Viime kerralla puhuimme uuden NB-IoT-standardin ominaisuuksista radioliityntäverkkoarkkitehtuurin näkökulmasta. Tänään keskustelemme siitä, mikä on muuttunut NB-IoT:n ydinverkossa. Mennään siis.
Verkon ytimessä on tapahtunut merkittäviä muutoksia. Aloitetaan siitä, että uusi elementti on ilmestynyt, samoin kuin joukko mekanismeja, jotka standardi määrittelee "CIoT EPS -optimoinniksi" tai ydinverkon optimoinniksi solukkointernetille.
Kuten tiedät, matkaviestinverkoissa on kaksi pääviestintäkanavaa, nimeltään Control Plane (CP) ja User Plane (UP). Ohjaustaso on tarkoitettu palvelusanomien vaihtoon eri verkkoelementtien välillä ja sitä käytetään varmistamaan laitteiden liikkuvuus (Mobility management) (UE) ja muodostamaan/ylläpitämään tiedonsiirtoistunto (Session Management). User Plane on itse asiassa kanava käyttäjäliikenteen välittämiseen. Klassisessa LTE:ssä CP:n ja UP:n jakautuminen rajapintojen välillä on seuraava:
NB-IoT:n CP- ja UP-optimointimekanismit on toteutettu MME-, SGW- ja PGW-solmuissa, jotka on perinteisesti yhdistetty yhdeksi elementiksi nimeltä C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Standardi edellyttää myös uuden verkkoelementin SCEF:n (Service Capability Exposure Function) syntymistä. MME:n ja SCEF:n välinen rajapinta on nimeltään T6a, ja se toteutetaan DIAMETER-protokollan perusteella. Huolimatta siitä, että DIAMETER on signalointiprotokolla, NB-IoT:ssä se on sovitettu pienten määrien ei-IP-dataa lähettämiseen.
Kuten nimestä voi päätellä, SCEF on Service Capability Exhibit Node. Toisin sanoen SCEF piilottaa operaattorin verkon monimutkaisuuden ja vapauttaa sovelluskehittäjät tarpeesta tunnistaa ja todentaa mobiililaitteet (UE), jolloin sovelluspalvelimet (Application Server, jäljempänä AS) voivat vastaanottaa tietoja ja hallita laitteita yhden ainoan kautta. API-liittymä.
UE-tunnuksesta ei tule puhelinnumeroa (MSISDN) tai IP-osoitetta, kuten perinteisessä 2G/3G/LTE-verkossa, vaan ns. "ulkoinen tunnus", joka määritellään standardin tutussa muodossa. sovelluskehittäjille "@". Tämä on erillinen laaja aihe, joka ansaitsee erillisen materiaalin, joten emme puhu siitä nyt yksityiskohtaisesti.
Katsotaanpa nyt merkittävimpiä innovaatioita. "CIoT EPS Optimization" on liikenteen siirtomekanismien ja tilaajaistunnon hallinnan optimointi. Tässä ovat tärkeimmät:
- DoNAS
- NIDD
- PSM- ja eDRX-virransäästömekanismit
- HLCOM
DoNAS (Data over NAS):
Tämä on mekanismi, joka on suunniteltu optimoimaan pienten tietomäärien siirto.
Klassisessa LTE:ssä tilaajalaite muodostaa verkkoon rekisteröityessään PDN-yhteyden (jäljempänä PDN) eNodeB:n kautta MME-SGW-PGW:hen. UE-eNodeB-MME-yhteys on niin kutsuttu "Signaling Radio Bearer" (SRB). Jos dataa on lähetettävä/vastaanotettava, UE muodostaa toisen yhteyden eNodeB:hen - "Data Radio Bearer" (DRB) käyttäjäliikenteen välittämiseksi SGW:hen ja edelleen PGW:hen (liitännät S1-U ja S5, vastaavasti) . Vaihdon lopussa ja jos liikennettä ei ole vähään aikaan (yleensä 5-20 sekuntia), nämä yhteydet katkaistaan ja laite siirtyy valmiustilaan tai "Idle Mode" -tilaan. Jos on tarpeen vaihtaa uusi dataosio, SRB ja DRB nollataan.
NB-IoT:ssä käyttäjäliikenteen välittäminen voidaan suorittaa signalointikanavan (SRB) kautta, NAS-protokollan viesteissä (). DRB:tä ei enää tarvita. Tämä vähentää merkittävästi signaalin kuormitusta, säästää verkon radioresursseja ja mikä tärkeintä, pidentää laitteen akun käyttöikää.
eNodeB - MME -osiossa käyttäjätietoja aletaan välittää S1-MME-rajapinnan kautta, mikä ei ollut mahdollista klassisessa LTE-tekniikassa, ja tähän käytetään NAS-protokollaa, jossa näkyy "User data container".
"User Plane":n siirtämiseksi MME:stä SGW:hen ilmestyy uusi S11-U-liitäntä, joka on suunniteltu pienten käyttäjätietojen siirtoon. S11-U-protokolla perustuu GTP-U v1:een, jota käytetään User Plane -lähetyksessä muilla 3GPP-arkkitehtuurin verkkoliitännöillä.
NIDD (ei-IP-tietojen toimitus):
Osana pienten tietomäärien siirtomekanismien lisäoptimointia jo olemassa olevien PDN-tyyppien, kuten IPv4, IPv6 ja IPv4v6, lisäksi on ilmestynyt toinen tyyppi - ei-IP. Tässä tapauksessa UE:lle ei osoiteta IP-osoitetta ja data lähetetään ilman IP-protokollaa. Tähän on useita syitä:
- IoT-laitteet, kuten anturit, voivat lähettää hyvin pieniä määriä dataa, 20 tavua tai vähemmän. Ottaen huomioon, että IP-otsikon vähimmäiskoko on 20 tavua, IP-kapselointi voi joskus olla melko kallista;
- Sirulle ei tarvitse ottaa käyttöön IP-pinoa, mikä johtaa niiden kustannusten alenemiseen (kysymys keskusteluun kommenteissa).
Yleisesti ottaen IP-osoite tarvitaan IoT-laitteille tiedon siirtämiseen Internetin kautta. NB-IoT-konseptissa SCEF toimii yhtenä AS-yhteyspisteenä ja tiedonvaihto laitteiden ja sovelluspalvelimien välillä tapahtuu API:n kautta. SCEF:n puuttuessa ei-IP-dataa voidaan lähettää AS:lle Point-to-Point (PtP) -tunnelin kautta PGW:stä, ja sille suoritetaan IP-kapselointi.
Kaikki tämä sopii NB-IoT-paradigmaan - maksimaalinen yksinkertaistaminen ja laitteiden kustannusten alentaminen.
PSM- ja eDRX-virransäästömekanismit:
Yksi LPWAN-verkkojen tärkeimmistä eduista on energiatehokkuus. Laitteen väitetään kestävän jopa 10 vuotta akun käyttöikää yhdellä akulla. Selvitetään, kuinka tällaiset arvot saavutetaan.
Milloin laite kuluttaa vähiten energiaa? Oikein, kun se on sammutettu. Ja jos on mahdotonta kytkeä laitetta kokonaan jännitteettömiksi, vapautetaan radiomoduuli niin kauan kuin sitä ei tarvita. Sinun tarvitsee vain koordinoida tämä ensin verkon kanssa.
PSM (virransäästötila):
PSM-virransäästötilan avulla laite voi sammuttaa radiomoduulin pitkäksi aikaa, samalla kun se pysyy rekisteröityneenä verkkoon, eikä se voi asentaa PDN:ää uudelleen joka kerta, kun sen on lähetettävä tietoja.
Ilmoittaakseen verkolle, että laite on edelleen saatavilla, se käynnistää säännöllisesti päivitysmenettelyn - Tracking Area Update (TAU). Tämän toimenpiteen taajuuden määrittää verkko ajastimella T3412, jonka arvo välitetään laitteelle Attach-toimenpiteen tai seuraavan TAU:n aikana. Klassisessa LTE:ssä tämän ajastimen oletusarvo on 54 minuuttia ja enimmäisaika on 186 minuuttia. Korkean energiatehokkuuden takaamiseksi tarve päästä lähetykseen 186 minuutin välein on kuitenkin liian kallista. PSM-mekanismi kehitettiin ratkaisemaan tämä ongelma.
Laite aktivoi PSM-tilan lähettämällä kahden ajastimen T3324 ja T3412-Extended arvot "Attach Request"- tai "Tracking Area Request" -viesteissä. Ensimmäinen määrittää ajan, jolloin laite on käytettävissä "Idle Mode" -tilaan vaihtamisen jälkeen. Toinen on aika, jonka jälkeen TAU on tehtävä, mutta nyt sen arvo voi olla 35712000 413 413 sekuntia tai XNUMX päivää. Asetuksista riippuen MME voi hyväksyä laitteelta vastaanotetut ajastinarvot tai muuttaa niitä lähettämällä uusia arvoja "Attach Accept"- tai "Tracking Area Update Accept" -viesteissä. Nyt laite ei voi käynnistää radiomoduulia XNUMX päivään ja pysyä rekisteröityneenä verkkoon. Tuloksena saamme valtavia säästöjä verkkoresursseissa ja laitteiden energiatehokkuudessa!
Tässä tilassa laite ei kuitenkaan ole käytettävissä vain saapuvaan tietoliikenteeseen. Jos on tarpeen lähettää jotain sovelluspalvelimelle, laite voi milloin tahansa poistua PSM:stä ja lähettää dataa, jonka jälkeen se pysyy aktiivisena T3324-ajastimen aikana vastaanottaakseen tietoviestejä AS:lta (jos sellaisia on).
eDRX (pidennetty epäjatkuva vastaanotto):
eDRX, Enhanced Intermittent Reception. Tietojen siirtämiseksi laitteeseen, joka on "valmiustilassa", verkko suorittaa ilmoitusmenettelyn - "Haku". Vastaanotettuaan kutsun laite aloittaa SRB:n muodostamisen lisäviestintää varten verkon kanssa. Mutta jotta sille osoitettu Paging-viesti ei jää huomaamatta, laitteen on jatkuvasti seurattava radioilmaa, mikä on myös melko energiaa kuluttavaa.
eDRX on tila, jossa laite ei vastaanota viestejä verkosta jatkuvasti, vaan ajoittain. Attach- tai TAU-toimintojen aikana laite sopii verkon kanssa aikaväleistä, joiden aikana se "kuuntelee" lähetystä. Vastaavasti hakumenettely suoritetaan samoin väliajoin. eDRX-tilassa laitteen toiminta on jaettu sykleihin (eDRX-sykli). Jokaisen jakson alussa on ns. hakuikkuna (Paging Time Window, jäljempänä PTW) - tämä on aika, jolloin laite kuuntelee radiokanavaa. PTW:n lopussa laite sammuttaa radiomoduulin jakson loppuun asti.
HLCOM (high latency communication):
Jos sen on siirrettävä tietoja Uplinkiin, laite voi poistua jommastakummasta näistä kahdesta virransäästötilasta odottamatta PSM- tai eDRX-syklin päättymistä. Mutta on mahdollista siirtää tietoja laitteeseen vain, kun se on aktiivinen.
HLCOM-toiminnallisuus tai korkean viiveen tiedonsiirto on SGW:n Downlink-pakettien puskurointia, kun laite on virransäästötilassa eikä se ole käytettävissä viestintää varten. Puskuroidut paketit toimitetaan heti, kun laite poistuu PSM:stä suorittamalla TAU:ta tai ohittamalla Uplink-liikennettä tai kun PTW tapahtuu.
Tämä tietysti edellyttää tietoisuutta IoT-tuotteiden kehittäjiltä, sillä kommunikaatio laitteen kanssa ei tapahdu reaaliajassa ja vaatii tiettyä lähestymistapaa sovellusten liiketoimintalogiikan suunnitteluun.
Sanotaan lopuksi: uuden esittely on aina jännittävää, mutta nyt on kyse standardista, jota ei ole täysin testattu edes maailman "biisoneissa", kuten Vodafone ja Telefonica - joten se on kaksinkertaisesti jännittävää. Esittelymme materiaalista ei väitä olevan täysin täydellinen, mutta toivomme, että se antaa riittävän ymmärryksen tekniikasta. Arvostamme palautettasi.
Tekijä: Konvergenttien ratkaisujen ja multimediapalvelujen osaston asiantuntija Alexey Lapshin
Lähde: will.com