La dernière fois, nous avons discuté des caractéristiques de la nouvelle norme NB-IoT du point de vue de l'architecture du réseau d'accès radio. Aujourd'hui, examinons ce qui a changé dans le noyau du réseau (Core Network) avec le NB-IoT. Allons-y.
Des changements significatifs ont eu lieu dans le noyau du réseau. Commençons par le fait qu'un nouvel élément a été introduit, ainsi qu'un certain nombre de mécanismes définis par la norme comme « CIoT EPS Optimization » ou l'optimisation de l'infrastructure pour l'internet mobile des objets.
Comme nous le savons, dans les réseaux mobiles, il existe deux canaux de communication principaux, appelés Control Plane (CP) et User Plane (UP). Le Control Plane est conçu pour l'échange de messages de service entre les différents éléments du réseau et sert à gérer la mobilité (Mobility management) des appareils (UE) et à établir / maintenir les sessions de transmission de données (Session Management). Le User Plane est, en fait, le canal de transmission du trafic utilisateur. Dans le LTE classique, la répartition du CP et du UP par les interfaces est la suivante :
Les mécanismes d'optimisation du CP et du UP pour le NB-IoT sont réalisés sur les nœuds MME, SGW et PGW, qui sont conditionnellement regroupés en un seul élément appelé C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). La norme prévoit également l'introduction d'un nouvel élément de réseau — SCEF (Service Capability Exposure Function). L'interface entre MME et SCEF est appelée T6a et est basée sur le protocole DIAMETER. Bien que DIAMETER soit un protocole de signalisation, dans le NB-IoT, il est adapté pour la transmission de petits volumes de données non-IP.
D'après le nom, SCEF est un nœud d'exposition des capacités de service. En d'autres termes, SCEF masque la complexité du réseau de l'opérateur et soulage les développeurs d'applications de l'identification et de l'authentification des appareils mobiles (UE), en permettant aux serveurs d'applications (Application Server, AS) d'accéder aux données et de gérer les appareils via une interface API unique.
L'identifiant de l'UE ne devient pas un numéro de téléphone (MSISDN) ou une adresse IP, comme c'était le cas dans les réseaux classiques 2G/3G/LTE, mais le soi-disant « external ID », qui est défini par la norme dans un format familier pour les développeurs d'applications « @ ». C'est un sujet vaste qui mérite un document séparé, donc nous n'en parlerons pas en détail maintenant.
Examinons maintenant les innovations les plus significatives. «CIoT EPS Optimization» est l'optimisation des mécanismes de transmission de trafic et de gestion des sessions abonnés. Voici les principaux d'entre eux :
- DoNAS
- NIDD
- Mécanismes d'économie d'énergie PSM et eDRX
- HLCOM
DoNAS (Données sur NAS) :
Il s'agit d'un mécanisme conçu pour optimiser la transmission de petites quantités de données.
Dans le LTE classique, un appareil abonné, lors de son enregistrement dans le réseau, établit une connexion PDN (ci-après PDN) via eNodeB vers MME-SGW-PGW. La connexion UE-eNodeB-MME est ce que l'on appelle un «Signaling Radio Bearer» (SRB). Lorsque des données doivent être envoyées/recueillies, l'UE établit une autre connexion avec eNodeB — un «Data Radio Bearer» (DRB), pour transmettre le trafic utilisateur vers SGW et ensuite vers PGW (interfaces S1-U et S5 respectivement). À la fin de l'échange et en l'absence de trafic pendant un certain temps (généralement 5 à 20 secondes), ces connexions sont rompues et l'appareil passe en mode veille ou «Idle Mode». En cas de nécessité d'échanger une nouvelle série de données, SRB et DRB sont réétablis.
Dans le NB-IoT, la transmission de trafic utilisateur peut avoir lieu via le canal de signalisation (SRB), dans les messages du protocole NAS (). L'établissement de DRB n'est plus requis. Cela réduit considérablement la charge de signalisation, économise les ressources radio du réseau et, ce qui est le plus important, prolonge la durée de vie de la batterie de l'appareil.
Sur le segment 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 utilise à cet effet le protocole NAS, dans lequel apparaît le «User data container».
Pour effectuer la transmission de «User Plane» de MME vers SGW, une nouvelle interface S11-U apparaît, qui est destinée à la transmission de petites quantités de données utilisateur. Le protocole S11-U repose sur GTP-U v1, utilisé pour la transmission de User Plane sur d'autres interfaces de l'architecture réseau 3GPP.
NIDD (livraison de données non-IP) :
Dans le cadre d'une optimisation supplémentaire des mécanismes de transmission de petites quantités de données, en plus des types de PDN déjà existants comme IPv4, IPv6 et IPv4v6, un nouveau type est apparu — 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 dispositifs IoT, tels que les capteurs, peuvent transmettre de très petites quantités de données, 20 octets ou même moins. Étant donné que la taille minimale de l'en-tête IP est de 20 octets, l'encapsulation dans IP peut parfois être un plaisir assez coûteux.
- Il n'est pas nécessaire d'implémenter une pile IP dans la puce, ce qui conduit à une réduction de coût (sujet à discussion dans les commentaires).
En gros, l'adresse IP est nécessaire pour les dispositifs IoT afin de transmettre des données par Internet. Dans le concept de NB-IoT, SCEF joue le rôle de point de connexion unique pour AS, et l'échange de données entre les dispositifs et les serveurs d'applications se fait via API. En l'absence de SCEF, les données non-IP peuvent être transmises à AS via un tunnel Point-to-Point (PtP) depuis PGW, et l'encapsulation dans IP sera effectuée à ce moment-là.
Tout cela s'inscrit dans la philosophie du NB-IoT : simplification maximale et réduction des coûts des dispositifs.
Mécanismes d'économie d'énergie PSM et eDRX :
Un des principaux avantages des réseaux LPWAN est leur efficacité énergétique. Il est affirmé qu'un dispositif peut fonctionner jusqu'à 10 ans sur une seule batterie. Voyons comment ces chiffres sont atteints.
Quand un dispositif consomme-t-il le moins d'énergie ? Exactement, lorsqu'il est éteint. Et si on ne peut pas complètement éteindre le dispositif, éteignons le module radio pendant le temps où il n'est pas nécessaire. Mais cela doit d'abord être coordonné avec le réseau.
PSM (Mode d'économie d'énergie) :
Le mode d'économie d'énergie PSM permet au dispositif d'éteindre son module radio pendant une longue période tout en restant enregistré sur le réseau, sans avoir à rétablir le PDN à chaque fois qu'il doit transmettre des données.
Pour que le réseau sache que le dispositif est toujours disponible, il initie périodiquement une procédure de mise à jour — Tracking Area Update (TAU). La fréquence de cette procédure est déterminée par le réseau à l'aide d'un minuteur T3412, dont la valeur est transmise au dispositif lors de la procédure d'attachement ou du TAU suivant. Dans le LTE classique, la valeur par défaut de ce minuteur est de 54 minutes, et la durée maximale est de 186 minutes. Cependant, pour assurer une haute efficacité énergétique, le besoin de sortir dans l'air radio toutes les 186 minutes est un plaisir trop coûteux. C'est pour résoudre ce problème que le mécanisme PSM a été développé.
L'appareil active le mode PSM en transmettant dans les messages « Attach Request » ou « Tracking Area Request » les valeurs de deux timers T3324 et T3412-Extended. Le premier définit le temps pendant lequel l'appareil sera accessible après être passé en « Idle Mode ». Le second est le temps au bout duquel une TAU doit être effectuée, et sa valeur peut maintenant atteindre 35712000 secondes ou 413 jours. En fonction des paramètres, le MME peut accepter les valeurs des timers reçues de l'appareil ou les modifier en transmettant de nouvelles valeurs dans les messages « Attach Accept » ou « Tracking Area Update Accept ». L'appareil peut désormais ne pas activer son module radio pendant 413 jours tout en restant enregistré sur le réseau. Cela permet une énorme économie de ressources réseau et une efficacité énergétique des appareils !
Cependant, en mode PSM, l'appareil n'est pas accessible aux communications entrantes. Si des données doivent être transmises vers le serveur applicatif, l'appareil peut à tout moment sortir du PSM et envoyer les données, restant actif ensuite pendant le temps du timer T3324 pour recevoir des messages d'information de l'AS (s'il y en a).
eDRX (réception discontinue étendue) :
eDRX, mode étendu de réception discontinue. Pour transmettre des données à un appareil en « Idle mode », le réseau effectue une procédure d'alerte — « Paging ». Lorsque l'appareil reçoit le paging, il initie l'établissement d'un SRB pour une communication ultérieure avec le réseau. Cependant, pour ne pas manquer un message Paging qui lui est adressé, l'appareil doit surveiller en permanence l'air, ce qui est également assez énergivore.
eDRX est un mode où l'appareil reçoit des messages du réseau de manière périodique et non constante. Lors des procédures d'Attach ou de TAU, l'appareil négocie avec le réseau les intervalles pendant lesquels il écoutera l'air. Ainsi, la procédure Paging se déroulera pendant ces intervalles. En mode eDRX, le fonctionnement de l'appareil est divisé en cycles (cycle eDRX). Au début de chaque cycle se trouve ce qu'on appelle une « fenêtre de paging » (Paging Time Window, PTW) — c'est le temps pendant lequel l'appareil écoute le canal radio. À la fin de la PTW, l'appareil désactive son module radio jusqu'à la fin du cycle.
HLCOM (communication à forte latence) :
Si nécessaire, pour transmettre des données au Uplink, l'appareil peut sortir de l'un de ces deux modes d'économie d'énergie sans attendre la fin du cycle PSM ou eDRX. Cependant, il est possible de transmettre des données à l'appareil uniquement lorsqu'il est actif.
La fonctionnalité HLCOM ou communication à haute latence est le tamponnement des paquets Downlink sur SGW pendant que l'appareil est en mode d'économie d'énergie et inaccessible à la communication. Les paquets tamponnés seront livrés dès que l'appareil sortira de PSM, effectuera un TAU ou transmettra du trafic Uplink, ou lorsque le PTW interviendra.
Cela nécessite sans aucun doute une prise de conscience de la part des développeurs de produits IoT, car la communication avec l'appareil ne se fait pas en temps réel et nécessite une approche particulière pour construire la logique métier des applications.
En conclusion, disons que l'implémentation du nouveau standard est toujours captivante, et nous sommes maintenant confrontés à une norme qui n'est même pas totalement testée par les 'géants' mondiaux, tels que Vodafone et Telefonica - c'est donc d'autant plus fascinant. Notre présentation du sujet ne prétend pas à une exhaustivité absolue, mais nous espérons qu'elle fournit une compréhension suffisante de la technologie. Nous apprécierions vos retours.
Auteur : Alexey Lapshin, Expert en solutions convergentes et services multimédias
Source : habr.com
