NB-IoT: kuidas see töötab? Osa 2

Viimati rääkisime uue NB-IoT standardi iseärasustest raadiokatte arhitktuuri vaatenurgast. Täna arutame, mis on muutunud tuumvõrgus (Core Network) NB-IoT puhul. Alustame.

Tuumvõrgus on toimunud märkimisväärsed muudatused. Esiteks, on lisandunud uus element ja mitmed mehhanismid, mida standard kutsub „CIoT EPS Optimization” ehk tugivõrgu optimeerimisele mobiilse asjade interneti jaoks.

Nagu teada, on mobiilsetes võrkudes kaks peamist kommunikatsioonikanalit, mida nimetatakse Control Plane (CP) ja User Plane (UP). Control Plane on mõeldud erinevate võrguelementide vaheliste teenuseteate edastamiseks ning teenindab seadmete (UE) liikuvuse haldamist (Mobility management) ja andmeedastussessiooni (Session Management) loomist/säilitamist. User Plane on tegelikult kasutajate liikluse edastamise kanal. Klassikalises LTE-s näeb CP ja UP jaotumine liidestel välja järgmiselt:

NB-IoT jaoks rakendatakse CP ja UP optimeerimise mehhanisme MME, SGW ja PGW sõlmedes, mis on tinglikult ühendatud ühe elemendi alla nimega C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Samuti eeldab standard uue võrguelemendi loomist — SCEF (Service Capability Exposure Function). Liides MME ja SCEF vahel nimetatakse T6a ja see on rakendatud DIAMETER protokolli alusel. Kuigi DIAMETER on signaalimise protokoll, on see NB-IoT-s kohandatud väikeste non-IP andmete edastamiseks.

Nime järgi on SCEF teenuse võimaluste eksponeerimise sõlm. Teisisõnu, SCEF varjab operaatori võrgu keerukust ning vabastab rakenduste arendajad mobiilsete seadmete (UE) identifitseerimise ja autentimise vajadusest, võimaldades rakenduste serveritel (Application Server, edaspidi AS) andmeid hankida ja seadmeid hallata ühise API liidese kaudu.

UE identifikaatoriks ei ole enam telefoninumber (MSISDN) või IP-aadress, nagu oli klassikalistes 2G/3G/LTE võrkudes, vaid nn „external ID“, mis on määratletud standardis rakenduste arendajatele tuttavas formaadis „@“. See on eraldi ulatuslik teema, mis väärib eraldi materjali, seega sellest arutame praegu lähemalt.

Nüüd vaatame lähemalt mõningaid tähtsamaid uuendusi. «CIoT EPS Optimization» on liiklusülekande ja abonendiseansside haldamise mehhanismide optimeerimine. Siin on peamised neist:

• DoNAS
• NIDD
• Energi säästmise mehhanismid PSM ja eDRX
• HLCOM

DoNAS (Data over NAS):

See on mehhanism, mis on välja töötatud väikeste andmemahtude edastamise optimeerimiseks.

Klassikalises LTE-s loob abonendi seade võrgus registreerimisel PDN-ühenduse (edaspidi PDN) läbi eNodeB MME-SGW-PGW. UE-eNodeB-MME ühendus on nn "Signaling Radio Bearer" (SRB). Kui on vajalik andmete edastamine/saamine, loob UE veel ühe ühenduse eNodeB-ga — "Data Radio Bearer" (DRB), et edastada kasutajateavet SGW-le ja sealt edasi PGW-le (liidesed S1-U ja S5 vastavalt). Pärast andmevahetuse lõppu ja kui teatud aja jooksul (tavaliselt 5-20 sekundit) ei toimu liiklust, katkestatakse need ühendused ja seade läheb oote- või "Idle Mode" režiimi. Vajadusel uus andmevahetus SRB ja DRB taastatakse.

NB-IoT-s saavad kasutajateaved edastada signaalikanali (SRB) kaudu NAS-protokolli sõnumites (http://www.3gpp.org/more/96-nas). DRB loomine ei ole enam vajalik. See vähendab oluliselt signalisatsioonikoormust, säästab võrgu raadioressursse ja, mis kõige tähtsam — pikendab seadme aku eluiga.

eNodeB — MME osas algab kasutajateave edastus S1-MME liidese kaudu, mida klassikalises LTE-tehnoloogias ei olnud, ja selleks kasutatakse NAS-protokolli, milles ilmub "User data container".

Kasutajateabe "User Plane" edastamiseks MME-st SGW-le tekib uus liides S11-U, mis on mõeldud väikeste kasutajateabe edastamiseks. S11-U protokoll põhineb GTP-U v1-l, mida kasutatakse User Plane edastamiseks ka teistes 3GPP-architekti võrguliidetes.

NIDD (non-IP data delivery):

Edasiarengu käigus andmete edastamise mehhanismide optimeerimisel on olemasolevatele PDN tüüpidele, nagu IPv4, IPv6 ja IPv4v6, lisatud veel üks tüüp — non-IP. Sellisel juhul ei määrata UE-le IP-aadressi ja andmeid edastatakse ilma IP-protokolli kasutamiseta. Sellel on mitu põhjust:

1. IoT-seadmed, nagu sensorid, saavad edastada väga väikeseid andmemahtusid, 20 bait ja isegi vähem. Arvestades, et IP-pealkirja minimaalne suurus on 20 bait, võib IP-sisaldus olla mõnikord piisavalt kallis;
2. IP-steigi rakendamine kiibis ei ole vajalik, mis vähendab nende maksumust (küsimus arutamiseks kommentaarides).

Laias laastus on IP-aadress IoT-seadmete jaoks vajalik, et edastada andmeid läbi internetsi. NB-IoT kontseptsioonis toimib SCEF kui ainsana ühenduse punkt AS-ile, ning andmevahetus seadmete ja rakendusserverite vahel toimub API kaudu. Kui SCEF pole olemas, võivad non-IP andmed AS-ile edastada Point-to-Point (PtP) tunnel PGW-st ning IP-sisaldus tehakse siis juba seal.

Kõik see sobitub NB-IoT paradigmasse — seadmete maksimaalne lihtsustamine ja odavdamine.

Energiatõhususe mehhanismid PSM ja eDRX:

Üks LPWAN-võrkude põhieeliseid on energiakasutuse efektiivsus. Ühenduste kohaselt võib seadme aku kesta kuni 10 aastat. Vaatame, kuidas sellised näitajad saavutatakse.

Millal seade tarbib kõige vähem energiat? Õige, kui see on välja lülitatud. Ja kui seadet ei saa täielikult välja lülitada, lülitame välja raadiosaatja, tantud ajaks, kui vajadust selle järele ei ole. Ainult tuleb eelnevalt see võrgu poolt kooskõlastada.

PSM (energiatõhusa režiim):

Energiatõhusa režiim PSM lubab seadmel pikka aega raadiosaatjat välja lülitada, jäädes samas võrku registreerituks, ja mitte IGAL KORRAL uue PDN-i seadistamiseks, kui andmeid edastama peab.

Kuna võrgu teadmiseks, et seade on endiselt juurdepääsetav, algatab see perioodiliselt ajakohastamisprotseduuri — Tracking Area Update (TAU). Selle protseduuri sagedus seatakse võrgu poolt T3412 ajastiga, mille väärtus edastatakse seadmele Tikkimismeetodi või järgmise TAU protseduuri käigus. Klassikalises LTE on selle ajasätted vaikimisi 54 minutit, ning maksimaalne — 186 minutit. Siiski on kõrge efektiivsuse tagamiseks liiga kallis vajadus raadiolainetesse siseneda iga 186 minuti tagant. Selle probleemi lahendamiseks töötati välja PSM mehhanism.

Seade aktiveerib PSM-režiimi, edastades «Attach Request» või «Tracking Area Request» sõnumites kaks taimerit T3324 ja T3412-Extended. Esimene määrab aja, mille jooksul seade on pärast «Idle Mode» režiimini üleminekut saadaval. Teine on aeg, mille jooksul tuleks teostada TAU, kuid nüüd võib selle väärtus ulatuda 35712000 sekundini ehk 413 päevani. Sõltuvalt seadistustest võib MME vastu võtta seadme edastatud taimerite väärtusi või neid muuta, edastades uued väärtused sõnumites «Attach Accept» või «Tracking Area Update Accept». Nüüd võib seade olla raadiomooduli sisse lülitamata 413 päeva ja jääda samal ajal võrku registreerituks. Selle tulemusena saavutame tohutu võrguressursside kokkuhoiu ja seadmete energiatõhususe!

Kuid sel viisil on seade saadaval ainult sissetulevate kommunikatsioonide jaoks. Kui seade peab edastama midagi rakenduste serverisse, võib see igal ajal PSM-ist välja minna ja andmeid saata, jäädes seejärel aktiivseks T3324 taimeri jooksul, et vastu võtta teabeteateid AS-ilt (kui neid peaks olema).

eDRX (pikendatud katkestatud vastuvõtt):

eDRX, pikendatud katkestatud vastuvõtu režiim. Andmete edastamiseks seadmele, mis asub «Idle mode'is», teostab võrk teavitamisprotseduuri — «Paging». Pärast teavitamise saamist käivitab seade SRB loomise edasiseks suhtlemiseks võrguga. Kuid et mitte jääda ilma aadressitud sõnumist Paging, peab seade pidevalt jälgima raadiolaineid, mis on samuti üsna energiaintensiivne.

eDRX on režiim, kus seade vastab võrgult sõnumitele mitte pidevalt, vaid perioodiliselt. Attach või TAU protseduuride ajal lepitakse seadme ja võrgu vahel kokku ajavahemikud, mille jooksul seade «kuulatab» eeteret. Vastavalt sellele toimub Paging-protseduur ka nende ajavahemike jooksul. eDRX režiimis jaguneb seadme töö tsükliteks (eDRX tsükkel). Iga tsükli alguses toimub nn «paging-aken» (Paging Time Window, edaspidi PTW) — see on aeg, mil seade kuulab raadiokanaleid. PTW lõppedes lülitab seade raadiomooduli tsükli lõpuni välja.

HLCOM (kõrge latentsusega kommunikatsioon):

Vajadusel võib seade andmete edastamiseks väljuda mõlemast neist kahest energiasäästurežiimist, ootamata PSM või eDRX tsükli lõppu. Andmeid saab seadmesse edastada ainult siis, kui see on aktiivne.

HLCOM funktsioon või kõrge latentsusega suhtlemine tähendab Downlink pakettide puhverdamist SGW-s ajaks, mil seade on energiasäästurežiimis ja suhtlemiseks mittesaadav. Puhverdatud paketid toimetatakse kohale, kui seade väljub PSM-ist, tehes TAU või edastades Uplink-i liiklust, või kui toimub PTW.

See nõuab kindlasti IoT-toodete arendajate teadlikkust, kuna seadmega suhtlemine pole reaalajas ning nõuab teatud lähenemist rakenduste äriloogika konstrueerimisel.

Kokkuvõttes võib öelda, et uue rakendamine on alati põnev ning praegu tegeleme standardiga, mis pole isegi maailma hiiglaste, nagu Vodafone ja Telefonica, poolt täielikult välja katsetatud – seega on see kahekordne põnevus. Meie esituses ei pretendeeri me absoluutsele täielikkusele, kuid loodame, et see annab piisava arusaama tehnoloogiast. Oleme tänulikud tagasiside eest.

Autor: Konvergente lahenduste ja multimeedia teenuste ekspert Aleksei Lapšin aslapsh

Allikas: habr.com