NB-IoT: kuidas see töötab? Osa 2

Eelmisel korral rääkisime uutest NB-IoT standardi omadustest raadioside võrgu arhitektuuri vaatenurgast. Täna arutame, mis on muutunud tuumvõrgus (Core Network) seoses NB-IoT-ga. Nii et, alustame.

Tuumvõrgus on toimunud märkimisväärsed muudatused. Alustame uue elemendi ilmumisega ja mitmete mehhanismide rakendamisega, mida standard määratleb kui "CIoT EPS optimization" ehk tugivõrgu optimeerimine mobiilsete asjade interneti jaoks.

Nagu teada, on mobiilsetes võrkudes kaks peamist kommunikatsioonikanalit, mida nimetatakse Control Plane (CP) ja User Plane (UP). Control Plane on mõeldud teenuseteabe vahetamiseks erinevate võrguelementide vahel ja see tagab seadmete (UE) mobiilsuse (Mobility management) ning andmeedastus sessioonide loomise/hoidmise (Session Management). User Plane on tegelikult kasutajatrahvi edastamise kanal. Klassikalises LTE-s jagunemine CP ja UP liideste vahel on järgmine:

CP ja UP optimeerimise mehhanismid NB-IoT jaoks rakendatakse MME, SGW ja PGW sõlmedes, mida tinglikult ühendatakse ühe elemendina nimega C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Samuti eeldab standard uue võrgu elemendi ilmumist — SCEF (Service Capability Exposure Function). Liides MME ja SCEF vahel on T6a ja see on rakendatud DIAMETER protokolli alusel. Kuigi DIAMETER on signaalimisprotokoll, on see NB-IoT-s kohandatud väikeste non-IP andmete edastamiseks.

Nime järgi on SCEF teenusevõimaluste eksponeerimise sõlm. Teisisõnu, SCEF peidab operaatori võrgu keerukuse ning vabastab rakenduste arendajad mobiilseadmete (UE) identifitseerimise ja autentimise vajadusest, pakkudes rakenduste serveritele (Application Server, edaspidi AS) võimalust saada andmeid ja hallata seadmeid ühe API liidese kaudu.

UE identifitseerimiseks ei kasutata enam telefoninumbrit (MSISDN) ega IP-aadressi, nagu see oli klassikalises 2G/3G/LTE-võrgus, vaid nii-öelda «external ID», mis on standardis määratletud arendajatele tuttavas formaadis «@». See on eraldi suur teema, mis väärib omaette arutelu, seega ei räägi me sellest nüüd üksikasjalikult.

Nüüd vaatame lähemalt kõige olulisemaid uuendusi. «CIoT EPS Optimization» on mehhanismide optimeerimine andmeside edastamiseks ja abonentide sessioonide haldamiseks. Siin on nende peamised aspektid:

• DoNAS
• NIDD
• Energiatõhususe mehhanismid PSM ja eDRX
• HLCOM

DoNAS (Data over NAS):

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

Klassikalises LTE registreerib abonentseade võrku ühenduse PDN (edasi PDN) kaudu eNodeB MME-SGW-PGW. UE-eNodeB-MME ühendus on nii nimetatud 'Signaling Radio Bearer' (SRB). Kui on vaja edastada / saada andmeid, loob UE veel ühe ühenduse eNodeB-ga — 'Data Radio Bearer' (DRB), et edastada kasutajat rafik SGW-le ja sealt edasi PGW-le (liidesed S1-U ja S5 vastavalt). Pärast vahetuse lõpetamist ja kui liiklust ei ole teatud aja jooksul (tavaliselt 5-20 sekundit) ühendused katkestatakse ja seade läheb ooterežiimi või 'Idle Mode'. Uue andmepaki vahetuse korral SRB ja DRB taastatakse.

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

eNodeB-lõigus — MME kasutajaandmed hakkavad edastama S1-MME liidese kaudu, mida klassikalises LTE-tehnoloogias ei olnud, ja selleks kasutatakse NAS-protokolli, kus ilmub "User data container".

Kasutaja andmete edastamiseks MME-lt SGW-le luuakse uus liides S11-U, mis on mõeldud väikeste andmemahtude edastamiseks. S11-U protokoll põhineb GTP-U v1-l, mida kasutatakse ka 3GPP-arkhitktuuri muudel liidestel User Plane edastamiseks.

NIDD (non-IP andmeedastus):

Edasiarendamisel väikeste andmemahutite edastamise mehhanismide optimeerimiseks, lisaks juba olemasolevatele PDN-tüüpidele nagu IPv4, IPv6 ja IPv4v6, on lisatud veel üks tüüp — non-IP. Sel juhul ei omistata UE-le IP-aadressi ning andmed edastatakse ilma IP-protokolli kasutamiseta. Selleks on mitmeid põhjuseid:

1. IoT seadmed, nagu andurid, võivad edastada väga väikseid andmemahte, 20 baidi ja isegi vähem. Arvestades, et IP-paketi minimaalne suurus on 20 baidi, võib IP-inkapsulatsioon mõnikord olla piisavalt kallis.
2. IP-steki rakendamine kiibid ei ole vajalik, mis vähendab nende maksumust (arutelu küsimus kommentaarides).

Põhimõtteliselt on IP-aadress vajalik IoT-seadmete andmete edastamiseks internetis. NB-IoT kontseptsioonis toimib SCEF ühe ühenduspunktina AS-ile, ning seadmete ja rakendusserverite vahel toimub andmevahetus API kaudu. Ilma SCEF-ta võib mitte-IP andmeid AS-ile edastada punkt-punkt (PtP) tunnel kaudu PGW-st ja IP kapseldamine toimub juba seal.

See kõik sobib kokku NB-IoT paradigma, mille eesmärk on seadmete maksimumi lihtsustamine ja odavdamine.

Energiatõhususe mehhanismid PSM ja eDRX:

Üks LPWAN-võrkude peamistest eelistest on energiatõhusus. Väidetavalt on seadme autonoomne tööaeg ühel patareil kuni 10 aastat. Uurime, kuidas sellised väärtused saavutatakse.

Millal seade tarbib kõige vähem energiat? Õige, kui see on välja lülitatud. Ja kui seadet täielikult välja lülitada ei saa, siis lülitame raadiomoodi välja ajaks, mil seda ei vajata. Kuid eelnevalt tuleb see võrgu nõusolekuga kokku leppida.

PSM (energiasäästu režiim):

PSM energiatalituse režiim võimaldab seadmel raadiomooduli pikka aega välja lülitada, jäädes samas võrku registreerituks ja vältides PDN-i iga kord uuesti seadistamist, kui on vaja andmeid edastada.

Kuna võrk peab teadma, et seade on endiselt kätte saadav, algatab see perioodiliselt uuendamise protseduuri — Tracking Area Update (TAU). Selle protseduuri sagedus määratakse võrgu poolt T3412 ajastiga, mille väärtus edastatakse seadmele Attach'i või järgnevate TAU protseduuride käigus. Klassikalises LTE-s on selle ajasti vaikimisi väärtus 54 minutit ja maksimaalne — 186 minutit. Siiski on raadioeetrisse väljumise vajadus iga 186 minuti tagant energiatõhususe seisukohalt liiga kulukas. Selle probleemi lahendamiseks loodi PSM mehhanism.

Seade aktiveerib PSM-režiimi, edastades sõnumites „Attach Request” või „Tracking Area Request” kahe taimeri T3324 ja T3412-Extended väärtused. Esimene määrab aega, mille jooksul seade on pärast „Idle Mode” režiimi üleminekut saadaval. Teine on aeg, mille jooksul peab toimuma TAU, kuid nüüd võib selle väärtus ulatuda 35 712 000 sekundini ehk 413 päevani. Vastavalt seadistustele võib MME aktsepteerida seadme poolt saadud taimeri väärtusi või neid muuta, edastades uusi väärtusi sõnumites „Attach Accept” või „Tracking Area Update Accept”. Nüüd võib seade olla radio mooduli sisselülitamata 413 päeva jooksul ja samal ajal jääda võrku registreerituks. Sellega saavutame tohutu võrguressursside kokkuhoiu ja seadmete energiatõhususe!

Kuid sellel režiimil ei ole seade saadaval ainult sissetulevate kommunikatsioonide jaoks. Kui on vaja andmeid edastada rakenduste serverisse, võib seade igal ajal PSM-ist välja minna ja andmed saata, jäädes pärast seda aktiivseks taimeri T3324 ajal, et vastu võtta teateid AS-ilt (kui neid peaks olema).

eDRX (pikendatud katkestatud vastuvõtt):

eDRX, täiustatud katkendliku vastuvõtu režiim. Andmete edastamiseks seadmele, mis on "Idle mode"-is, täidab võrk teavitamisprotseduuri — "Paging". Pagingi saamisel algatab seade SRB loomise edasiseks suhtlemiseks võrguga. Kuid et mitte jääda ilma adresseeritud Pagingi sõnumist, peab seade pidevalt jälgima raadiosidet, mis on samuti energiasäästu poolest üsna kulukas.

eDRX on režiim, kus seade saab sõnumeid võrgult mitte pidevalt, vaid perioodiliselt. Attach- või TAU-protseduuride käigus ühitab seade võrguga ajavahemikud, mille jooksul see "kuulab" raadiosidet. Vastavalt toimub ka Pagingi protseduur nende ajavahemike jooksul. eDRX-režiimis jaguneb seadme töö tsükliteks (eDRX cycle). Iga tsükli alguses on nn "pagingiaken" (Paging Time Window, edaspidi PTW) — see on aeg, mil seade kuulab raadiosidet. PTW lõppedes lülitab seade raadiomoduli välja kuni tsükli lõpuni.

HLCOM (high latency communication):

Kui on vajalik andmete edastamine, võib seade igal ajal sellest kahest energiasäästurežiimist välja tulla, ootamata PSM või eDRX tsükli lõpuni. Kuid andmete edastamine seadmesse on võimalik ainult siis, kui seade on aktiivne.

HLCOM funktsioon või kõrged latentsuskommunikatsioonid tähendavad Downlink pakettide vahetamist SGW-s ajaks, mil seade on energiasäästurežiimis ja ei ole kommunikatsiooniks kättesaadav. Bufferdatud paketid tarnitakse kohe, kui seade väljub PSM-ist, tehes TAU või edastades Uplink liiklust, või kui saabub PTW.

See nõuab kindlasti IoT-toodete arendajate tähelepanu, kuna seadmega suhtlemine ei toimu reaalajas ning nõuab teatud lähenemisviisi rakenduste äri loogika koostamisel.

Kokkuvõtteks võiks öelda: uue rakendamine on alati põnev ja praegu seisame silmitsi standardiga, mida ei ole lõpuni katsetatud isegi maailma suurte tegijate, nagu Vodafone ja Telefonica, seas – seega on see kahekordselt põnev. Meie materjali esitus ei pretendeeri absoluutsele täielikkusele, kuid loodame, et see tagab piisava arusaama tehnoloogiast. Oleme tänulikud tagasiside eest.

Autor: Konvergeerivate lahenduste ja multimeedia teenuste ekspert Aleksei Lapshin
 aslapsh

Allikas: habr.com