La última vez hablamos sobre las características del nuevo estándar NB-IoT desde la perspectiva de la arquitectura de la red de acceso radio. Hoy reflexionaremos sobre lo que ha cambiado en la red central (Core Network) con NB-IoT. Así que, ¡vamos!
En la red central han ocurrido cambios significativos. Comencemos por el hecho de que ha surgido un nuevo elemento, así como una serie de mecanismos definidos por el estándar como “CIoT EPS Optimization” u optimización de la red de respaldo para el internet de las cosas celular.
Como se sabe, en las redes móviles existen dos canales principales de comunicación, denominados Control Plane (CP) y User Plane (UP). El Control Plane está destinado al intercambio de mensajes de control entre los diversos elementos de la red y sirve para gestionar la movilidad (Mobility management) de los dispositivos (UE) y establecer/mantener la sesión de transferencia de datos (Session Management). El User Plane es, en sí mismo, el canal de transmisión del tráfico de usuario. En el LTE clásico, la distribución de CP y UP a través de interfaces se ve de la siguiente manera:
Los mecanismos de optimización de CP y UP para NB-IoT se implementan en los nodos MME, SGW y PGW, que se agrupan en un único elemento llamado C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Además, el estándar prevé la aparición de un nuevo elemento de red: SCEF (Service Capability Exposure Function). El interfaz entre MME y SCEF se denomina T6a y se realiza sobre la base del protocolo DIAMETER. A pesar de que DIAMETER es un protocolo de señalización, en NB-IoT se adapta para la transmisión de pequeños volúmenes de datos non-IP.
Según su nombre, SCEF es un nodo de exposición de capacidades de servicio. En otras palabras, SCEF oculta la complejidad de la red del operador y elimina la necesidad de que los desarrolladores de aplicaciones identifiquen y autentiquen los dispositivos móviles (UE), permitiendo que los servidores de aplicaciones (Application Server, AS) obtengan datos y controlen dispositivos a través de una única interfaz API.
El identificador de UE no se convierte en el número de teléfono (MSISDN) o la dirección IP, como era en la clásica red 2G/3G/LTE, sino en el llamado «external ID», que está definido por el estándar en un formato familiar para los desarrolladores de aplicaciones «@». Este es un tema amplio que merece un material propio, por lo que no lo discutiremos en profundidad ahora.
Ahora vamos a analizar las innovaciones más significativas. «CIoT EPS Optimization» es la optimización de los mecanismos de transmisión de tráfico y gestión de sesiones de suscriptores. Estos son los principales:
- DoNAS
- NIDD
- Mecanismos de ahorro de energía PSM y eDRX
- HLCOM
DoNAS (Datos sobre NAS):
Es un mecanismo diseñado para optimizar la transmisión de pequeñas cantidades de datos.
En la LTE clásica, el dispositivo del suscriptor al registrarse en la red establece una conexión PDN (conocida como PDN) a través de eNodeB hacia MME-SGW-PGW. La conexión UE-eNodeB-MME es lo que se llama 'Signaling Radio Bearer' (SRB). Si es necesario enviar/recibir datos, UE establece otra conexión con eNodeB: 'Data Radio Bearer' (DRB), para transmitir tráfico de usuario hacia SGW y luego a PGW (interfaces S1-U y S5 respectivamente). Al finalizar el intercambio y ante la ausencia de tráfico durante un tiempo determinado (normalmente entre 5 y 20 segundos), estas conexiones se rompen y el dispositivo pasa a modo de espera o 'Idle Mode'. Si es necesaria un nuevo intercambio de datos, SRB y DRB se restablecen.
En NB-IoT, la transmisión de tráfico de usuario puede llevarse a cabo a través del canal de señalización (SRB), en los mensajes del protocolo NAS (). El establecimiento del DRB ya no es necesario. Esto reduce significativamente la carga de señalización, ahorra recursos de radio de la red y, lo más importante, prolonga la vida útil de la batería del dispositivo.
En el tramo eNodeB - MME, los datos del usuario comienzan a transmitirse a través de la interfaz S1-MME, algo que no ocurría en la tecnología LTE clásica, y se utiliza para ello el protocolo NAS, en el que aparece el 'User data container'.
Para llevar a cabo la transmisión del 'User Plane' de MME a SGW aparece una nueva interfaz S11-U, diseñada para la transmisión de pequeñas cantidades de datos de usuario. El protocolo S11-U se basa en GTP-U v1, que se utiliza para transmitir el User Plane en otras interfaces de la arquitectura de red 3GPP.
NIDD (entrega de datos no-IP):
Dentro de la optimización continua de los mecanismos de transmisión de pequeñas cantidades de datos, se ha añadido además de los tipos de PDN existentes, como IPv4, IPv6 e IPv4v6, un nuevo tipo: non-IP. En este caso, no se asigna una dirección IP al UE, y los datos se transmiten sin utilizar el protocolo IP. Existen varias razones para esto:
- Los dispositivos IoT, como los sensores, pueden transmitir volúmenes de datos muy pequeños, de 20 bytes o incluso menos. Considerando que el tamaño mínimo de la cabecera IP es de 20 bytes, la encapsulación en IP puede resultar a veces bastante costosa;
- No es necesario implementar un stack IP en el chip, lo que lleva a una reducción de costos (un tema para discutir en los comentarios).
Fundamentalmente, la dirección IP es necesaria para que los dispositivos IoT transmitan datos a través de Internet. En el concepto de NB-IoT, SCEF actúa como un punto único de conexión AS, y el intercambio de datos entre dispositivos y servidores de aplicaciones ocurre a través de API. Sin SCEF, los datos no IP pueden ser enviados al AS a través de un túnel de punto a punto (PtP) desde PGW y la encapsulación en IP se realizará allí.
Todo esto se enmarca en la paradigma de NB-IoT: simplificación y reducción de costos de los dispositivos.
Mecanismos de ahorro de energía PSM y eDRX:
Una de las principales ventajas de las redes LPWAN es la eficiencia energética. Se afirma que la duración de la batería de un dispositivo puede ser de hasta 10 años con una sola carga. Vamos a entender cómo se logran estos valores.
¿Cuándo consume un dispositivo la menor cantidad de energía? Correcto, cuando está apagado. Y si no se puede desactivar completamente el dispositivo, apaguemos el módulo de radio mientras no sea necesario. Solo hay que coordinar esto previamente con la red.
PSM (Modo de ahorro de energía):
El modo de ahorro de energía PSM permite que el dispositivo apague el módulo de radio durante un largo período, manteniéndose registrado en la red y sin tener que restablecer PDN cada vez que se necesite transmitir datos.
Para que la red sepa que el dispositivo sigue disponible, este inicia periódicamente el procedimiento de actualización: Tracking Area Update (TAU). La frecuencia de este procedimiento es determinada por la red mediante un temporizador T3412, cuyo valor se transmite al dispositivo durante el procedimiento de Attach o el siguiente TAU. En LTE clásico, el valor predeterminado de este temporizador es de 54 minutos, y el máximo es de 186 minutos. Sin embargo, para garantizar una alta eficiencia energética, salir a la radiofrecuencia cada 186 minutos es un lujo demasiado costoso. Para resolver este problema, se desarrolló el mecanismo PSM.
El dispositivo activa el modo PSM al transmitir en los mensajes «Attach Request» o «Tracking Area Request» los valores de dos temporizadores, T3324 y T3412-Extended. El primero determina el tiempo que el dispositivo estará disponible tras pasar a «Idle Mode». El segundo es el tiempo después del cual se debe realizar un TAU, y ahora su valor puede alcanzar hasta 35712000 segundos o 413 días. Dependiendo de la configuración, el MME puede aceptar los valores de los temporizadores recibidos del dispositivo o modificarlos, enviando nuevos valores en los mensajes «Attach Accept» o «Tracking Area Update Accept». Ahora el dispositivo puede no activar su módulo radio durante 413 días y seguir registrado en la red. Como resultado, obtenemos un ahorro colosal de recursos de red y eficiencia energética de los dispositivos!
Sin embargo, en este modo, el dispositivo no está disponible solo para comunicaciones entrantes. Si necesita enviar algo al servidor de aplicaciones, el dispositivo puede salir del PSM en cualquier momento y enviar los datos, permaneciendo activo durante el temporizador T3324 para recibir mensajes informativos del AS (si los hay).
eDRX (recepción discontinua extendida):
eDRX, modo extendido de recepción discontinua. Para enviar datos a un dispositivo que está en «Idle mode», la red realiza el procedimiento de notificación — «Paging». Al recibir el paginador, el dispositivo inicia el establecimiento de SRB para дальнейшую comunicación con la red. Pero para no perder el mensaje de Paging dirigido a él, el dispositivo debe monitorear constantemente la radiofrecuencia, lo cual también consume bastante energía.
eDRX es un modo en el cual el dispositivo recibe mensajes de la red no constantemente, sino periódicamente. Durante los procedimientos de Attach o TAU, el dispositivo acuerda con la red intervalos de tiempo en los que «escuchará» el aire. Correspondientemente, en esos mismos intervalos se llevará a cabo el procedimiento de Paging. En modo eDRX, el funcionamiento del dispositivo se divide en ciclos (ciclo eDRX). Al comienzo de cada ciclo hay lo que se llama «ventana de paginación» (Paging Time Window, PTW) — es el tiempo que el dispositivo escucha el canal de radio. Al finalizar el PTW, el dispositivo apaga su módulo radio hasta el final del ciclo.
HLCOM (comunicación de alta latencia):
Si es necesario transferir datos al Uplink, el dispositivo puede salir de cualquiera de estos dos modos de ahorro de energía sin esperar a que finalice el ciclo PSM o eDRX. Sin embargo, la transferencia de datos al dispositivo solo es posible cuando está activo.
La funcionalidad HLCOM o la comunicación con altas latencias implica el almacenamiento en búfer de paquetes Downlink en el SGW durante el tiempo en que el dispositivo está en modo de ahorro de energía y no está disponible para la comunicación. Los paquetes almacenados en búfer se entregarán tan pronto como el dispositivo salga de PSM, realice un TAU o transfiera tráfico de Uplink, o cuando ocurra PTW.
Esto, sin duda, requiere una conciencia por parte de los desarrolladores de productos IoT, ya que la comunicación con el dispositivo no es en tiempo real y requiere un enfoque particular en la construcción de la lógica empresarial de las aplicaciones.
En conclusión, digamos que la implementación de lo nuevo siempre es emocionante, y ahora estamos tratando con un estándar que aún no se ha probado por completo, incluso por los gigantes mundiales como Vodafone y Telefonica, por lo que esto es aún más intrigante. Nuestras explicaciones no pretenden ser completamente exhaustivas, pero esperamos que proporcionen una comprensión suficiente de la tecnología. Agradeceremos cualquier comentario.
Autor: Experto en soluciones convergentes y servicios multimedia Alexey Lapshin
Fuente: habr.com
