Nell'ultima occasione abbiamo discusso delle caratteristiche del nuovo standard NB-IoT dal punto di vista dell'architettura della rete di accesso radio. Oggi rifletteremo su cosa è cambiato nel nucleo della rete (Core Network) con il NB-IoT. Iniziamo.
Ci sono stati cambiamenti significativi nel nucleo della rete. Innanzitutto, è stato introdotto un nuovo elemento e una serie di meccanismi definiti dal standard come 'CIoT EPS Optimization', ovvero l'ottimizzazione della rete principale per l'Internet delle Cose cellulare.
Come è noto, nelle reti mobili esistono due principali canali di comunicazione, chiamati Control Plane (CP) e User Plane (UP). Il Control Plane è progettato per lo scambio di messaggi di controllo tra i vari elementi della rete e serve a garantire la mobilità (Mobility management) dei dispositivi (UE) e l'istituzione/mantenimento della sessione di trasmissione dati (Session Management). L'User Plane è, in effetti, il canale di trasmissione del traffico utente. Nelle reti LTE classiche, la distribuzione di CP e UP attraverso le interfacce appare come segue:
I meccanismi di ottimizzazione CP e UP per NB-IoT vengono realizzati sui nodi MME, SGW e PGW, che sono convenzionalmente uniti in un singolo 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 è chiamata T6a ed è implementata sulla base del protocollo DIAMETER. Anche se DIAMETER è un protocollo di segnalazione, in NB-IoT è adattato per la trasmissione di piccoli volumi di dati non-IP.
A partire dal nome, SCEF è un nodo di 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), fornendo la possibilità ai server delle applicazioni (Application Server, di seguito AS) di ricevere dati e gestire i dispositivi tramite un'interfaccia API unificata.
L'identificatore UE non è più il numero di telefono (MSISDN) o l'indirizzo IP, come avveniva nelle tradizionali reti 2G/3G/LTE, ma il cosiddetto "external ID", definito dallo standard in un formato familiare per gli sviluppatori di applicazioni: «@». Si tratta di un argomento ampio che merita un approfondimento, quindi non ne parleremo in dettaglio ora.
Ora analizziamo le novità 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):
Questo è un meccanismo progettato per ottimizzare la trasmissione di piccoli volumi di dati.
In LTE classico, il dispositivo dell'abbonato stabilisce una PDN connection (di seguito PDN) tramite eNodeB verso MME-SGW-PGW al momento della registrazione nella rete. La connessione UE-eNodeB-MME è conosciuta come “Signaling Radio Bearer” (SRB). Per trasmettere/ricevere dati, l'UE stabilisce un'altra connessione con eNodeB — “Data Radio Bearer” (DRB), per trasferire il traffico utente verso SGW e successivamente a PGW (interfacce S1-U e S5 rispettivamente). Una volta completato lo 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 attesa o “Idle Mode”. In caso di necessità di scambiare un nuovo lotto di dati, SRB e DRB vengono ristabiliti.
In NB-IoT, il trasferimento del traffico utente può avvenire tramite il canale di segnalazione (SRB), nei messaggi del protocollo NAS (). L'instaurazione del DRB non è più necessaria. Questo riduce notevolmente il carico di segnalazione, ottimizza le risorse radio della rete e, cosa più importante, prolunga la vita della batteria del dispositivo.
Nell'area eNodeB — MME, i dati utente iniziano a essere trasmessi tramite l'interfaccia S1-MME, cosa che non avveniva nella tecnologia LTE classica, utilizzando per questo il protocollo NAS, che introduce il "User data container".
Per consentire la trasmissione del "User Plane" dall'MME al SGW, è stata introdotta una nuova interfaccia S11-U, destinata alla trasmissione di piccoli volumi di dati utente. Alla base del protocollo S11-U c'è GTP-U v1, utilizzato per la trasmissione dello User Plane anche su altre interfacce della rete architettura 3GPP.
NIDD (non-IP data delivery):
Nell'ambito dell'ulteriore ottimizzazione dei meccanismi di trasmissione di piccoli volumi di dati, è stato aggiunto un nuovo tipo — non-IP — oltre ai già esistenti tipi di PDN, come IPv4, IPv6 e IPv4v6. In questo caso, non viene assegnato un indirizzo IP all'UE 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 piccoli, 20 byte e anche meno. Considerando che la dimensione minima dell'intestazione IP è di 20 byte, l'incapsulamento in IP può risultare talvolta piuttosto costoso;
- Non è necessario implementare lo stack IP nel chip, il che porta a una riduzione dei costi (questo è un argomento da discutere nei commenti).
In sostanza, l'indirizzo IP è necessario per i dispositivi IoT per trasmettere dati tramite internet. Nel concetto di NB-IoT, l'SCEF funge da punto di connessione unico per l'AS, e lo scambio di dati tra i dispositivi e i server delle applicazioni avviene tramite API. In assenza dell'SCEF, i dati non IP possono essere trasmessi all'AS tramite un tunnel Point-to-Point (PtP) dal PGW, e l'incapsulamento in IP sarà realizzato successivamente.
Tutto questo si inserisce nella paradigmi di NB-IoT: massima semplificazione e riduzione dei costi per i dispositivi.
Meccanismi di risparmio energetico PSM e eDRX:
Uno dei principali vantaggi delle reti LPWAN è l'efficienza energetica. Si dice che i dispositivi possano funzionare in autonomia per fino a 10 anni con una sola batteria. Analizziamo come si raggiungono questi valori.
Quando consuma meno energia un dispositivo? Esatto, quando è spento. E se non possiamo spegnere completamente il dispositivo, spegniamo il modulo radio per il tempo in cui non è necessario. Solo che è necessario concordarlo preventivamente con la rete.
PSM (Power saving mode):
La modalità di risparmio energetico PSM consente al dispositivo di disattivare a lungo il modulo radio, rimanendo comunque registrato nella rete e senza dover reinstallare il PDN ogni volta che è necessario trasferire dati.
Per far sapere alla rete che il dispositivo è ancora disponibile, questo avvia periodicamente una procedura di aggiornamento — Tracking Area Update (TAU). La frequenza di questa procedura è impostata dalla rete tramite un timer T3412, il cui valore viene inviato al dispositivo durante la procedura di Attacco o il successivo TAU. Nel classico LTE, il valore predefinito di questo timer è di 54 minuti, mentre il massimo è di 186 minuti. Tuttavia, per garantire un'elevata efficienza energetica, la necessità di uscire nel radiofonico ogni 186 minuti è un onere eccessivo. Per risolvere questo problema è stato sviluppato il meccanismo PSM.
Il dispositivo attiva la modalità PSM inviando nei messaggi "Attach Request" o "Tracking Area Request" i valori di due timer, T3324 e T3412-Extended. Il primo determina il tempo durante il quale il dispositivo sarà disponibile dopo essere passato in "Idle Mode". Il secondo è il tempo in cui deve essere eseguito un TAU, il cui valore può arrivare fino a 35712000 secondi o 413 giorni. A seconda delle impostazioni, l'MME può accettare i valori dei timer ricevuti dal dispositivo o 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 e rimanere comunque registrato nella rete. Questo porta a un'enorme economia di risorse di rete e a una maggiore efficienza energetica dei dispositivi!
Tuttavia, in questa modalità il dispositivo non è disponibile solo per le comunicazioni in entrata. Se è necessario inviare qualcosa al server delle applicazioni, il dispositivo può uscire dal PSM in qualsiasi momento e inviare dati, rimanendo poi attivo per il timer T3324 per ricevere messaggi informativi dall'AS (se presenti).
eDRX (ricezione discontinuo estesa):
eDRX, modalità estesa di ricezione intermittente. Per trasmettere dati a un dispositivo in "Idle mode", la rete esegue una procedura di notifica chiamata "Paging". Quando il dispositivo riceve il paging, avvia l'instaurazione di un SRB per ulteriori comunicazioni con la rete. Tuttavia, per non perdere un messaggio di Paging a lui indirizzato, il dispositivo deve monitorare costantemente il segnale radio, il che richiede un notevole dispendio energetico.
eDRX è una modalità in cui il dispositivo riceve i messaggi dalla rete in modo non continuo, ma periodico. Durante le procedure di Attach o TAU, il dispositivo concorda con la rete intervalli temporali in cui 'ascolterà' il segnale. Allo stesso modo, in questi intervalli avverrà la procedura di Paging. In modalità eDRX, il funzionamento del dispositivo è suddiviso in cicli (ciclo eDRX). All'inizio di ogni ciclo c'è quella che viene chiamata "finestra di paging" (Paging Time Window, PTW) — il tempo durante il quale 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 trasferire dati, il dispositivo può uscire da uno di questi due modalità di risparmio energetico senza attendere la fine del ciclo PSM o eDRX. Tuttavia, è possibile trasferire dati al dispositivo solo quando è attivo.
La funzionalità HLCOM o comunicazione con alta latenza consiste nel buffering dei pacchetti Downlink sul 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 uscirà dal PSM, effettuando un TAU o trasmettendo traffico Uplink, o quando si verificherà il PTW.
Questo richiede sicuramente 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 novità è sempre entusiasmante e attualmente ci troviamo di fronte a uno standard non ancora completamente testato anche dai colossi mondiali come Vodafone e Telefonica, il che lo rende ancora più affascinante. La nostra esposizione non pretende di essere esaustiva, ma speriamo di fornire una comprensione adeguata della tecnologia. Saremmo grati per un vostro feedback.
Autore: Esperto del dipartimento di soluzioni convergenti e servizi multimediali Aleksej Lapshin
Fonte: habr.com
