Prošli put smo govorili o značajkama novog NB-IoT standarda sa stajališta arhitekture radio pristupne mreže. Danas ćemo razgovarati o tome što se promijenilo u jezgrenoj mreži pod NB-IoT. Pa, idemo.
Došlo je do značajnih promjena u jezgri mreže. Počnimo s činjenicom da se pojavio novi element, kao i niz mehanizama, koji su standardom definirani kao “CIoT EPS Optimization” ili optimizacija jezgrene mreže za mobilni internet stvari.
Kao što znate, u mobilnim mrežama postoje dva glavna komunikacijska kanala, nazvana Control Plane (CP) i User Plane (UP). Control Plane je namijenjen za razmjenu servisnih poruka između različitih mrežnih elemenata i koristi se 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-u, distribucija CP i UP preko sučelja je sljedeća:
CP i UP optimizacijski mehanizmi za NB-IoT implementirani su na MME, SGW i PGW čvorovima, koji su konvencionalno kombinirani u jedan element nazvan C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Standard također pretpostavlja pojavu novog mrežnog elementa - SCEF (Service Capability Exposure Function). Sučelje između MME i SCEF naziva se T6a i implementirano je na temelju DIAMETER protokola. Unatoč činjenici da je DIAMETER signalizacijski protokol, u NB-IoT je prilagođen za prijenos malih količina ne-IP podataka.
Kao što mu ime govori, SCEF je čvor za izlaganje mogućnosti usluge. Drugim riječima, SCEF skriva složenost mreže operatera, a također oslobađa programere aplikacija potrebe za identifikacijom i autentifikacijom mobilnih uređaja (UE), omogućujući aplikacijskim poslužiteljima (Application Server, u daljnjem tekstu AS) primanje podataka i upravljanje uređajima putem jednog API sučelje.
UE identifikator postaje ne telefonski broj (MSISDN) ili IP adresa, kao što je to bio slučaj u klasičnoj 2G/3G/LTE mreži, već tzv. “vanjski ID”, koji je definiran standardom u formatu poznatom programerima aplikacija “ @ " Ovo je zasebna velika tema koja zaslužuje poseban materijal, pa o njoj sada nećemo govoriti u detalje.
Sada pogledajmo najznačajnije inovacije. “CIoT EPS Optimizacija” je optimizacija mehanizama prijenosa prometa i upravljanja pretplatničkim sesijama. Evo glavnih:
- DoNAS
- NIDD
- PSM i eDRX mehanizmi za uštedu energije
- HLCOM
DoNAS (Podaci preko NAS-a):
Ovo je mehanizam osmišljen za optimizaciju prijenosa malih količina podataka.
U klasičnom LTE-u, pretplatnički uređaj prilikom prijave u mrežu uspostavlja PDN vezu (u daljnjem tekstu PDN) putem eNodeB-a na MME-SGW-PGW. Veza UE-eNodeB-MME je takozvani "Signaling Radio Bearer" (SRB). Ako je potrebno odašiljati/primati podatke, UE uspostavlja drugu vezu s eNodeB - “Data Radio Bearer” (DRB), za prijenos korisničkog prometa na SGW i dalje na PGW (sučelja S1-U i S5, redom) . Na kraju razmjene i ako nema prometa neko vrijeme (obično 5-20 sekundi), ove veze se prekidaju i uređaj prelazi u stanje pripravnosti ili “Idle Mode”. Ako je potrebno razmijeniti novi dio podataka, SRB i DRB se resetiraju.
U NB-IoT prijenos korisničkog prometa može se provoditi putem signalizacijskog kanala (SRB), u porukama NAS protokola (). Postavljanje DRB-a više nije potrebno. To značajno smanjuje opterećenje signalom, štedi mrežne radio resurse i, što je najvažnije, produljuje vijek trajanja baterije uređaja.
U dijelu eNodeB - MME korisnički podaci počinju se prenositi preko S1-MME sučelja, što nije bio slučaj u klasičnoj LTE tehnologiji, a za to se koristi NAS protokol u kojem se pojavljuje “User data container”.
Da bi se izvršio prijenos "Korisničke ravnine" iz MME u SGW, pojavljuje se novo sučelje S11-U, koje je dizajnirano za prijenos malih količina korisničkih podataka. Protokol S11-U temelji se na GTP-U v1, koji se koristi za prijenos User Plane na ostalim mrežnim sučeljima 3GPP arhitekture.
NIDD (dostava podataka bez IP-a):
U sklopu daljnje optimizacije mehanizama za prijenos malih količina podataka, uz već postojeće tipove PDN-a, kao što su IPv4, IPv6 i IPv4v6, pojavio se još jedan tip - non-IP. U tom slučaju UE-u nije dodijeljena IP adresa i podaci se prenose bez korištenja IP protokola. Nekoliko je razloga za to:
- IoT uređaji poput senzora mogu prenijeti vrlo male količine podataka, 20 bajtova ili manje. S obzirom da je minimalna veličina IP zaglavlja 20 bajtova, IP enkapsulacija ponekad može biti prilično skupa;
- Nema potrebe implementirati IP stog na čipu, što dovodi do njihovog smanjenja troškova (pitanje za raspravu u komentarima).
Uglavnom, IP adresa je neophodna za IoT uređaje za prijenos podataka putem Interneta. U NB-IoT konceptu, SCEF djeluje kao jedna AS spojna točka, a razmjena podataka između uređaja i aplikacijskih poslužitelja odvija se putem API-ja. U nedostatku SCEF-a, ne-IP podaci mogu se prenijeti u AS preko Point-to-Point (PtP) tunela iz PGW-a i na njima će se izvršiti IP enkapsulacija.
Sve se to uklapa u paradigmu NB-IoT – maksimalno pojednostavljenje i pojeftinjenje uređaja.
PSM i eDRX mehanizmi za uštedu energije:
Jedna od ključnih prednosti LPWAN mreža je energetska učinkovitost. Za uređaj se tvrdi da traje do 10 godina trajanja baterije na jednoj bateriji. Hajde da shvatimo kako se postižu takve vrijednosti.
Kada uređaj troši najmanje energije? Ispravite kada je isključen. A ako je nemoguće potpuno isključiti uređaj iz struje, isključimo radio modul sve dok nije potreban. Samo prvo to trebate uskladiti s mrežom.
PSM (način uštede energije):
PSM način rada za uštedu energije omogućuje uređaju da isključi radio modul na duže vrijeme, dok ostaje registriran u mreži, a ne da ponovno instalira PDN svaki put kada treba prenijeti podatke.
Kako bi mreža znala da je uređaj još uvijek dostupan, povremeno pokreće postupak ažuriranja - Tracking Area Update (TAU). Učestalost ovog postupka postavlja mreža pomoću mjerača vremena T3412, čija se vrijednost prenosi na uređaj tijekom postupka pričvršćivanja ili sljedećeg TAU-a. U klasičnom LTE-u zadana vrijednost ovog timera je 54 minute, a maksimalna 186 minuta. Međutim, da bi se osigurala visoka energetska učinkovitost, potreba za emitiranjem svakih 186 minuta je preskupa. Za rješavanje ovog problema razvijen je PSM mehanizam.
Uređaj aktivira PSM način rada odašiljanjem vrijednosti dvaju mjerača vremena T3324 i T3412-Extended u porukama “Attach Request” ili “Tracking Area Request”. Prvi određuje vrijeme u kojem će uređaj biti dostupan nakon prebacivanja u "Idle Mode". Drugo je vrijeme nakon kojeg se mora napraviti TAU, samo što sada njegova vrijednost može doseći 35712000 sekundi ili 413 dana. Ovisno o postavkama, MME može prihvatiti vrijednosti timera primljene od uređaja ili ih promijeniti slanjem novih vrijednosti u porukama "Priloži prihvati" ili "Prihvati ažuriranje područja praćenja". Sada uređaj ne može uključiti radio modul 413 dana i ostati registriran u mreži. Kao rezultat toga dobivamo enormne uštede u mrežnim resursima i energetskoj učinkovitosti uređaja!
Međutim, u ovom načinu rada uređaj nije dostupan samo za dolazne komunikacije. Ako je potrebno nešto poslati prema aplikacijskom poslužitelju, uređaj može izaći iz PSM-a u bilo kojem trenutku i poslati podatke, nakon čega ostaje aktivan tijekom T3324 timera za primanje informativnih poruka od AS-a (ako postoji).
eDRX (produženi diskontinuirani prijem):
eDRX, poboljšani isprekidani prijem. Za prijenos podataka na uređaj koji je u "Idle modu", mreža izvodi postupak obavijesti - "Paging". Po primitku dojavljivanja, uređaj inicira uspostavu SRB-a za daljnju komunikaciju s mrežom. Ali kako ne bi propustio Pejdžing poruku koja mu je upućena, uređaj mora stalno pratiti radijski eter, što je također prilično trošno.
eDRX je način rada u kojem uređaj ne prima poruke s mreže stalno, već periodički. Tijekom postupaka Attach ili TAU, uređaj dogovara s mrežom vremenske intervale tijekom kojih će “slušati” emitiranje. Sukladno tome, Paging postupak će se izvoditi u istim intervalima. U eDRX modu rad uređaja je podijeljen u cikluse (eDRX ciklus). Na početku svakog ciklusa postoji takozvani "prozor za paging" (Paging Time Window, u daljnjem tekstu PTW) - to je vrijeme u kojem uređaj sluša radio kanal. Na kraju PTW, uređaj isključuje radio modul do kraja ciklusa.
HLCOM (komunikacija s velikim kašnjenjem):
Ako treba prenijeti podatke na Uplink, uređaj može izaći iz bilo kojeg od ova dva načina rada za uštedu energije bez čekanja da se završi PSM ili eDRX ciklus. Ali moguće je prenijeti podatke na uređaj samo kada je aktivan.
Funkcionalnost HLCOM-a ili komunikacija visoke latencije je spremanje u međuspremnik paketa Downlink na SGW-u dok je uređaj u načinu rada za uštedu energije i nije dostupan za komunikaciju. Paketi u međuspremniku isporučuju se čim uređaj izađe iz PSM-a izvršavanjem TAU ili prosljeđivanjem Uplink prometa ili kada se dogodi PTW.
Za to je, naravno, potrebna svijest programera IoT proizvoda, budući da se komunikacija s uređajem ne ostvaruje u stvarnom vremenu i zahtijeva određeni pristup osmišljavanju poslovne logike aplikacija.
Zaključno, recimo: uvođenje nečeg novog uvijek je uzbudljivo, ali sada imamo posla sa standardom koji nisu do kraja ispitali ni svjetski “bizoni”, poput Vodafona i Telefonice – stoga je dvostruko uzbudljivo. Naša prezentacija materijala ne pretendira biti potpuno potpuna, ali se nadamo da pruža dovoljno razumijevanja tehnologije. Cijenili bismo vaše povratne informacije.
Autor: stručnjak Odjela za konvergentna rješenja i multimedijske usluge Alexey Lapshin
Izvor: www.habr.com