NB-IoT: 어떻게 작동하나요? 2 부

지난번에는 무선 액세스 네트워크 아키텍처의 관점에서 새로운 NB-IoT 표준의 기능에 대해 이야기했습니다. 오늘은 NB-IoT 하의 핵심 네트워크에서 어떤 변화가 있었는지 논의하겠습니다. 자, 가자.

네트워크의 핵심에 상당한 변화가 있었습니다. 표준에 의해 "CIoT EPS 최적화" 또는 셀룰러 사물 인터넷을 위한 핵심 네트워크 최적화로 정의되는 여러 메커니즘뿐만 아니라 새로운 요소가 등장했다는 사실부터 시작해 보겠습니다.

아시다시피 모바일 네트워크에는 제어 평면(CP)과 사용자 평면(UP)이라는 두 가지 주요 통신 채널이 있습니다. Control Plane은 다양한 네트워크 요소 간 서비스 메시지 교환을 목적으로 하며, 장치(UE)의 이동성 보장(Mobility Management)과 데이터 전송 세션 설정/유지(Session Management)에 사용됩니다. User Plane은 실제로 사용자 트래픽을 전송하는 채널입니다. 클래식 LTE에서 인터페이스 전반에 걸친 CP 및 UP의 분포는 다음과 같습니다.

NB-IoT를 위한 CP 및 UP 최적화 메커니즘은 MME, SGW 및 PGW 노드에서 구현되며, 이는 일반적으로 C-SGN(Cellular IoT Serving Gateway Node)이라는 단일 요소로 결합됩니다. 또한 이 표준은 새로운 네트워크 요소인 SCEF(Service Capability Exposure Function)의 출현을 가정합니다. MME와 SCEF 간의 인터페이스는 T6a라고 하며 DIAMETER 프로토콜을 기반으로 구현됩니다. DIAMETER는 신호 프로토콜이라는 사실에도 불구하고 NB-IoT에서는 소량의 비IP 데이터 전송에 적합합니다.

이름에서 알 수 있듯이 SCEF는 서비스 역량 전시 노드입니다. 즉, SCEF는 사업자 네트워크의 복잡성을 숨기고, 애플리케이션 개발자가 모바일 기기(UE)를 식별하고 인증해야 하는 필요성을 덜어줌으로써 애플리케이션 서버(Application Server, 이하 AS)가 단일 서버를 통해 데이터를 수신하고 기기를 관리할 수 있도록 해준다. API 인터페이스.

UE 식별자는 기존 2G/3G/LTE 네트워크의 경우처럼 전화번호(MSISDN)나 IP 주소가 아니라 표준에서 친숙한 형식으로 정의되는 소위 "외부 ID"가 됩니다. 애플리케이션 개발자에게 “ @ " 이것은 별도의 자료가 필요한 별도의 큰 주제이므로 지금은 자세히 설명하지 않겠습니다.

이제 가장 중요한 혁신을 살펴보겠습니다. “CIoT EPS Optimization”은 트래픽 전송 메커니즘과 가입자 세션 관리를 최적화하는 것입니다. 주요 내용은 다음과 같습니다.

• 도나스
• NIDD
• PSM 및 eDRX 절전 메커니즘
• HLCOM

DoNAS(NAS를 통한 데이터):

이는 소량의 데이터 전송을 최적화하도록 설계된 메커니즘입니다.

기존 LTE에서는 네트워크에 등록할 때 가입자 장치가 eNodeB를 통해 MME-SGW-PGW에 PDN 연결(이하 PDN이라고 함)을 설정합니다. UE-eNodeB-MME 연결은 소위 "SRB(Signaling Radio Bearer)"입니다. 데이터 전송/수신이 필요한 경우, UE는 eNodeB와 또 다른 연결인 "Data Radio Bearer"(DRB)를 설정하여 사용자 트래픽을 SGW와 PGW로 전송합니다(각각 S1-U 및 S5 인터페이스). . 교환이 끝나고 일정 시간(보통 5~20초) 동안 트래픽이 없으면 이러한 연결이 종료되고 장치는 대기 모드 또는 "유휴 모드"로 전환됩니다. 새로운 데이터 부분을 교환해야 하는 경우 SRB와 DRB가 재설정됩니다.

NB-IoT에서는 NAS 프로토콜 메시지에서 SRB(Signaling Channel)를 통해 사용자 트래픽 전송이 이루어질 수 있습니다(http://www.3gpp.org/more/96-nas). DRB 설정은 더 이상 필요하지 않습니다. 이는 신호 부하를 크게 줄이고 네트워크 무선 리소스를 절약하며 가장 중요한 것은 장치 배터리 수명을 연장합니다.

eNodeB - MME 섹션에서는 기존 LTE 기술에서는 볼 수 없었던 사용자 데이터가 S1-MME 인터페이스를 통해 전송되기 시작하며 이를 위해 NAS 프로토콜이 사용되는데, 여기에 "사용자 데이터 컨테이너"가 나타납니다.

MME에서 SGW로 "사용자 평면"을 전송하기 위해 소량의 사용자 데이터 전송을 위해 설계된 새로운 인터페이스 S11-U가 나타납니다. S11-U 프로토콜은 1GPP 아키텍처의 다른 네트워크 인터페이스에서 사용자 평면 전송에 사용되는 GTP-U v3을 기반으로 합니다.

NIDD(비IP 데이터 전송):

소량의 데이터를 전송하기 위한 메커니즘의 추가 최적화의 일환으로 IPv4, IPv6 및 IPv4v6와 같은 기존 PDN 유형 외에도 비IP라는 또 다른 유형이 나타났습니다. 이 경우, UE에게는 IP 주소가 할당되지 않으며 IP 프로토콜을 사용하지 않고 데이터가 전송됩니다. 여기에는 몇 가지 이유가 있습니다.

1. 센서와 같은 IoT 장치는 20바이트 이하의 매우 적은 양의 데이터를 전송할 수 있습니다. 최소 IP 헤더 크기가 20바이트라는 점을 고려하면 IP 캡슐화는 때때로 상당히 비쌀 수 있습니다.
2. 칩에 IP 스택을 구현할 필요가 없으므로 비용이 절감됩니다(의견에서 논의할 질문).

대체로 IoT 장치가 인터넷을 통해 데이터를 전송하려면 IP 주소가 필요합니다. NB-IoT 개념에서 SCEF는 단일 AS 연결 지점 역할을 하며, 장치와 애플리케이션 서버 간의 데이터 교환은 API를 통해 이루어집니다. SCEF가 없는 경우 비IP 데이터는 PGW에서 PtP(Point-to-Point) 터널을 통해 AS로 전송될 수 있으며 이에 대해 IP 캡슐화가 수행됩니다.

이 모든 것이 NB-IoT 패러다임에 적합합니다. 즉, 최대 단순화 및 장치 비용 절감입니다.

PSM 및 eDRX 절전 메커니즘:

LPWAN 네트워크의 주요 장점 중 하나는 에너지 효율성입니다. 이 장치는 단일 배터리로 최대 10년의 배터리 수명을 지속한다고 합니다. 그러한 가치가 어떻게 달성되는지 알아 보겠습니다.

장치가 가장 적은 에너지를 소비하는 때는 언제입니까? 꺼지면 수정됩니다. 그리고 장치의 전원을 완전히 차단하는 것이 불가능하다면, 필요하지 않은 동안 무선 모듈의 전원을 차단합시다. 먼저 이를 네트워크와 조정하면 됩니다.

PSM(절전 모드):

PSM 절전 모드를 사용하면 장치가 네트워크에 등록된 상태를 유지하면서 오랫동안 무선 모듈을 끌 수 있으며 데이터를 전송해야 할 때마다 PDN을 다시 설치하지 않아도 됩니다.

장치가 여전히 사용 가능하다는 사실을 네트워크에 알리기 위해 TAU(추적 영역 업데이트)라는 업데이트 절차를 주기적으로 시작합니다. 이 절차의 빈도는 타이머 T3412를 사용하여 네트워크에 의해 설정되며, 그 값은 Attach 절차 또는 다음 TAU 동안 장치로 전송됩니다. 클래식 LTE에서 이 타이머의 기본값은 54분이고 최대값은 186분입니다. 그러나 높은 에너지 효율을 보장하기 위해 186분마다 방송해야 하는 비용은 너무 비쌉니다. PSM 메커니즘은 이 문제를 해결하기 위해 개발되었습니다.

장치는 "Attach Request" 또는 "Tracking Area Request" 메시지에 두 개의 타이머 T3324 및 T3412-Extended 값을 전송하여 PSM 모드를 활성화합니다. 첫 번째는 "유휴 모드"로 전환한 후 장치를 사용할 수 있는 시간을 결정합니다. 두 번째는 TAU가 생성되어야 하는 시간이며, 이제 그 값은 35712000초 또는 413일에 도달할 수 있습니다. 설정에 따라 MME는 기기로부터 수신한 타이머 값을 수락하거나 "Attach Accept" 또는 "Tracking Area Update Accept" 메시지에 새로운 값을 전송하여 변경할 수 있습니다. 이제 장치는 413일 동안 무선 모듈을 켤 수 없으며 네트워크에 등록된 상태로 유지됩니다. 결과적으로 우리는 네트워크 리소스와 장치의 에너지 효율성을 크게 절약할 수 있습니다!

그러나 이 모드에서는 수신 통신에만 장치를 사용할 수 없습니다. 애플리케이션 서버를 향해 무언가를 전송해야 하는 경우 장치는 언제든지 PSM을 종료하고 데이터를 보낼 수 있으며, 그 후 T3324 타이머 동안 활성 상태를 유지하여 AS(있는 경우)로부터 정보 메시지를 수신합니다.

eDRX(확장 불연속 수신):

eDRX, 향상된 간헐적 수신. "유휴 모드"에 있는 장치로 데이터를 전송하기 위해 네트워크는 "페이징"이라는 알림 절차를 수행합니다. 페이징을 수신하면 장치는 네트워크와의 추가 통신을 위해 SRB 설정을 시작합니다. 그러나 해당 장치에 전달된 페이징 메시지를 놓치지 않으려면 장치는 무선 전파를 지속적으로 모니터링해야 하며, 이는 또한 상당한 에너지 소모이기도 합니다.

eDRX는 장치가 네트워크로부터 메시지를 지속적으로 수신하지 않고 주기적으로 수신하는 모드입니다. 연결 또는 TAU 절차 중에 장치는 브로드캐스트를 "수신"하는 시간 간격에 대해 네트워크와 동의합니다. 따라서 동일한 간격으로 Paging 절차가 수행됩니다. eDRX 모드에서는 장치의 동작이 여러 사이클(eDRX 사이클)로 나누어집니다. 각 사이클의 시작 부분에는 소위 "페이징 창"(Paging Time Window, 이하 PTW)이 있습니다. 이는 장치가 무선 채널을 청취하는 시간입니다. PTW가 끝나면 장치는 주기가 끝날 때까지 무선 모듈을 끕니다.

HLCOM(높은 대기 시간 통신):

데이터를 업링크로 전송해야 하는 경우 장치는 PSM 또는 eDRX 주기가 완료될 때까지 기다리지 않고 이 두 가지 절전 모드 중 하나를 종료할 수 있습니다. 하지만 장치가 활성화된 경우에만 장치로 데이터를 전송할 수 있습니다.

HLCOM 기능 또는 대기 시간이 긴 통신은 장치가 절전 모드에 있고 통신에 사용할 수 없는 동안 SGW에서 다운링크 패킷을 버퍼링하는 것입니다. 버퍼링된 패킷은 장치가 TAU를 수행하거나 업링크 트래픽을 전달하여 PSM을 종료하거나 PTW가 발생하는 즉시 전달됩니다.

물론 이를 위해서는 IoT 제품 개발자의 인식이 필요합니다. 왜냐하면 장치와의 통신은 실시간으로 이루어지지 않고 애플리케이션의 비즈니스 로직을 설계하는 특정 접근 방식이 필요하기 때문입니다.

결론적으로 말하자면, 새로운 것을 도입하는 것은 항상 흥미진진하지만 이제 우리는 Vodafone 및 Telefonica와 같은 세계의 "들소"들에 의해서도 완전히 테스트되지 않은 표준을 다루고 있으므로 두 배로 흥미진진합니다. 우리가 제시하는 자료는 절대적으로 완전한 척은 아니지만, 기술에 대한 충분한 이해를 제공할 수 있기를 바랍니다. 귀하의 의견을 보내주시면 감사하겠습니다.

저자: 융합솔루션 및 멀티미디어서비스학과 전문가 Alexey Lapshin
 멍청한

출처 : habr.com