Zadnji put smo razgovarali o značajkama novog standarda NB-IoT s gledišta arhitekture mreže radio pristupa. Danas ćemo raspraviti što se promijenilo u jezgru mreže (Core Network) s NB-IoT. Krenimo.
U jezgru mreže došlo je do značajnih promjena. Počnimo od toga da je uveden novi element, kao i niz mehanizama koji su definirani standardom kao 'CIoT EPS Optimization' ili optimizacija matične mreže za mobilni Internet stvari.
Kao što je poznato, u mobilnim mrežama postoje dva osnovna komunikacijska kanala, koja se nazivaju Control Plane (CP) i User Plane (UP). Control Plane je namijenjen za razmjenu administrativnih poruka između različitih elemenata mreže i služi za osiguranje mobilnosti (Mobility management) uređaja (UE) i uspostavljanje/održavanje sesije prijenosa podataka (Session Management). User Plane je, zapravo, kanal za prijenos korisničkog prometa. U klasičnom LTE, raspodjela CP i UP kroz sučelja izgleda ovako:
Mehanizmi optimizacije CP i UP za NB-IoT ostvaruju se na čvorovima MME, SGW i PGW, koji su uvjetno objedinjeni u jedan element nazvan C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Također, standard predviđa pojavu novog elementa mreže — SCEF (Service Capability Exposure Function). Sučelje između MME i SCEF naziva se T6a i implementirano je na temelju protokola DIAMETER. Iako je DIAMETER signalni protokol, u NB-IoT je prilagođen za prijenos malih količina non-IP podataka.
Na temelju naziva, SCEF je čvor za izlaganje uslužnih mogućnosti. Drugim riječima, SCEF skriva složenost mreže operatora i oslobađa programere aplikacija od potrebe za identifikacijom i autentifikacijom mobilnih uređaja (UE), omogućujući aplikacijskim poslužiteljima (Application Server, dalje AS) da dobivaju podatke i upravljaju uređajima putem jedinstvenog API sučelja.
Identifikator UE više nije telefonski broj (MSISDN) ili IP adresa, kao što je to bio slučaj u klasične mreže 2G/3G/LTE, nego takozvani 'external ID', koji je definiran standardom u formatu koji programeri aplikacija poznaju ' @'. To je velika tema koja zaslužuje poseban materijal, pa o tome sada nećemo detaljno razgovarati.
Sada ćemo se pozabaviti najznačajnijim novinama. «CIoT EPS Optimizacija» je optimizacija mehanizama prenošenja prometa i upravljanja sesijama pretplatnika. Evo glavnih od njih:
- DoNAS
- NIDD
- Mehanizmi uštede energije PSM i eDRX
- HLCOM
DoNAS (Podaci preko NAS):
Ovo je mehanizam razvijen za optimizaciju prenošenja malih količina podataka.
U klasičnom LTE-u, pretplatnički uređaj prilikom registracije u mrežu uspostavlja PDN vezu (dalje PDN) putem eNodeB ka MME-SGW-PGW. Veza UE-eNodeB-MME je takozvani “Signaling Radio Bearer” (SRB). Kada je potrebno preneti/primiti podatke, UE uspostavlja još jednu vezu s eNodeB — “Data Radio Bearer” (DRB), za prenos korisničkog prometa ka SGW i dalje prema PGW (interfejsi S1-U i S5 prema tome). Nakon završetka razmene i u odsustvu prometa tokom određenog vremena (obično 5-20 sekundi), te veze se prekidaju i uređaj prelazi u stanje čekanja ili “Idle Mode”. Kada je potrebna razmena nove količine podataka, SRB i DRB se ponovo uspostavljaju.
U NB-IoT prenos korisničkog prometa može se vršiti kroz signalni kanal (SRB), u porukama NAS protokola (). Uspostavljanje DRB više nije potrebno. To značajno smanjuje signalno opterećenje, štedi radio resurse mreže i, što je najvažnije, produžava životni vek baterije uređaja.
Na delu eNodeB — MME, korisnički podaci počinju da se prenose preko interfejsa S1-MME, što nije bilo moguće u klasičnoj LTE tehnologiji, i za to se koristi NAS protokol, u kojem se pojavljuje “User data container”.
Za realizaciju prenosa “User Plane“ od MME ka SGW pojavljuje novi interfejs S11-U, koji je namenjen prenosu malih količina korisničkih podataka. U osnovi protokola S11-U leži GTP-U v1, koji se koristi za prenos User Plane i na drugim interfejsima 3GPP arhitekture.
NIDD (non-IP data delivery):
U okviru daljnje optimizacije mehanizama prenošenja malih količina podataka, pored već postojećih tipova PDN, kao što su IPv4, IPv6 i IPv4v6, pojavio se još jedan tip — non-IP. U ovom slučaju, UE ne dobija IP adresu, a podaci se prenose bez korišćenja IP protokola. Postoji nekoliko razloga za to:
- IoT uređaji, poput senzora, mogu prenositi vrlo male količine podataka, 20 bajtova, pa čak i manje. S obzirom da je minimalna veličina IP zaglavlja 20 bajtova, enkapsulacija u IP ponekad može biti prilično skupa.
- Nema potrebe za implementacijom IP stacka u čipu, što dovodi do smanjenja troškova (tema za raspravu u komentarima).
U suštini, IP adresa je potrebna IoT uređajima kako bi prenosili podatke putem interneta. U konceptu NB-IoT, SCEF djeluje kao jedinstvena točka povezivanja AS, a razmjena podataka između uređaja i aplikacijskih poslužitelja odvija se putem API-a. U nedostatku SCEF-a, non-IP podaci se mogu prenositi do AS-a putem Point-to-Point (PtP) tunela od PGW-a, a enkapsulacija u IP će se vršiti već na njemu.
Svi ovi aspekti se uklapaju u paradigmu NB-IoT — maksimalno pojednostavljenje i smanjenje troškova uređaja.
Mehanizmi uštede energije PSM i eDRX:
Jedna od ključnih prednosti LPWAN mreža je energetska učinkovitost. Navodi se da uređaj može raditi autonomno do 10 godina na jednoj bateriji. Proučimo kako se postižu takve vrijednosti.
Kada uređaj troši najmanje energije? Tačno, kada je isključen. I ako nije moguće potpuno isključiti uređaj, hajde da isključimo radio modul, dok on nije potreban. Samo je prethodno potrebno dogovoriti se s mrežom.
PSM (Power saving mode):
Režim uštede energije PSM omogućava uređaju da dugo isključuje radio modul, dok ostaje registriran u mreži i ne mora ponovno uspostavljati PDN svaki put kada je potrebno prenijeti podatke.
Kako bi mreža znala da je uređaj i dalje dostupan, periodično pokreće proceduru ažuriranja — Tracking Area Update (TAU). Učestalost ove procedure određuje mreža pomoću tajmera T3412, čija se vrijednost prenosi uređaju tokom procedure Attach ili sljedećeg TAU-a. U klasičnom LTE-u, zadana vrijednost ovog tajmera iznosi 54 minuta, a maksimalna 186 minuta. Međutim, za postizanje visoke energetske učinkovitosti, potreba za izlaskom u radio prostor svake 186 minuta — to je preskupa aktivnost. Ovim problemom bavio se mehanizam PSM.
Uređaj aktivira PSM režim šaljući u porukama "Attach Request" ili "Tracking Area Request" vrijednosti dva tajmera T3324 i T3412-Extended. Prvi određuje vrijeme koje će uređaj biti dostupan nakon prelaska u "Idle Mode". Drugi je vrijeme unutar kojeg treba izvršiti TAU, pri čemu njegova vrijednost sada može doseći 35712000 sekundi ili 413 dana. Ovisno o postavkama, MME može prihvatiti vrijednosti tajmera koje dobije od uređaja ili ih izmijeniti, šaljući nove vrijednosti u porukama "Attach Accept" ili "Tracking Area Update Accept". Sada uređaj može ne uključivati radio modul 413 dana i ostati registriran u mreži. Kao rezultat toga, postiže se ogromna ušteda resursa mreže i energetska učinkovitost uređaja!
Međutim, u ovom režimu uređaj nije dostupan samo za dolazne komunikacije. Ako je potrebno poslati nešto prema serveru aplikacija, uređaj može u bilo kojem trenutku izaći iz PSM-a i poslati podatke, ostajući nakon toga aktivan tijekom tajmera T3324 za primanje informativnih poruka od AS (ako takve postoje).
eDRX (prošireni prekidni prijem):
eDRX, prošireni režim prekidnog prijema. Da bi prenijela podatke na uređaj koji se nalazi u "Idle mode", mreža izvršava proceduru obavještavanja — "Paging". Kada primi paging, uređaj inicira uspostavljanje SRB-a za daljnju komunikaciju s mrežom. No kako ne bi propustio njemu upućen Paging, uređaj mora stalno nadzirati radijski spektar, što je također prilično energetski zahtjevno.
eDRX je režim u kojem uređaj ne prima poruke od mreže stalno, već povremeno. Tijekom procedura Attach ili TAU uređaj se dogovara s mrežom o vremenskim intervalima unutar kojih će "slušati" spektar. Prema tome, tijekom tih, sličnih vremenskih intervala će se izvoditi procedura Paging. U režimu eDRX rad uređaja je podijeljen u cikluse (eDRX ciklus). Na početku svakog ciklusa ide takozvano "prozor paging-a" (Paging Time Window, dalje PTW) — to je vrijeme u kojem uređaj sluša radijski kanal. Nakon PTW-a, uređaj isključuje radio modul do kraja ciklusa.
HLCOM (visoka latencija komunikacija):
Ako je potrebno prenijeti podatke, uređaj može izaći iz jednog od ova dva režima uštede energije bez čekanja na završetak PSM ili eDRX ciklusa. Međutim, podatke je moguće prenijeti na uređaj samo kada je aktivan.
Funkcionalnost HLCOM ili komunikacija s visokim kašnjenjima znači privremeno pohranjivanje Downlink paketa na SGW dok je uređaj u režimu uštede energije i nedostupan za komunikaciju. Pohranjeni paketi bit će isporučeni čim uređaj izađe iz PSM-a, izvrši TAU ili prenese Uplink promet, ili kada nastupi PTW.
Ovo svakako zahtijeva svijest od strane developera IoT proizvoda, budući da komunikacija s uređajem nije u stvarnom vremenu i zahtijeva posebni pristup za oblikovanje poslovne logike aplikacija.
Na kraju bismo rekli: implementacija noviteta uvijek je uzbudljiva, a sada imamo posla sa standardom koji nije ni približno isproban od strane svjetskih 'giganta', poput Vodafona i Telefonice – stoga je ovo dvostruko uzbudljivo. Naša prezentacija materijala ne pretendira na apsolutnu potpunost, ali se nadamo da pruža dovoljno razumijevanja tehnologije. Bit ćemo zahvalni na povratnim informacijama.
Autor: Stručnjak odjela konvergentnih rješenja i multimedijskih usluga Aleksej Lapšin
Izvor: habr.com
