A última vez falamos das características do novo estándar NB-IoT desde o punto de vista da arquitectura de rede de acceso por radio. Hoxe discutiremos o que cambiou na rede principal baixo NB-IoT. Entón, imos.
Houbo cambios significativos no núcleo da rede. Comecemos co feito de que apareceu un novo elemento, así como unha serie de mecanismos, que son definidos polo estándar como "CIoT EPS Optimization" ou optimización da rede principal para a Internet móbil das cousas.
Como sabedes, nas redes móbiles existen dúas canles de comunicación principais, denominadas Plano de Control (CP) e Plano de Usuario (UP). Control Plane está pensado para o intercambio de mensaxes de servizo entre varios elementos de rede e úsase para garantir a mobilidade (Xestión de mobilidade) dos dispositivos (UE) e establecer/manter unha sesión de transmisión de datos (Xestión de sesións). User Plane é, de feito, unha canle para transmitir tráfico de usuarios. No LTE clásico, a distribución de CP e UP entre interfaces é a seguinte:
Os mecanismos de optimización CP e UP para NB-IoT están implementados en nós MME, SGW e PGW, que se combinan convencionalmente nun único elemento chamado C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). O estándar tamén supón a aparición dun novo elemento de rede - SCEF (función de exposición á capacidade de servizo). A interface entre MME e SCEF chámase T6a e está implementada baseándose no protocolo DIAMETER. A pesar de que DIAMETER é un protocolo de sinalización, en NB-IoT está adaptado para a transmisión de pequenas cantidades de datos non IP.
Como o seu nome indica, SCEF é un nodo de exhibición de capacidade de servizo. Noutras palabras, SCEF oculta a complexidade da rede do operador, e tamén alivia aos desenvolvedores de aplicacións da necesidade de identificar e autenticar dispositivos móbiles (UE), permitindo aos servidores de aplicacións (Servidor de aplicacións, en diante AS) recibir datos e xestionar dispositivos a través dun único dispositivo. Interface API.
O identificador da UE non pasa a ser un número de teléfono (MSISDN) nin un enderezo IP, como era o caso da clásica rede 2G/3G/LTE, senón o chamado "ID externo", que é definido polo estándar no formato familiar. aos desenvolvedores de aplicacións" @ " Este é un gran tema separado que merece material separado, polo que non o falaremos en detalle agora.
Agora vexamos as novidades máis significativas. "CIoT EPS Optimization" é a optimización dos mecanismos de transmisión de tráfico e a xestión de sesións de subscritores. Aquí están os principais:
- DoNAS
- NIDD
- Mecanismos de aforro de enerxía PSM e eDRX
- HLCOM
DoNAS (datos sobre NAS):
Este é un mecanismo deseñado para optimizar a transferencia de pequenas cantidades de datos.
No LTE clásico, ao rexistrarse na rede, un dispositivo de abonado establece unha conexión PDN (en diante, PDN) a través de eNodeB ao MME-SGW-PGW. A conexión UE-eNodeB-MME é o chamado "Signaling Radio Bearer" (SRB). Se é necesario transmitir/recibir datos, o UE establece outra conexión co eNodeB - "Data Radio Bearer" (DRB), para transmitir o tráfico de usuarios ao SGW e máis adiante ao PGW (interfaces S1-U e S5, respectivamente) . Ao final do intercambio e se non hai tráfico durante algún tempo (normalmente 5-20 segundos), estas conexións finalizan e o dispositivo pasa ao modo de espera ou "Modo inactivo". Se é necesario intercambiar unha nova parte de datos, SRB e DRB restablecen.
En NB-IoT, a transmisión do tráfico de usuarios pódese realizar a través dunha canle de sinalización (SRB), en mensaxes de protocolo NAS (). Xa non é necesario configurar un DRB. Isto reduce significativamente a carga de sinal, aforra recursos de radio da rede e, o máis importante, prolonga a vida útil da batería do dispositivo.
Na sección eNodeB - MME, os datos do usuario comezan a transmitirse pola interface S1-MME, cousa que non era o caso da tecnoloxía LTE clásica, e para iso utilízase o protocolo NAS, no que aparece o "Contedor de datos de usuario".
Para realizar a transferencia de "Plan de usuario" de MME a SGW, aparece unha nova interface S11-U, que está deseñada para a transferencia de pequenas cantidades de datos de usuario. O protocolo S11-U está baseado en GTP-U v1, que se usa para a transmisión do plano de usuario noutras interfaces de rede da arquitectura 3GPP.
NIDD (entrega de datos non IP):
Como parte da optimización adicional dos mecanismos para transmitir pequenas cantidades de datos, ademais dos tipos PDN xa existentes, como IPv4, IPv6 e IPv4v6, apareceu outro tipo: non IP. Neste caso, ao UE non se lle asigna un enderezo IP e os datos transmítense sen utilizar o protocolo IP. Hai varias razóns para iso:
- Os dispositivos IoT como sensores poden transmitir cantidades moi pequenas de datos, 20 bytes ou menos. Dado que o tamaño mínimo da cabeceira IP é de 20 bytes, a encapsulación IP ás veces pode ser bastante cara;
- Non hai necesidade de implementar unha pila IP no chip, o que leva á redución do seu custo (unha pregunta para discutir nos comentarios).
En xeral, un enderezo IP é necesario para que os dispositivos IoT transmitan datos a través de Internet. No concepto NB-IoT, o SCEF actúa como un único punto de conexión AS e o intercambio de datos entre dispositivos e servidores de aplicacións prodúcese a través da API. En ausencia de SCEF, os datos non IP pódense transmitir ao AS a través dun túnel punto a punto (PtP) desde o PGW e realizarase a encapsulación IP nel.
Todo isto encaixa no paradigma NB-IoT: máxima simplificación e redución do custo dos dispositivos.
Mecanismos de aforro de enerxía PSM e eDRX:
Unha das principais vantaxes das redes LPWAN é a eficiencia enerxética. Afirma que o dispositivo dura ata 10 anos de duración da batería cunha soa batería. Imos descubrir como se conseguen eses valores.
Cando menos enerxía consume un dispositivo? Corrixe cando estea apagado. E se é imposible desactivar completamente o dispositivo, desactivamos o módulo de radio mentres non sexa necesario. Só tes que coordinar isto coa rede primeiro.
PSM (modo de aforro de enerxía):
O modo de aforro de enerxía PSM permite que o dispositivo apague o módulo de radio durante moito tempo, mentres permanece rexistrado na rede, e non reinstalar o PDN cada vez que necesite transmitir datos.
Para que a rede saiba que o dispositivo aínda está dispoñible, inicia periodicamente un procedemento de actualización: Actualización da área de seguimento (TAU). A frecuencia deste procedemento é definida pola rede mediante o temporizador T3412, cuxo valor se transmite ao dispositivo durante o procedemento de conexión ou a seguinte TAU. No LTE clásico, o valor predeterminado deste temporizador é de 54 minutos e o máximo é de 186 minutos. Non obstante, para garantir unha alta eficiencia enerxética, a necesidade de saír ao aire cada 186 minutos é demasiado cara. O mecanismo PSM desenvolveuse para resolver este problema.
O dispositivo activa o modo PSM transmitindo os valores de dous temporizadores T3324 e T3412-Extended nas mensaxes "Achegar solicitude" ou "Solicitude de área de seguimento". O primeiro determina o tempo en que o dispositivo estará dispoñible despois de cambiar ao "Modo inactivo". O segundo é o tempo despois do que hai que facer o TAU, só que agora o seu valor pode chegar aos 35712000 segundos ou 413 días. Dependendo da configuración, o MME pode aceptar os valores do temporizador recibidos do dispositivo ou cambialos enviando novos valores nas mensaxes "Anexar Aceptar" ou "Aceptar actualización da área de seguimento". Agora o dispositivo non pode acender o módulo de radio durante 413 días e permanecer rexistrado na rede. Como resultado, conseguimos un enorme aforro en recursos de rede e eficiencia enerxética dos dispositivos.
Non obstante, neste modo o dispositivo non está dispoñible só para comunicacións entrantes. Se é necesario transmitir algo cara ao servidor de aplicacións, o dispositivo pode saír do PSM en calquera momento e enviar datos, despois de que permanece activo durante o temporizador T3324 para recibir mensaxes de información do AS (se hai).
eDRX (recepción discontinua estendida):
eDRX, Recepción intermitente mellorada. Para transferir datos a un dispositivo que está en "modo inactivo", a rede realiza un procedemento de notificación: "Paging". Ao recibir unha busca, o dispositivo inicia o establecemento dun SRB para unha maior comunicación coa rede. Pero para non perder a mensaxe de Paging dirixida a el, o dispositivo debe controlar constantemente o aire da radio, que tamén consume bastante enerxía.
eDRX é un modo no que o dispositivo non recibe mensaxes da rede de forma constante, senón periodicamente. Durante os procedementos de conexión ou TAU, o dispositivo acorda coa rede os intervalos de tempo durante os que "escoitará" a emisión. En consecuencia, o procedemento de Paging realizarase nos mesmos intervalos. No modo eDRX, o funcionamento do dispositivo divídese en ciclos (ciclo eDRX). Ao comezo de cada ciclo hai unha chamada "xanela de paginación" (Paging Time Window, en diante PTW) - este é o tempo que o dispositivo escoita a canle de radio. Ao final do PTW, o dispositivo apaga o módulo de radio ata o final do ciclo.
HLCOM (comunicación de alta latencia):
Se precisa transferir datos a Uplink, o dispositivo pode saír de calquera destes dous modos de aforro de enerxía sen esperar a que se complete o ciclo PSM ou eDRX. Pero é posible transferir datos ao dispositivo só cando estea activo.
A funcionalidade HLCOM ou a comunicación de alta latencia é o almacenamento en búfer dos paquetes de enlace descendente no SGW mentres o dispositivo está en modo de aforro de enerxía e non está dispoñible para a comunicación. Os paquetes almacenados en búfer entregaranse tan pronto como o dispositivo saia de PSM facendo TAU ou pasando tráfico de Uplink, ou cando se produza PTW.
Isto, por suposto, require conciencia por parte dos desenvolvedores de produtos IoT, xa que a comunicación cun dispositivo non se logra en tempo real e require un certo enfoque para deseñar a lóxica empresarial das aplicacións.
En conclusión, digamos: a introdución de algo novo sempre é emocionante, pero agora estamos ante un estándar que non foi totalmente probado nin os "bisontes" do mundo, como Vodafone e Telefónica, polo que é dobremente emocionante. A nosa presentación do material non pretende ser absolutamente completa, pero esperamos que proporcione unha comprensión suficiente da tecnoloxía. Agradeceríamos os teus comentarios.
Autor: Experto do Departamento de Solucións Converxentes e Servizos Multimedia Alexey Lapshin
Fonte: www.habr.com