L'ultima volta abbiamo parlato delle caratteristiche del nuovo standard NB-IoT dal punto di vista dell'architettura della rete di accesso radio. Oggi parleremo di cosa è cambiato nella Core Network sotto NB-IoT. Quindi andiamo.
Ci sono stati cambiamenti significativi al nucleo della rete. Cominciamo con il fatto che è apparso un nuovo elemento, così come una serie di meccanismi, definiti dallo standard come “CIoT EPS Optimization” o ottimizzazione della rete centrale per l'Internet delle cose cellulare.
Come sapete, nelle reti mobili esistono due canali di comunicazione principali, chiamati Control Plane (CP) e User Plane (UP). Control Plane è destinato allo scambio di messaggi di servizio tra vari elementi della rete e viene utilizzato per garantire la mobilità (gestione della mobilità) dei dispositivi (UE) e stabilire/mantenere una sessione di trasmissione dati (gestione della sessione). User Plane è, infatti, un canale per la trasmissione del traffico degli utenti. Nell'LTE classico, la distribuzione di CP e UP tra le interfacce è la seguente:
I meccanismi di ottimizzazione 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). Lo standard presuppone anche l'emergere di un nuovo elemento di rete: SCEF (Service Capability Exposure Function). L'interfaccia tra MME e SCEF si chiama T6a ed è implementata sulla base del protocollo DIAMETER. Nonostante DIAMETER sia un protocollo di segnalazione, in NB-IoT è adattato per la trasmissione di piccole quantità di dati non IP.
Come suggerisce il nome, SCEF è un Service Capability Exhibit Node. In altre parole, SCEF nasconde la complessità della rete dell'operatore, e solleva anche gli sviluppatori di applicazioni dalla necessità di identificare e autenticare i dispositivi mobili (UE), consentendo ai server delle applicazioni (Application Server, di seguito AS) di ricevere dati e gestire i dispositivi attraverso un unico Interfaccia API.
L'identificatore UE non diventa un numero di telefono (MSISDN) o un indirizzo IP, come avveniva nella classica rete 2G/3G/LTE, ma il cosiddetto "ID esterno", che viene definito dallo standard nel formato familiare agli sviluppatori di applicazioni” @ " Questo è un argomento ampio e separato che merita materiale separato, quindi non ne parleremo in dettaglio ora.
Vediamo ora le novità più significative. “CIoT EPS Optimization” è l’ottimizzazione dei meccanismi di trasmissione del traffico e di gestione delle sessioni degli abbonati. Ecco i principali:
- DoNAS
- NIDD
- Meccanismi di risparmio energetico PSM ed eDRX
- HLCOM
DoNAS (dati su NAS):
Si tratta di un meccanismo progettato per ottimizzare il trasferimento di piccole quantità di dati.
Nell'LTE classico, al momento della registrazione nella rete, un dispositivo dell'abbonato stabilisce una connessione PDN (di seguito denominata PDN) tramite eNodeB con MME-SGW-PGW. La connessione UE-eNodeB-MME è un cosiddetto “Signaling Radio Bearer” (SRB). Se è necessario trasmettere/ricevere dati, la UE stabilisce un'altra connessione con l'eNodeB - “Data Radio Bearer” (DRB), per trasmettere il traffico degli utenti al SGW e successivamente al PGW (interfacce S1-U e S5, rispettivamente) . Al termine dello scambio e se non c'è traffico per un certo periodo (solitamente 5-20 secondi), queste connessioni vengono interrotte e il dispositivo va in modalità standby o “Idle Mode”. Se è necessario scambiare una nuova porzione di dati, SRB e DRB vengono reimpostati.
In NB-IoT, la trasmissione del traffico degli utenti può essere effettuata attraverso un canale di segnalazione (SRB), nei messaggi del protocollo NAS (). La creazione di un DRB non è più necessaria. Ciò riduce significativamente il carico del segnale, risparmia risorse radio di rete e, soprattutto, prolunga la durata della batteria del dispositivo.
Nella sezione eNodeB - MME i dati utente iniziano a essere trasmessi tramite l'interfaccia S1-MME, cosa che non avveniva nella classica tecnologia LTE, e per questo viene utilizzato il protocollo NAS, nel quale appare il "Contenitore dati utente".
Per effettuare il trasferimento del “Piano Utente” da MME a SGW, appare una nuova interfaccia S11-U, progettata per il trasferimento di piccole quantità di dati utente. Il protocollo S11-U si basa su GTP-U v1, utilizzato per la trasmissione User Plane su altre interfacce di rete dell'architettura 3GPP.
NIDD (consegna dati non IP):
Nell'ambito dell'ulteriore ottimizzazione dei meccanismi per la trasmissione di piccole quantità di dati, oltre ai tipi PDN già esistenti, come IPv4, IPv6 e IPv4v6, è apparso un altro tipo: non IP. In questo caso, all'UE non viene assegnato un indirizzo IP e i dati vengono trasmessi senza utilizzare il protocollo IP. Ci sono diverse ragioni per questo:
- I dispositivi IoT come i sensori possono trasmettere quantità molto piccole di dati, 20 byte o meno. Dato che la dimensione minima dell'intestazione IP è di 20 byte, l'incapsulamento IP a volte può essere piuttosto costoso;
- Non è necessario implementare uno stack IP sul chip, il che porta alla riduzione dei costi (una domanda da discutere nei commenti).
In generale, un indirizzo IP è necessario affinché i dispositivi IoT trasmettano dati su Internet. Nel concetto NB-IoT, lo SCEF funge da unico punto di connessione AS e lo scambio di dati tra dispositivi e server applicativi 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 su di esso verrà eseguito l'incapsulamento IP.
Tutto ciò rientra nel paradigma NB-IoT: massima 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 il dispositivo dura fino a 10 anni di durata della batteria con una singola batteria. Scopriamo come vengono raggiunti tali valori.
Quando un dispositivo consuma meno energia? Correggere quando è spento. E se è impossibile diseccitare completamente il dispositivo, diseccitiamo il modulo radio finché non serve. Devi solo coordinarlo prima con la rete.
PSM (modalità di risparmio energetico):
La modalità di risparmio energetico del PSM permette al dispositivo di spegnere a lungo il modulo radio, rimanendo registrato nella rete, e di non reinstallare il PDN ogni volta che deve trasmettere dati.
Per far sapere alla rete che il dispositivo è ancora disponibile, periodicamente avvia una procedura di aggiornamento - Tracking Area Update (TAU). La frequenza di questa procedura viene impostata dalla rete tramite il timer T3412, il cui valore viene trasmesso al dispositivo durante la procedura di Allegamento o il TAU successivo. Nell'LTE classico, il valore predefinito di questo timer è 54 minuti e il massimo è 186 minuti. Tuttavia, per garantire un’elevata efficienza energetica, la necessità di andare in onda ogni 186 minuti è troppo costosa. Il meccanismo PSM è stato sviluppato per risolvere questo problema.
Il dispositivo attiva la modalità PSM trasmettendo i valori di due timer T3324 e T3412-Extended nei messaggi “Attach Request” o “Tracking Area Request”. Il primo determina il tempo in cui il dispositivo sarà disponibile dopo essere passato alla “Modalità inattiva”. Il secondo è il tempo dopo il quale va effettuato il TAU, solo che ora il suo valore può arrivare a 35712000 secondi ovvero 413 giorni. A seconda delle impostazioni, la MME può accettare i valori del timer ricevuti dal dispositivo o modificarli inviando nuovi valori nei messaggi “Attach Accept” o “Tracking Area Update Accept”. Ora il dispositivo non può accendere il modulo radio per 413 giorni e rimanere registrato nella rete. Di conseguenza, otteniamo enormi risparmi nelle risorse di rete e nell’efficienza energetica dei dispositivi!
Tuttavia, in questa modalità il dispositivo non è disponibile solo per le comunicazioni in entrata. Se è necessario trasmettere qualcosa verso l'application server, il dispositivo può uscire da PSM in qualsiasi momento e inviare dati, dopodiché rimane attivo durante il timer T3324 per ricevere messaggi informativi dall'AS (se presente).
eDRX (ricezione discontinua estesa):
eDRX, ricezione intermittente migliorata. Per trasferire i dati a un dispositivo che si trova in "Modalità inattiva", la rete esegue una procedura di notifica - "Cercapersone". Dopo aver ricevuto un cercapersone, il dispositivo avvia la creazione di un SRB per ulteriori comunicazioni con la rete. Ma per non perdere il messaggio di cercapersone ad esso indirizzato, il dispositivo deve monitorare costantemente l'aria radio, che è anche piuttosto dispendiosa in termini energetici.
eDRX è una modalità in cui il dispositivo non riceve messaggi dalla rete costantemente, ma periodicamente. Durante le procedure di Allega o TAU, il dispositivo concorda con la rete gli intervalli di tempo durante i quali “ascolterà” la trasmissione. Di conseguenza, la procedura di cercapersone verrà eseguita agli stessi intervalli. Nella modalità eDRX, il funzionamento del dispositivo è suddiviso in cicli (ciclo eDRX). All'inizio di ogni ciclo c'è una cosiddetta "finestra di paging" (Paging Time Window, di seguito PTW) - questo è il tempo in cui il dispositivo ascolta il canale radio. Al termine del PTW il dispositivo spegne il modulo radio fino alla fine del ciclo.
HLCOM (comunicazione ad alta latenza):
Se è necessario trasferire dati a Uplink, il dispositivo può uscire da una di queste due modalità di risparmio energetico senza attendere il completamento del ciclo PSM o eDRX. Ma è possibile trasferire i dati sul dispositivo solo quando è attivo.
La funzionalità HLCOM o comunicazione a latenza elevata consiste nel buffering dei pacchetti Downlink su SGW mentre il dispositivo è in modalità di risparmio energetico e non è disponibile per la comunicazione. I pacchetti bufferizzati verranno consegnati non appena il dispositivo esce da PSM eseguendo TAU o passando il traffico Uplink o quando si verifica PTW.
Ciò, ovviamente, richiede consapevolezza da parte degli sviluppatori di prodotti IoT, poiché la comunicazione con un dispositivo non avviene in tempo reale e richiede un certo approccio alla progettazione della logica di business delle applicazioni.
In conclusione diciamo: l'introduzione di qualcosa di nuovo è sempre emozionante, ma ora abbiamo a che fare con uno standard che non è stato completamente testato nemmeno dai “bisonti” mondiali, come Vodafone e Telefonica, quindi è doppiamente emozionante. La nostra presentazione del materiale non pretende di essere assolutamente completa, ma speriamo che fornisca una comprensione sufficiente della tecnologia. Apprezzeremmo il tuo feedback.
Autore: Esperto del Dipartimento di soluzioni convergenti e servizi multimediali Alexey Lapshin
Fonte: habr.com