NB-IoT: איך זה עובד? חלק 2

בפעם הקודמת דיברנו על התכונות של תקן NB-IoT החדש מנקודת המבט של ארכיטקטורת רשת גישה לרדיו. היום נדון במה שהשתנה ברשת הליבה תחת NB-IoT. אז בוא נלך.

חלו שינויים משמעותיים בליבת הרשת. נתחיל בעובדה שהופיע אלמנט חדש, כמו גם מספר מנגנונים, המוגדרים על ידי התקן כ-"CIoT EPS Optimization" או אופטימיזציה של רשת הליבה עבור האינטרנט הסלולרי של הדברים.

כידוע, ברשתות סלולריות ישנם שני ערוצי תקשורת עיקריים, הנקראים Control Plane (CP) ו-User Plane (UP). Control Plane מיועד להחלפת הודעות שירות בין רכיבי רשת שונים ומשמש להבטחת ניידות (ניהול ניידות) של מכשירים (UE) והקמת/תחזוקה של סשן העברת נתונים (Session Management). מישור המשתמש הוא למעשה ערוץ להעברת תעבורת משתמשים. ב-LTE הקלאסי, ההתפלגות של CP ו-UP בין הממשקים היא כדלקמן:

מנגנוני אופטימיזציה של CP ו-UP עבור NB-IoT מיושמים בצמתי MME, SGW ו-PGW, המשולבים באופן קונבנציונלי לאלמנט אחד הנקרא C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). התקן מניח גם את הופעתו של אלמנט רשת חדש - SCEF (Service Capability Exposure Function). הממשק בין MME ל-SCEF נקרא T6a והוא מיושם על בסיס פרוטוקול DIAMETER. למרות העובדה ש-DIAMETER הוא פרוטוקול איתות, ב-NB-IoT הוא מותאם לשידור של כמויות קטנות של נתונים שאינם IP.

כפי ששמו מרמז, SCEF הוא צומת תערוכת יכולת שירות. במילים אחרות, SCEF מסתיר את המורכבות של הרשת של המפעיל, וגם פוטר מפתחי אפליקציות מהצורך לזהות ולאמת מכשירים ניידים (UE), ומאפשר לשרתי יישומים (Application Server, להלן AS) לקבל נתונים ולנהל מכשירים באמצעות יחידה אחת. ממשק API.

מזהה ה-UE הופך לא למספר טלפון (MSISDN) או לכתובת IP, כפי שהיה ברשת 2G/3G/LTE הקלאסית, אלא למה שנקרא "מזהה חיצוני", המוגדר על ידי התקן בפורמט המוכר למפתחי אפליקציות "@". זהו נושא גדול נפרד שראוי לחומר נפרד, אז לא נדבר עליו בפירוט כעת.

עכשיו בואו נסתכל על החידושים המשמעותיים ביותר. "אופטימיזציה של CIoT EPS" היא אופטימיזציה של מנגנוני העברת תעבורה וניהול הפעלות של מנויים. להלן העיקריים שבהם:

• דונאס
• NIDD
• מנגנוני חיסכון בחשמל PSM ו-eDRX
• HLCOM

DoNAS (נתונים על גבי NAS):

זהו מנגנון שנועד לייעל את העברת כמויות קטנות של נתונים.

ב-LTE הקלאסי, בעת רישום ברשת, התקן מנוי יוצר חיבור PDN (להלן PDN) דרך eNodeB ל-MME-SGW-PGW. חיבור UE-eNodeB-MME הוא מה שנקרא "Signaling Radio Bearer" (SRB). אם יש צורך בשידור/קבלת נתונים, ה-UE יוצר חיבור נוסף עם ה-eNodeB - "Data Radio Bearer" (DRB), כדי להעביר תעבורת משתמשים ל-SGW ובהמשך ל-PGW (ממשקים S1-U ו-S5, בהתאמה) . בתום ההחלפה ואם אין תעבורה במשך זמן מה (בדרך כלל 5-20 שניות), חיבורים אלו מנותקים והמכשיר עובר למצב המתנה או "מצב סרק". אם יש צורך להחליף חלק חדש של נתונים, SRB ו-DRB מאופסים.

ב-NB-IoT, שידור תעבורת משתמשים יכול להתבצע באמצעות ערוץ איתות (SRB), בהודעות פרוטוקול NAS (http://www.3gpp.org/more/96-nas). הגדרת DRB כבר לא נדרשת. זה מקטין באופן משמעותי את עומס האותות, חוסך במשאבי רדיו ברשת ובעיקר, מאריך את חיי הסוללה של המכשיר.

בסעיף eNodeB - MME, נתוני משתמש מתחילים להיות משודרים על פני ממשק S1-MME, מה שלא היה המקרה בטכנולוגיית LTE קלאסית, ולכך נעשה שימוש בפרוטוקול NAS, בו מופיע "מיכל נתוני המשתמש".

כדי לבצע את העברת "User Plane" מ-MME ל-SGW, מופיע ממשק חדש S11-U, המיועד להעברת כמויות קטנות של נתוני משתמש. פרוטוקול S11-U מבוסס על GTP-U v1, המשמש לשידור במישור משתמש בממשקי רשת אחרים של ארכיטקטורת 3GPP.

NIDD (משלוח נתונים ללא IP):

כחלק מאופטימיזציה נוספת של מנגנוני העברת כמויות קטנות של נתונים, בנוסף לסוגי ה-PDN הקיימים כבר, כמו IPv4, IPv6 ו-IPv4v6, הופיע סוג נוסף - שאינו IP. במקרה זה, ל-UE לא מוקצית כתובת IP והנתונים מועברים ללא שימוש בפרוטוקול IP. יש לכך מספר סיבות:

1. מכשירי IoT כגון חיישנים יכולים להעביר כמויות קטנות מאוד של נתונים, 20 בתים או פחות. בהתחשב בעובדה שגודל כותרת ה-IP המינימלי הוא 20 בתים, אנקפסולציית IP יכולה לפעמים להיות די יקרה;
2. אין צורך ליישם ערימת IP על השבב, מה שמוביל להוזלת העלות שלהם (שאלה לדיון בהערות).

בגדול, כתובת IP נחוצה למכשירי IoT כדי להעביר נתונים דרך האינטרנט. בתפיסת NB-IoT, ה-SCEF פועל כנקודת חיבור AS אחת, וחילופי נתונים בין התקנים ושרתי יישומים מתרחשים באמצעות API. בהיעדר SCEF, ניתן להעביר נתונים שאינם IP ל-AS דרך מנהרה נקודתית (PtP) מה-PGW ויתבצע עליה אנקפסולציה IP.

כל זה מתאים לפרדיגמת NB-IoT - פישוט מקסימלי והפחתה בעלות המכשירים.

מנגנוני חיסכון בחשמל PSM ו-eDRX:

אחד היתרונות המרכזיים של רשתות LPWAN הוא יעילות אנרגטית. על פי הטענה, המכשיר מחזיק עד 10 שנים של חיי סוללה בסוללה אחת. בואו להבין כיצד מושגים ערכים כאלה.

מתי מכשיר צורך הכי פחות אנרגיה? תקן כאשר הוא כבוי. ואם זה בלתי אפשרי לנטרל את המכשיר לחלוטין, בואו נשחרר את מודול הרדיו כל עוד אין בו צורך. אתה רק צריך לתאם את זה עם הרשת תחילה.

PSM (מצב חיסכון בחשמל):

מצב חיסכון בחשמל PSM מאפשר למכשיר לכבות את מודול הרדיו למשך זמן רב, תוך שהוא נשאר רשום ברשת, ולא להתקין מחדש את ה-PDN בכל פעם שהוא צריך לשדר נתונים.

כדי ליידע את הרשת שהמכשיר עדיין זמין, היא מתחילה מדי פעם הליך עדכון - Tracking Area Update (TAU). התדירות של הליך זה נקבעת על ידי הרשת באמצעות טיימר T3412, שערכו מועבר למכשיר במהלך הליך צרף או ה-TAU הבא. ב-LTE הקלאסי, ערך ברירת המחדל של טיימר זה הוא 54 דקות, והמקסימום הוא 186 דקות. עם זאת, כדי להבטיח יעילות אנרגטית גבוהה, הצורך לצאת לאוויר כל 186 דקות הוא יקר מדי. מנגנון PSM פותח כדי לפתור בעיה זו.

המכשיר מפעיל את מצב ה-PSM על ידי העברת הערכים של שני טיימרים T3324 ו-T3412-Extended בהודעות "צרף בקשה" או "בקשת אזור מעקב". הראשון קובע את הזמן שבו המכשיר יהיה זמין לאחר המעבר ל"מצב המתנה". השני הוא הזמן שאחריו יש לבצע את ה-TAU, רק שכעת הערך שלו יכול להגיע ל-35712000 שניות או 413 ימים. בהתאם להגדרות, ה-MME יכול לקבל את ערכי הטיימר שהתקבלו מהמכשיר או לשנות אותם על ידי שליחת ערכים חדשים בהודעות "צרף קבל" או "קבל עדכון אזור מעקב". כעת המכשיר לא יכול להפעיל את מודול הרדיו במשך 413 ימים ולהישאר רשום ברשת. כתוצאה מכך, אנו מקבלים חיסכון עצום במשאבי רשת וביעילות אנרגטית של מכשירים!

עם זאת, במצב זה המכשיר אינו זמין לתקשורת נכנסת בלבד. אם יש צורך לשדר משהו לשרת היישומים, המכשיר יכול לצאת מ-PSM בכל עת ולשלוח נתונים, ולאחר מכן הוא נשאר פעיל במהלך טיימר T3324 כדי לקבל הודעות מידע מה-AS (אם יש).

eDRX (קליטה בלתי רציפה מורחבת):

eDRX, קליטה לסירוגין משופרת. כדי להעביר נתונים למכשיר שנמצא במצב המתנה, הרשת מבצעת הליך התראה - "החלפה". עם קבלת זימון, המכשיר יוזם הקמת SRB להמשך תקשורת עם הרשת. אבל כדי לא לפספס את הודעת ה-Paging המופנית אליו, המכשיר חייב לנטר כל הזמן את אוויר הרדיו, שגם הוא די גוזל אנרגיה.

eDRX הוא מצב בו המכשיר אינו מקבל הודעות מהרשת כל הזמן, אלא מעת לעת. במהלך הליכי Attach או TAU, המכשיר מסכים עם הרשת על מרווחי הזמן שבהם הוא "יקשיב" לשידור. בהתאם לכך, הליך ההחלפה יבוצע באותם מרווחים. במצב eDRX, פעולת המכשיר מחולקת למחזורים (מחזור eDRX). בתחילת כל מחזור יש מה שנקרא "חלון הזימון" (Paging Time Window, להלן PTW) - זה הזמן שבו המכשיר מאזין לערוץ הרדיו. בסוף PTW, המכשיר מכבה את מודול הרדיו עד סוף המחזור.

HLCOM (תקשורת עם זמן אחזור גבוה):

אם הוא צריך להעביר נתונים ל-Uplink, המכשיר יכול לצאת משני מצבי חיסכון בחשמל מבלי לחכות לסיום מחזור ה-PSM או ה-eDRX. אבל אפשר להעביר נתונים למכשיר רק כשהוא פעיל.

פונקציונליות HLCOM או תקשורת עם חביון גבוה היא חציצה של מנות Downlink ב-SGW בזמן שהמכשיר נמצא במצב חיסכון בחשמל ואינו זמין לתקשורת. מנות מאוחסנות יסופקו ברגע שהמכשיר יוצא מ-PSM על ידי ביצוע TAU או העברת תעבורת Uplink, או כאשר מתרחש PTW.

הדבר מצריך כמובן מודעות מצד מפתחי מוצרי IoT, שכן תקשורת עם מכשיר אינה מושגת בזמן אמת ודורשת גישה מסוימת לעיצוב ההיגיון העסקי של אפליקציות.

לסיכום, נניח: ההקדמה של משהו חדש היא תמיד מרגשת, אבל עכשיו אנחנו מתמודדים עם תקן שלא נבדק במלואו אפילו על ידי ה"ביזונים" בעולם, כמו Vodafone וטלפוניקה - אז זה מרגש כפליים. הצגת החומר שלנו אינה מתיימרת להיות מלאה לחלוטין, אך אנו מקווים שהיא מספקת הבנה מספקת של הטכנולוגיה. נשמח למשוב שלך.

מחבר: מומחה המחלקה לפתרונות מתכנסים ושירותי מולטימדיה אלכסיי לאפשין
 אטום

מקור: www.habr.com