La dernière fois, nous avons parlé des fonctionnalités de la nouvelle norme NB-IoT du point de vue de l'architecture du réseau d'accès radio. Aujourd'hui, nous discuterons de ce qui a changé dans le réseau central sous NB-IoT. Alors allons-y.
Des changements importants ont été apportés au cœur du réseau. Commençons par le fait qu'un nouvel élément est apparu, ainsi qu'un certain nombre de mécanismes, qui sont définis par la norme comme « CIoT EPS Optimization » ou optimisation du réseau central pour l'Internet des objets cellulaire.
Comme vous le savez, dans les réseaux mobiles, il existe deux canaux de communication principaux, appelés Control Plane (CP) et User Plane (UP). Le plan de contrôle est destiné à l'échange de messages de service entre divers éléments du réseau et est utilisé pour assurer la mobilité (gestion de la mobilité) des appareils (UE) et établir/maintenir une session de transmission de données (gestion de session). User Plane est, en fait, un canal de transmission du trafic utilisateur. Dans le LTE classique, la répartition des CP et UP entre les interfaces est la suivante :
Les mécanismes d'optimisation CP et UP pour NB-IoT sont implémentés sur les nœuds MME, SGW et PGW, qui sont classiquement combinés en un seul élément appelé C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). La norme suppose également l'émergence d'un nouvel élément de réseau - SCEF (Service Capability Exposure Function). L'interface entre MME et SCEF s'appelle T6a et est implémentée sur la base du protocole DIAMETER. Bien que DIAMETER soit un protocole de signalisation, dans NB-IoT, il est adapté à la transmission de petites quantités de données non IP.
Comme son nom l'indique, SCEF est un nœud d'exposition de capacités de service. En d'autres termes, SCEF masque la complexité du réseau de l'opérateur et soulage également les développeurs d'applications de la nécessité d'identifier et d'authentifier les appareils mobiles (UE), permettant aux serveurs d'applications (Application Server, ci-après AS) de recevoir des données et de gérer les appareils via un seul Interface API.
L'identifiant UE ne devient pas un numéro de téléphone (MSISDN) ou une adresse IP, comme c'était le cas dans le réseau 2G/3G/LTE classique, mais ce que l'on appelle « l'identifiant externe », qui est défini par la norme dans le format familier. aux développeurs d'applications « @ ». Il s’agit d’un vaste sujet distinct qui mérite un document séparé, nous n’en parlerons donc pas en détail maintenant.
Examinons maintenant les innovations les plus significatives. « CIoT EPS Optimization » est l'optimisation des mécanismes de transmission du trafic et de gestion des sessions d'abonnés. Voici les principaux :
- DoNAS
- NIDD
- Mécanismes d'économie d'énergie PSM et eDRX
- HLCOM
DoNAS (données sur NAS) :
Il s'agit d'un mécanisme conçu pour optimiser le transfert de petites quantités de données.
Dans le LTE classique, lors de son inscription sur le réseau, un appareil d'abonné établit une connexion PDN (ci-après dénommée PDN) via eNodeB vers le MME-SGW-PGW. La connexion UE-eNodeB-MME est ce que l'on appelle un « Signaling Radio Bearer » (SRB). S'il est nécessaire de transmettre/recevoir des données, l'UE établit une autre connexion avec l'eNodeB - « Data Radio Bearer » (DRB), pour transmettre le trafic utilisateur au SGW puis au PGW (interfaces S1-U et S5, respectivement). . A la fin de l'échange et s'il n'y a pas de trafic pendant un certain temps (généralement 5 à 20 secondes), ces connexions sont interrompues et l'appareil passe en mode veille ou « Idle Mode ». S'il est nécessaire d'échanger une nouvelle partie de données, SRB et DRB sont réinitialisés.
Dans NB-IoT, la transmission du trafic utilisateur peut être effectuée via un canal de signalisation (SRB), dans les messages du protocole NAS (). La mise en place d’un DRB n’est plus nécessaire. Cela réduit considérablement la charge du signal, économise les ressources radio du réseau et, surtout, prolonge la durée de vie de la batterie de l'appareil.
Dans la section eNodeB - MME, les données utilisateur commencent à être transmises via l'interface S1-MME, ce qui n'était pas le cas dans la technologie LTE classique, et pour cela, le protocole NAS est utilisé, dans lequel apparaît le « Conteneur de données utilisateur ».
Pour effectuer le transfert du « Plan utilisateur » de MME vers SGW, une nouvelle interface S11-U apparaît, conçue pour le transfert de petites quantités de données utilisateur. Le protocole S11-U est basé sur GTP-U v1, qui est utilisé pour la transmission du plan utilisateur sur d'autres interfaces réseau de l'architecture 3GPP.
NIDD (livraison de données non IP) :
Dans le cadre d'une optimisation plus poussée des mécanismes de transmission de petites quantités de données, en plus des types PDN déjà existants, tels que IPv4, IPv6 et IPv4v6, un autre type est apparu : le non-IP. Dans ce cas, aucune adresse IP n'est attribuée à l'UE et les données sont transmises sans utiliser le protocole IP. Il y a plusieurs raisons à cela:
- Les appareils IoT tels que les capteurs peuvent transmettre de très petites quantités de données, 20 octets ou moins. Étant donné que la taille minimale de l’en-tête IP est de 20 octets, l’encapsulation IP peut parfois s’avérer assez coûteuse ;
- Il n'est pas nécessaire d'implémenter une pile IP sur la puce, ce qui entraîne une réduction de leur coût (une question à discuter dans les commentaires).
Dans l'ensemble, une adresse IP est nécessaire pour que les appareils IoT puissent transmettre des données sur Internet. Dans le concept NB-IoT, le SCEF agit comme un point de connexion AS unique et l'échange de données entre les appareils et les serveurs d'applications s'effectue via l'API. En l'absence de SCEF, les données non IP peuvent être transmises à l'AS via un tunnel point à point (PtP) depuis le PGW et une encapsulation IP y sera effectuée.
Tout cela s'inscrit dans le paradigme NB-IoT - simplification maximale et réduction du coût des appareils.
Mécanismes d'économie d'énergie PSM et eDRX :
L'un des principaux avantages des réseaux LPWAN est l'efficacité énergétique. L’appareil est censé durer jusqu’à 10 ans d’autonomie avec une seule batterie. Voyons comment ces valeurs sont atteintes.
Quand un appareil consomme-t-il le moins d’énergie ? Corriger lorsqu'il est éteint. Et s’il est impossible de mettre complètement l’appareil hors tension, mettons le module radio hors tension aussi longtemps qu’il n’est pas nécessaire. Il vous suffit d’abord de coordonner cela avec le réseau.
PSM (mode d'économie d'énergie) :
Le mode d'économie d'énergie PSM permet à l'appareil d'éteindre le module radio pendant une longue période, tout en restant enregistré dans le réseau, et de ne pas réinstaller le PDN à chaque fois qu'il a besoin de transmettre des données.
Pour informer le réseau que l'appareil est toujours disponible, il lance périodiquement une procédure de mise à jour - Tracking Area Update (TAU). La fréquence de cette procédure est fixée par le réseau à l'aide du temporisateur T3412 dont la valeur est transmise à l'appareil lors de la procédure Attach ou du prochain TAU. En LTE classique, la valeur par défaut de cette minuterie est de 54 minutes et la valeur maximale est de 186 minutes. Cependant, pour garantir une efficacité énergétique élevée, la nécessité de passer à l’antenne toutes les 186 minutes s’avère trop coûteuse. Le mécanisme PSM a été développé pour résoudre ce problème.
L'appareil active le mode PSM en transmettant les valeurs de deux temporisateurs T3324 et T3412-Extended dans les messages « Attach Request » ou « Tracking Area Request ». Le premier détermine la durée pendant laquelle l'appareil sera disponible après le passage en « Mode veille ». La seconde est le temps après lequel le TAU doit être effectué, seulement maintenant sa valeur peut atteindre 35712000 413 413 secondes ou XNUMX jours. En fonction des paramètres, le MME peut accepter les valeurs de minuterie reçues de l'appareil ou les modifier en envoyant de nouvelles valeurs dans les messages « Attach Accept » ou « Tracking Area Update Accept ». Désormais, l'appareil ne peut pas allumer le module radio pendant XNUMX jours et rester enregistré sur le réseau. En conséquence, nous réalisons d'énormes économies en ressources réseau et en efficacité énergétique des appareils !
Cependant, dans ce mode, l'appareil n'est pas disponible uniquement pour les communications entrantes. S'il est nécessaire de transmettre quelque chose vers le serveur d'applications, l'appareil peut quitter le PSM à tout moment et envoyer des données, après quoi il reste actif pendant le temporisateur T3324 pour recevoir des messages d'information de l'AS (le cas échéant).
eDRX (réception discontinue étendue) :
eDRX, réception intermittente améliorée. Pour transférer des données vers un appareil qui est en « Mode veille », le réseau effectue une procédure de notification - « Paging ». Dès réception d'un message de radiomessagerie, l'appareil lance l'établissement d'un SRB pour une communication ultérieure avec le réseau. Mais pour ne pas rater le message Paging qui lui est adressé, l'appareil doit surveiller en permanence l'air radio, ce qui est également assez énergivore.
eDRX est un mode dans lequel l'appareil ne reçoit pas constamment des messages du réseau, mais périodiquement. Lors des procédures Attach ou TAU, l'appareil convient avec le réseau des intervalles de temps pendant lesquels il « écoutera » la diffusion. En conséquence, la procédure de recherche de personnes sera effectuée aux mêmes intervalles. En mode eDRX, le fonctionnement de l'appareil est divisé en cycles (cycle eDRX). Au début de chaque cycle, il y a ce qu'on appelle une « fenêtre de pagination » (Paging Time Window, ci-après PTW) - c'est l'heure à laquelle l'appareil écoute la chaîne radio. A la fin du PTW, l'appareil éteint le module radio jusqu'à la fin du cycle.
HLCOM (communication à haute latence) :
S'il doit transférer des données vers la liaison montante, l'appareil peut quitter l'un ou l'autre de ces deux modes d'économie d'énergie sans attendre la fin du cycle PSM ou eDRX. Mais il n'est possible de transférer des données vers l'appareil que lorsqu'il est actif.
La fonctionnalité HLCOM ou communication à latence élevée est la mise en mémoire tampon des paquets de liaison descendante sur le SGW lorsque l'appareil est en mode d'économie d'énergie et n'est pas disponible pour la communication. Les paquets mis en mémoire tampon seront livrés dès que l'appareil quitte PSM en effectuant TAU ou en transmettant le trafic de liaison montante, ou lorsque PTW se produit.
Bien entendu, cela nécessite une prise de conscience de la part des développeurs de produits IoT, car la communication avec un appareil ne s'effectue pas en temps réel et nécessite une certaine approche dans la conception de la logique métier des applications.
En conclusion, disons : l’introduction de quelque chose de nouveau est toujours excitante, mais nous avons maintenant affaire à une norme qui n’a pas été entièrement testée, même par les « bisons » du monde, comme Vodafone et Telefonica – c’est donc doublement excitant. Notre présentation du matériel ne prétend pas être absolument complète, mais nous espérons qu'elle fournit une compréhension suffisante de la technologie. Nous apprécierions vos commentaires.
Auteur : Expert du Département des solutions convergentes et des services multimédias Alexey Lapshin
Source: habr.com