στο κλασικό δίκτυο 2G/3G/LTE, αλλά το λεγόμενο «εξωτερικό αναγνωριστικό», το οποίο ορίζεται από το πρότυπο στη γνωστή μορφή σε προγραμματιστές εφαρμογών " @ " Αυτό είναι ένα ξεχωριστό μεγάλο θέμα που αξίζει ξεχωριστό υλικό, επομένως δεν θα μιλήσουμε για αυτό λεπτομερώς τώρα.
Τώρα ας δούμε τις πιο σημαντικές καινοτομίες. Το «CIoT EPS Optimization» είναι η βελτιστοποίηση μηχανισμών μετάδοσης κίνησης και διαχείρισης συνεδριών συνδρομητών. Εδώ είναι τα κυριότερα:
- DoNAS
- NIDD
- Μηχανισμοί εξοικονόμησης ενέργειας PSM και eDRX
- HLCOM
DoNAS (Δεδομένα μέσω NAS):
Αυτός είναι ένας μηχανισμός που έχει σχεδιαστεί για τη βελτιστοποίηση της μεταφοράς μικρών ποσοτήτων δεδομένων.
Στο κλασικό LTE, κατά την εγγραφή στο δίκτυο, μια συσκευή συνδρομητή δημιουργεί μια σύνδεση PDN (εφεξής PDN) μέσω eNodeB στο MME-SGW-PGW. Η σύνδεση UE-eNodeB-MME είναι ο λεγόμενος «Signaling Radio Bearer» (SRB). Εάν είναι απαραίτητο για τη μετάδοση/λήψη δεδομένων, το UE δημιουργεί μια άλλη σύνδεση με το eNodeB - «Data Radio Bearer» (DRB), για τη μετάδοση της κίνησης των χρηστών στο SGW και περαιτέρω στο PGW (διεπαφές S1-U και S5, αντίστοιχα) . Στο τέλος της ανταλλαγής και εάν δεν υπάρχει κίνηση για κάποιο χρονικό διάστημα (συνήθως 5-20 δευτερόλεπτα), αυτές οι συνδέσεις τερματίζονται και η συσκευή μεταβαίνει σε κατάσταση αναμονής ή «Αδράνεια». Εάν είναι απαραίτητο να ανταλλάξετε ένα νέο τμήμα δεδομένων, τα SRB και DRB επαναφέρονται.
Στο NB-IoT, η μετάδοση της κίνησης των χρηστών μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω ενός καναλιού σηματοδότησης (SRB), σε μηνύματα πρωτοκόλλου NAS (). Η ρύθμιση ενός DRB δεν απαιτείται πλέον. Αυτό μειώνει σημαντικά το φορτίο σήματος, εξοικονομεί πόρους ραδιοφώνου δικτύου και, το πιο σημαντικό, παρατείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας της συσκευής.
Στην ενότητα eNodeB - MME, τα δεδομένα χρήστη αρχίζουν να μεταδίδονται μέσω της διεπαφής S1-MME, κάτι που δεν συνέβαινε στην κλασική τεχνολογία LTE, και για αυτό χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο NAS, στο οποίο εμφανίζεται το "User data container".
Για να πραγματοποιηθεί η μεταφορά του "User Plane" από το MME στο SGW, εμφανίζεται μια νέα διεπαφή S11-U, η οποία έχει σχεδιαστεί για τη μεταφορά μικρών ποσοτήτων δεδομένων χρήστη. Το πρωτόκολλο S11-U βασίζεται στο GTP-U v1, το οποίο χρησιμοποιείται για μετάδοση User Plane σε άλλες διεπαφές δικτύου της αρχιτεκτονικής 3GPP.
NIDD (παράδοση δεδομένων χωρίς IP):
Ως μέρος της περαιτέρω βελτιστοποίησης μηχανισμών για τη μετάδοση μικρών ποσοτήτων δεδομένων, εκτός από τους ήδη υπάρχοντες τύπους PDN, όπως IPv4, IPv6 και IPv4v6, εμφανίστηκε ένας άλλος τύπος - μη IP. Σε αυτήν την περίπτωση, στο UE δεν εκχωρείται διεύθυνση IP και τα δεδομένα μεταδίδονται χωρίς τη χρήση του πρωτοκόλλου IP. Υπάρχουν διάφοροι λόγοι για αυτό:
- Οι συσκευές IoT όπως οι αισθητήρες μπορούν να μεταδώσουν πολύ μικρές ποσότητες δεδομένων, 20 byte ή λιγότερο. Δεδομένου ότι το ελάχιστο μέγεθος κεφαλίδας IP είναι 20 byte, η ενθυλάκωση IP μπορεί μερικές φορές να είναι αρκετά ακριβή.
- Δεν χρειάζεται να εφαρμοστεί στοίβα IP στο τσιπ, κάτι που οδηγεί στη μείωση του κόστους τους (ερώτηση προς συζήτηση στα σχόλια).
Σε γενικές γραμμές, μια διεύθυνση IP είναι απαραίτητη για τις συσκευές IoT για τη μετάδοση δεδομένων μέσω του Διαδικτύου. Στην έννοια του NB-IoT, το SCEF λειτουργεί ως ένα ενιαίο σημείο σύνδεσης AS και η ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ συσκευών και διακομιστών εφαρμογών πραγματοποιείται μέσω API. Ελλείψει SCEF, τα δεδομένα που δεν είναι IP μπορούν να μεταδοθούν στο AS μέσω μιας σήραγγας Point-to-Point (PtP) από το PGW και θα πραγματοποιηθεί ενθυλάκωση IP σε αυτό.
Όλα αυτά εντάσσονται στο παράδειγμα NB-IoT - μέγιστη απλοποίηση και μείωση του κόστους των συσκευών.
Μηχανισμοί εξοικονόμησης ενέργειας PSM και eDRX:
Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα των δικτύων LPWAN είναι η ενεργειακή απόδοση. Η συσκευή φέρεται να έχει διάρκεια ζωής μπαταρίας έως και 10 χρόνια με μία μόνο μπαταρία. Ας δούμε πώς επιτυγχάνονται τέτοιες αξίες.
Πότε μια συσκευή καταναλώνει τη λιγότερη ενέργεια; Διορθώστε όταν είναι απενεργοποιημένο. Και αν είναι αδύνατο να απενεργοποιήσετε πλήρως τη συσκευή, ας απενεργοποιήσουμε τη μονάδα ραδιοφώνου για όσο διάστημα δεν χρειάζεται. Απλά πρέπει να το συντονίσετε πρώτα με το δίκτυο.
PSM (Λειτουργία εξοικονόμησης ενέργειας):
Η λειτουργία εξοικονόμησης ενέργειας PSM επιτρέπει στη συσκευή να απενεργοποιεί τη μονάδα ραδιοφώνου για μεγάλο χρονικό διάστημα, ενώ παραμένει εγγεγραμμένη στο δίκτυο και να μην επανεγκαθιστά το PDN κάθε φορά που χρειάζεται να μεταδώσει δεδομένα.
Για να ενημερώσει το δίκτυο ότι η συσκευή είναι ακόμα διαθέσιμη, ξεκινά περιοδικά μια διαδικασία ενημέρωσης - Ενημέρωση περιοχής παρακολούθησης (TAU). Η συχνότητα αυτής της διαδικασίας ρυθμίζεται από το δίκτυο χρησιμοποιώντας χρονοδιακόπτη T3412, η τιμή του οποίου μεταδίδεται στη συσκευή κατά τη διαδικασία Επισύναψης ή την επόμενη TAU. Στο κλασικό LTE, η προεπιλεγμένη τιμή αυτού του χρονοδιακόπτη είναι 54 λεπτά και η μέγιστη είναι 186 λεπτά. Ωστόσο, για να εξασφαλιστεί υψηλή ενεργειακή απόδοση, η ανάγκη να βγαίνεις στον αέρα κάθε 186 λεπτά είναι πολύ ακριβή. Ο μηχανισμός PSM αναπτύχθηκε για να λύσει αυτό το πρόβλημα.
Η συσκευή ενεργοποιεί τη λειτουργία PSM μεταδίδοντας τις τιμές των δύο χρονόμετρων T3324 και T3412-Extended στα μηνύματα «Attach Request» ή «Tracking Area Request». Το πρώτο καθορίζει το χρόνο που η συσκευή θα είναι διαθέσιμη μετά τη μετάβαση σε "Αδράνεια". Το δεύτερο είναι ο χρόνος μετά τον οποίο πρέπει να γίνει το TAU, μόνο που τώρα η τιμή του μπορεί να φτάσει τα 35712000 δευτερόλεπτα ή 413 ημέρες. Ανάλογα με τις ρυθμίσεις, το MME μπορεί να αποδεχτεί τις τιμές του χρονοδιακόπτη που λαμβάνονται από τη συσκευή ή να τις αλλάξει στέλνοντας νέες τιμές στα μηνύματα «Επισύναψη Αποδοχή» ή «Αποδοχή Ενημέρωση Περιοχής Παρακολούθησης». Τώρα η συσκευή δεν μπορεί να ενεργοποιήσει τη μονάδα ραδιοφώνου για 413 ημέρες και να παραμείνει εγγεγραμμένη στο δίκτυο. Ως αποτέλεσμα, έχουμε τεράστια εξοικονόμηση πόρων δικτύου και ενεργειακής απόδοσης συσκευών!
Ωστόσο, σε αυτήν τη λειτουργία η συσκευή δεν είναι διαθέσιμη μόνο για εισερχόμενες επικοινωνίες. Εάν είναι απαραίτητο να μεταδοθεί κάτι προς τον διακομιστή εφαρμογών, η συσκευή μπορεί να πραγματοποιήσει έξοδο από το PSM ανά πάσα στιγμή και να στείλει δεδομένα, μετά την οποία παραμένει ενεργή κατά τη διάρκεια του χρονοδιακόπτη T3324 για να λαμβάνει πληροφοριακά μηνύματα από το AS (εάν υπάρχει).
eDRX (εκτεταμένη ασυνεχής λήψη):
eDRX, Ενισχυμένη Διακοπτόμενη Λήψη. Για να μεταφέρετε δεδομένα σε μια συσκευή που βρίσκεται σε "Αδράνεια", το δίκτυο εκτελεί μια διαδικασία ειδοποίησης - "Paging". Με τη λήψη μιας σελιδοποίησης, η συσκευή ξεκινά τη δημιουργία ενός SRB για περαιτέρω επικοινωνία με το δίκτυο. Για να μην χάσετε όμως το μήνυμα Paging που της απευθύνεται, η συσκευή πρέπει να παρακολουθεί συνεχώς τον ραδιοφωνικό αέρα, ο οποίος είναι επίσης αρκετά ενεργοβόρος.
Το eDRX είναι μια λειτουργία κατά την οποία η συσκευή δεν λαμβάνει μηνύματα από το δίκτυο συνεχώς, αλλά περιοδικά. Κατά τη διάρκεια των διαδικασιών Attach ή TAU, η συσκευή συμφωνεί με το δίκτυο για τα χρονικά διαστήματα κατά τα οποία θα «ακούει» την εκπομπή. Αντίστοιχα, η διαδικασία σελιδοποίησης θα εκτελείται στα ίδια διαστήματα. Στη λειτουργία eDRX, η λειτουργία της συσκευής χωρίζεται σε κύκλους (κύκλος eDRX). Στην αρχή κάθε κύκλου υπάρχει ένα λεγόμενο "παράθυρο σελιδοποίησης" (Paging Time Window, στο εξής PTW) - αυτή είναι η ώρα που η συσκευή ακούει το ραδιοφωνικό κανάλι. Στο τέλος του PTW, η συσκευή απενεργοποιεί τη μονάδα ραδιοφώνου μέχρι το τέλος του κύκλου.
HLCOM (επικοινωνία υψηλής καθυστέρησης):
Εάν χρειάζεται να μεταφέρει δεδομένα στο Uplink, η συσκευή μπορεί να βγει από οποιαδήποτε από αυτές τις δύο λειτουργίες εξοικονόμησης ενέργειας χωρίς να περιμένει να ολοκληρωθεί ο κύκλος PSM ή eDRX. Αλλά είναι δυνατή η μεταφορά δεδομένων στη συσκευή μόνο όταν είναι ενεργή.
Η λειτουργικότητα HLCOM ή η επικοινωνία υψηλής καθυστέρησης είναι η αποθήκευση πακέτων Downlink στο SGW ενώ η συσκευή βρίσκεται σε λειτουργία εξοικονόμησης ενέργειας και δεν είναι διαθέσιμη για επικοινωνία. Τα πακέτα προσωρινής αποθήκευσης θα παραδοθούν μόλις η συσκευή βγει από το PSM κάνοντας TAU ή περνώντας κίνηση Uplink ή όταν συμβεί PTW.
Αυτό, φυσικά, απαιτεί ευαισθητοποίηση από την πλευρά των προγραμματιστών προϊόντων IoT, αφού η επικοινωνία με μια συσκευή δεν επιτυγχάνεται σε πραγματικό χρόνο και απαιτεί μια συγκεκριμένη προσέγγιση στο σχεδιασμό της επιχειρηματικής λογικής των εφαρμογών.
Εν κατακλείδι, ας πούμε: η εισαγωγή κάτι καινούργιου είναι πάντα συναρπαστική, αλλά τώρα έχουμε να κάνουμε με ένα πρότυπο που δεν έχει δοκιμαστεί πλήρως ακόμη και από τους «βίσονες» του κόσμου, όπως η Vodafone και η Telefonica - επομένως είναι διπλά συναρπαστικό. Η παρουσίαση του υλικού δεν προσποιείται ότι είναι απολύτως ολοκληρωμένη, αλλά ελπίζουμε να παρέχει επαρκή κατανόηση της τεχνολογίας. Θα εκτιμούσαμε τα σχόλιά σας.
Συγγραφέας: Εμπειρογνώμονας του Τμήματος Συγκλίνων Λύσεων και Υπηρεσιών Πολυμέσων Alexey Lapshin
Πηγή: www.habr.com