La última vez hablamos de las características del nuevo estándar NB-IoT desde el punto de vista de la arquitectura de la red de acceso por radio. Hoy discutiremos lo que ha cambiado en la red central bajo NB-IoT. Entonces vamos.
Ha habido cambios significativos en el núcleo de la red. Empecemos por el hecho de que ha aparecido un nuevo elemento, así como una serie de mecanismos, que el estándar define como “Optimización CIoT EPS” u optimización de la red central para el Internet celular de las cosas.
Como sabes, en las redes móviles existen dos canales de comunicación principales, llamados Plano de Control (CP) y Plano de Usuario (UP). El plano de control está destinado al intercambio de mensajes de servicio entre varios elementos de la red y se utiliza para garantizar la movilidad (gestión de movilidad) de los dispositivos (UE) y establecer/mantener una sesión de transmisión de datos (gestión de sesión). User Plane es, de hecho, un canal para transmitir tráfico de usuarios. En LTE clásico, la distribución de CP y UP entre interfaces es la siguiente:
Los mecanismos de optimización CP y UP para NB-IoT se implementan en nodos MME, SGW y PGW, que convencionalmente se combinan en un solo elemento llamado C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). El estándar también supone la aparición de un nuevo elemento de red: SCEF (Función de exposición de capacidad de servicio). La interfaz entre MME y SCEF se llama T6a y se implementa en base al protocolo DIAMETER. A pesar de que DIAMETER es un protocolo de señalización, en NB-IoT está adaptado para la transmisión de pequeñas cantidades de datos no IP.
Como sugiere su nombre, SCEF es un nodo de exhibición de capacidad de servicio. En otras palabras, SCEF oculta la complejidad de la red del operador y también libera a los desarrolladores de aplicaciones de la necesidad de identificar y autenticar dispositivos móviles (UE), permitiendo a los servidores de aplicaciones (Application Server, en adelante AS) recibir datos y administrar dispositivos a través de un único Interfaz API.
El identificador de UE no es un número de teléfono (MSISDN) o una dirección IP, como era el caso en la red clásica 2G/3G/LTE, sino el llamado "ID externo", que está definido por el estándar en el formato habitual. a los desarrolladores de aplicaciones “ @ " Este es un gran tema aparte que merece material aparte, por lo que no hablaremos de ello en detalle ahora.
Ahora veamos las innovaciones más significativas. La “Optimización CIoT EPS” es la optimización de los mecanismos de transmisión de tráfico y la gestión de sesiones de suscriptores. Aquí están los principales:
- DoNAS
- NIDD
- Mecanismos de ahorro de energía PSM y eDRX
- HLCOM
DoNAS (Datos sobre NAS):
Este es un mecanismo diseñado para optimizar la transferencia de pequeñas cantidades de datos.
En LTE clásico, al registrarse en la red, un dispositivo de abonado establece una conexión PDN (en lo sucesivo denominada PDN) a través del eNodeB al MME-SGW-PGW. La conexión UE-eNodeB-MME es la denominada "portadora de radio de señalización" (SRB). Si es necesario transmitir/recibir datos, el UE establece otra conexión con el eNodeB - "Data Radio Bearer" (DRB), para transmitir tráfico de usuario a la SGW y luego a la PGW (interfaces S1-U y S5, respectivamente) . Al final del intercambio y si no hay tráfico durante algún tiempo (normalmente entre 5 y 20 segundos), estas conexiones finalizan y el dispositivo pasa al modo de espera o "modo inactivo". Si es necesario intercambiar una nueva porción de datos, se restablecen SRB y DRB.
En NB-IoT, la transmisión del tráfico de usuarios se puede realizar a través de un canal de señalización (SRB), en mensajes de protocolo NAS (). Ya no es necesario configurar una DRB. Esto reduce significativamente la carga de señal, ahorra recursos de radio de la red y, lo más importante, extiende la vida útil de la batería del dispositivo.
En la sección eNodeB - MME los datos del usuario comienzan a transmitirse a través de la interfaz S1-MME, lo que no era el caso en la tecnología LTE clásica, y para ello se utiliza el protocolo NAS, en el que aparece el “Contenedor de datos del usuario”.
Para realizar la transferencia del “Plano de usuario” de MME a SGW, aparece una nueva interfaz S11-U, que está diseñada para la transferencia de pequeñas cantidades de datos de usuario. El protocolo S11-U se basa en GTP-U v1, que se utiliza para la transmisión en el plano de usuario en otras interfaces de red de la arquitectura 3GPP.
NIDD (entrega de datos no IP):
Como parte de una mayor optimización de los mecanismos para transmitir pequeñas cantidades de datos, además de los tipos PDN ya existentes, como IPv4, IPv6 e IPv4v6, ha aparecido otro tipo: el no IP. En este caso, al UE no se le asigna una dirección IP y los datos se transmiten sin utilizar el protocolo IP. Hay varias razones para esto:
- Los dispositivos de IoT, como los sensores, pueden transmitir cantidades muy pequeñas de datos, 20 bytes o menos. Dado que el tamaño mínimo del encabezado IP es de 20 bytes, la encapsulación IP a veces puede resultar bastante costosa;
- No es necesario implementar una pila de IP en el chip, lo que conduce a una reducción de costos (una pregunta para discutir en los comentarios).
En general, una dirección IP es necesaria para que los dispositivos IoT transmitan datos a través de Internet. En el concepto NB-IoT, SCEF actúa como un único punto de conexión AS y el intercambio de datos entre dispositivos y servidores de aplicaciones se produce a través de API. En ausencia de SCEF, los datos que no sean IP se pueden transmitir al AS a través de un túnel punto a punto (PtP) desde la PGW y se realizará la encapsulación IP en él.
Todo esto encaja en el paradigma NB-IoT: máxima simplificación y reducción del coste de los dispositivos.
Mecanismos de ahorro de energía PSM y eDRX:
Una de las ventajas clave de las redes LPWAN es la eficiencia energética. Se afirma que el dispositivo dura hasta 10 años de duración de la batería con una sola batería. Averigüemos cómo se logran esos valores.
¿Cuándo un dispositivo consume menos energía? Corregir cuando esté apagado. Y si es imposible desenergizar completamente el dispositivo, desenergicemos el módulo de radio mientras no sea necesario. Primero solo necesita coordinar esto 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 tiempo prolongado, mientras permanece registrado en la red, y no reinstale el PDN cada vez que necesite transmitir datos.
Para que la red sepa que el dispositivo todavía está disponible, periódicamente inicia un procedimiento de actualización: Actualización del área de seguimiento (TAU). La frecuencia de este procedimiento la establece la red mediante el temporizador T3412, cuyo valor se transmite al dispositivo durante el procedimiento de conexión o la siguiente TAU. En LTE clásico, el valor predeterminado de este temporizador es 54 minutos y el máximo es 186 minutos. Sin embargo, para garantizar una alta eficiencia energética, la necesidad de salir al aire cada 186 minutos es demasiado cara. El mecanismo PSM fue desarrollado para resolver este problema.
El dispositivo activa el modo PSM transmitiendo los valores de dos temporizadores T3324 y T3412-Extendido en los mensajes “Attach Request” o “Tracking Area Request”. El primero determina el tiempo que el dispositivo estará disponible después de cambiar al "Modo inactivo". El segundo es el tiempo tras el cual se debe realizar el TAU, solo que ahora su valor puede llegar a 35712000 segundos o 413 días. Dependiendo de la configuración, el MME puede aceptar los valores del temporizador recibidos del dispositivo o cambiarlos enviando nuevos valores en los mensajes “Adjuntar aceptar” o “Aceptar actualización del área de seguimiento”. Ahora el dispositivo no puede encender el módulo de radio durante 413 días y permanecer registrado en la red. Como resultado, obtenemos enormes ahorros en recursos de red y eficiencia energética de los dispositivos.
Sin embargo, en este modo el dispositivo no está disponible sólo para comunicaciones entrantes. Si es necesario transmitir algo hacia el servidor de aplicaciones, el dispositivo puede salir del PSM en cualquier momento y enviar datos, luego de lo cual permanece activo durante el temporizador T3324 para recibir mensajes de información del AS (si corresponde).
eDRX (recepción discontinua extendida):
eDRX, recepción intermitente mejorada. Para transferir datos a un dispositivo que está en "modo inactivo", la red realiza un procedimiento de notificación: "buscando". Al recibir una búsqueda, el dispositivo inicia el establecimiento de un SRB para una mayor comunicación con la red. Pero para no perderse el mensaje de búsqueda dirigido a él, el dispositivo debe monitorear constantemente el aire de la radio, lo que también consume bastante energía.
eDRX es un modo en el que el dispositivo no recibe mensajes de la red de forma constante, sino periódicamente. Durante los procedimientos de Adjunto o TAU, el dispositivo acuerda con la red los intervalos de tiempo durante los cuales "escuchará" la transmisión. En consecuencia, el procedimiento de localización se realizará en los mismos intervalos. En el modo eDRX, el funcionamiento del dispositivo se divide en ciclos (ciclo eDRX). Al comienzo de cada ciclo hay una llamada "ventana de búsqueda" (Ventana de tiempo de búsqueda, en adelante PTW): este es el momento en que el dispositivo escucha el canal de radio. Al final del PTW, el dispositivo apaga el módulo de radio hasta el final del ciclo.
HLCOM (comunicación de alta latencia):
Si necesita transferir datos a Uplink, el dispositivo puede salir de cualquiera de estos dos modos de ahorro de energía sin esperar a que se complete el ciclo PSM o eDRX. Pero es posible transferir datos al dispositivo sólo cuando está activo.
La funcionalidad HLCOM o comunicación de alta latencia es el almacenamiento en búfer de paquetes de enlace descendente en el SGW mientras el dispositivo está en modo de ahorro de energía y no está disponible para la comunicación. Los paquetes almacenados en buffer se entregarán tan pronto como el dispositivo salga de PSM realizando TAU o pasando tráfico de enlace ascendente, o cuando ocurra PTW.
Esto, por supuesto, requiere conciencia por parte de los desarrolladores de productos IoT, ya que la comunicación con un dispositivo no se logra en tiempo real y requiere un cierto enfoque en el diseño de la lógica empresarial de las aplicaciones.
En conclusión, digamos: la introducción de algo nuevo siempre es emocionante, pero ahora estamos ante un estándar que no ha sido probado completamente ni siquiera por los "bisontes" del mundo, como Vodafone y Telefónica, por lo que es doblemente emocionante. Nuestra presentación del material no pretende ser absolutamente completa, pero esperamos que proporcione una comprensión suficiente de la tecnología. Apreciaríamos sus comentarios.
Autor: Experto del Departamento de Soluciones Convergentes y Servicios Multimedia Alexey Lapshin
Fuente: habr.com