L'ultima volta abbiamo parlato delle peculiarità del nuovo standard NB-IoT dal punto di vista dell'architettura della rete di accesso radio. Oggi riflettiamo su cosa è cambiato nel nucleo della rete (Core Network) con NB-IoT. Quindi, partiamo.
Nel nucleo della rete ci sono stati cambiamenti significativi. Iniziamo con il fatto che è stato introdotto un nuovo elemento, oltre a una serie di meccanismi definiti dallo standard come "CIoT EPS Optimization" o ottimizzazione della rete di supporto per l'Internet delle cose cellulare.
Come è noto, nelle reti mobili esistono due canali di comunicazione principali, chiamati Control Plane (CP) e User Plane (UP). Il Control Plane è destinato allo scambio di messaggi di segnalazione tra diversi elementi della rete e serve a garantire la mobilità (Mobility management) dei dispositivi (UE) e a stabilire/mantenere sessioni di trasmissione dati (Session Management). L'User Plane è, appunto, il canale di trasmissione del traffico utente. Nella tradizionale rete LTE, la distribuzione di CP e UP attraverso le interfacce appare come segue:
I meccanismi di ottimizzazione di CP e UP per NB-IoT sono implementati sui nodi MME, SGW e PGW, che sono convenzionalmente combinati in un unico elemento chiamato C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Inoltre, lo standard prevede l'introduzione di un nuovo elemento di rete: SCEF (Service Capability Exposure Function). L'interfaccia tra MME e SCEF si chiama T6a ed è realizzata sulla base del protocollo DIAMETER. Sebbene DIAMETER sia un protocollo di segnalazione, in NB-IoT è adattato per la trasmissione di piccoli volumi di dati non-IP.
Dallo stesso nome, SCEF è un nodo per l'esposizione delle capacità di servizio. In altre parole, SCEF nasconde la complessità della rete dell'operatore e solleva gli sviluppatori di applicazioni dalla necessità di identificare e autenticare i dispositivi mobili (UE), offrendo ai server di applicazioni (Application Server, AS) la possibilità di ricevere dati e gestire i dispositivi attraverso un'unica interfaccia API.
L'identificatore dell'UE non è più il numero di telefono (MSISDN) o l'indirizzo IP, come avveniva nella rete tradizionale 2G/3G/LTE, ma il cosiddetto "external ID", definito dallo standard nel formato abituale per gli sviluppatori di applicazioni "@". Questo è un argomento ampio, che merita un approfondimento, quindi non ne parleremo ora.
Ora analizziamo le innovazioni più significative. «CIoT EPS Optimization» è l'ottimizzazione dei meccanismi di trasmissione del traffico e gestione delle sessioni degli utenti. Ecco i principali:
- DoNAS
- NIDD
- Meccanismi di risparmio energetico PSM ed eDRX
- HLCOM
DoNAS (Data over NAS):
È un meccanismo progettato per ottimizzare la trasmissione di piccole quantità di dati.
Nel classico LTE, il dispositivo mobile stabilisce una connessione PDN (di seguito PDN) tramite eNodeB a MME-SGW-PGW al momento della registrazione nella rete. La connessione UE-eNodeB-MME è il cosiddetto “Signaling Radio Bearer” (SRB). Quando è necessario inviare/ricevere dati, l’UE stabilisce un ulteriore collegamento con l’eNodeB — “Data Radio Bearer” (DRB), per la trasmissione del traffico utente allo SGW e quindi al PGW (interfacce S1-U e S5 rispettivamente). Al termine dello scambio e in assenza di traffico per un certo periodo (di solito 5-20 secondi), queste connessioni vengono interrotte e il dispositivo passa in modalità di attesa o “Idle Mode”. Se è necessario scambiare un nuovo pacchetto di dati, SRB e DRB vengono ristabiliti.
In NB-IoT, la trasmissione del traffico utente può avvenire attraverso il canale di segnalazione (SRB), nei messaggi del protocollo NAS (). L'instaurazione del DRB non è più necessaria. Ciò riduce significativamente il carico di segnalazione, risparmia risorse radio della rete e, cosa più importante, prolunga la vita della batteria del dispositivo.
Nel segmento eNodeB — MME, i dati dell’utente iniziano a essere trasmessi tramite l'interfaccia S1-MME, cosa non presente nella tecnologia LTE classica, e per questo viene utilizzato il protocollo NAS, in cui compare il “User data container”.
Per realizzare la trasmissione del “User Plane” dall'MME allo SGW, compare una nuova interfaccia S11-U, progettata per trasmettere piccole quantità di dati utente. Alla base del protocollo S11-U c'è GTP-U v1, che è utilizzato per la trasmissione del User Plane anche su altre interfacce dell'architettura 3GPP.
NIDD (non-IP data delivery):
Nell'ambito di una maggiore ottimizzazione dei meccanismi di trasmissione di piccole quantità di dati, oltre ai tipi di PDN già esistenti, come IPv4, IPv6 e IPv4v6, è stato introdotto un ulteriore tipo — non-IP. In questo caso, all'UE non viene assegnato un indirizzo IP, e i dati vengono trasmessi senza l'uso del protocollo IP. Ci sono diverse ragioni per questo:
- I dispositivi IoT, come i sensori, possono trasmettere volumi di dati molto ridotti, 20 byte o anche meno. Considerando che la dimensione minima dell'intestazione IP è di 20 byte, l'incapsulamento in IP può risultare a volte piuttosto costoso;
- Non è necessario implementare uno stack IP nel chip, il che porta a una riduzione dei costi (discussione aperta nei commenti).
In linea generale, l'indirizzo IP è necessario ai dispositivi IoT per trasmettere dati attraverso Internet. Nella concezione di NB-IoT, SCEF funge da unico punto di connessione AS, e lo scambio di dati tra dispositivi e server delle applicazioni avviene tramite API. In assenza di SCEF, i dati non-IP possono essere trasmessi all'AS tramite un tunnel Point-to-Point (PtP) dal PGW e l'incapsulamento in IP avverrà su di esso.
Tutto ciò si inserisce nella piattaforma NB-IoT: semplificazione e riduzione dei costi dei dispositivi.
Meccanismi di risparmio energetico PSM ed eDRX:
Uno dei principali vantaggi delle reti LPWAN è l'efficienza energetica. Si afferma che un dispositivo può funzionare autonomamente per fino a 10 anni con una sola batteria. Vediamo come vengono raggiunti tali valori.
Quando un dispositivo consuma meno energia? Esatto, quando è spento. E se non possiamo spegnere completamente il dispositivo, spegniamo il modulo radio per il tempo in cui non è necessario. Ma dobbiamo prima coordinarlo con la rete.
PSM (Power Saving Mode):
La modalità di risparmio energetico PSM consente al dispositivo di spegnere a lungo il modulo radio, rimanendo comunque registrato nella rete e senza dover stabilire nuovamente la PDN ogni volta che è necessario trasmettere dati.
Affinché la rete sappia che il dispositivo è ancora disponibile, esso avvia periodicamente la procedura di aggiornamento — Tracking Area Update (TAU). La frequenza di questa procedura è impostata dalla rete tramite il timer T3412, il cui valore viene comunicato al dispositivo durante la procedura di Attach o la successiva TAU. Nel classico LTE, il valore predefinito di questo timer è di 54 minuti e quello massimo è di 186 minuti. Tuttavia, per garantire un'elevata efficienza energetica, la necessità di accedere all'aria radio ogni 186 minuti è un piacere troppo costoso. Per risolvere questo problema è stato sviluppato il meccanismo PSM.
Il dispositivo attiva la modalità PSM trasmettendo nei messaggi «Attach Request» o «Tracking Area Request» i valori di due timer T3324 e T3412-Extended. Il primo definisce il tempo durante il quale il dispositivo sarà disponibile dopo essere passato in «Idle Mode». Il secondo è il tempo oltre il quale deve essere effettuato un TAU, ma ora il suo valore può raggiungere 35712000 secondi o 413 giorni. A seconda delle impostazioni, l'MME può accettare i valori dei timer ricevuti dal dispositivo, oppure modificarli inviando nuovi valori nei messaggi «Attach Accept» o «Tracking Area Update Accept». Ora il dispositivo può non attivare il modulo radio per 413 giorni, rimanendo registrato nella rete. Di conseguenza, si ottiene un'enorme economia delle risorse di rete e un'energia più efficiente per i dispositivi!
Tuttavia, in questa modalità il dispositivo è disponibile solo per comunicazioni in entrata. Se è necessario trasmettere dati al server delle applicazioni, il dispositivo può uscire dalla modalità PSM in qualsiasi momento e inviare dati, rimanendo attivo per un tempo pari al timer T3324 per ricevere messaggi informativi dall'AS (se ce ne sono).
eDRX (ricezione discontinuo estesa):
eDRX, modalità estesa di ricezione intermittente. Per trasmettere dati a un dispositivo che si trova in «Idle mode», la rete esegue una procedura di notifica — «Paging». Quando riceve il paging, il dispositivo avvia l'instaurazione di un SRB per ulteriori comunicazioni con la rete. Tuttavia, per non perdere il messaggio Paging a lui indirizzato, il dispositivo deve monitorare costantemente le onde radio, il che risulta molto dispendioso in termini di energia.
eDRX è una modalità in cui il dispositivo riceve messaggi dalla rete non continuamente, ma periodicamente. Durante le procedure di Attach o TAU, il dispositivo concorda con la rete dei periodi durante i quali sarà «in ascolto». Di conseguenza, durante questi stessi intervalli avverrà la procedura di Paging. In modalità eDRX, l'attività del dispositivo è suddivisa in cicli (ciclo eDRX). All'inizio di ogni ciclo c'è quella che viene chiamata «finestra di paging» (Paging Time Window, PTW): questo è il tempo in cui il dispositivo ascolta il canale radio. Al termine del PTW, il dispositivo disattiva il modulo radio fino alla fine del ciclo.
HLCOM (comunicazione ad alta latenza):
Se necessario, il dispositivo Uplink può uscire da uno di questi due stati di risparmio energetico senza dover attendere la fine del ciclo PSM o eDRX. Tuttavia, è possibile inviare dati al dispositivo solo quando è attivo.
La funzionalità HLCOM o comunicazione ad alta latenza è il buffering dei pacchetti Downlink presso l'SGW mentre il dispositivo è in modalità risparmio energetico e non è disponibile per la comunicazione. I pacchetti bufferizzati verranno consegnati non appena il dispositivo esce dal PSM, eseguendo un TAU o trasmettendo traffico Uplink, o quando inizia il PTW.
Ciò richiede senza dubbio consapevolezza da parte degli sviluppatori di prodotti IoT, poiché la comunicazione con il dispositivo non avviene in tempo reale e richiede un approccio specifico nella costruzione della logica di business delle applicazioni.
In conclusione, possiamo dire che l'introduzione di nuove tecnologie è sempre affascinante, e ora ci troviamo di fronte a uno standard che non è ancora stato completamente adottato nemmeno da grandi operatori come Vodafone e Telefonica – il che rende il tutto ancora più intrigante. La nostra esposizione del materiale non pretende di essere esaustiva, ma speriamo possa fornire una comprensione sufficiente della tecnologia. Apprezzeremmo un feedback.
Autore: Esperto del dipartimento di soluzioni convergenti e servizi multimediali Aleksej Lapšin
Fonte: habr.com
