NB-IoT: 어떻게 작동하나요? 2 부

지난번에는 무선 접속 네트워크 아키텍처의 관점에서 새로운 NB-IoT 표준의 특징에 대해 이야기했습니다. 오늘은 NB-IoT를 통해 코어 네트워크에서 어떤 변화가 있었는지 논의해보겠습니다. 그럼, 출발하죠.

네트워크의 핵심 부분에 상당한 변화가 있었습니다. 먼저, 새로운 요소가 등장했고, 표준에서 "CIoT EPS 최적화" 또는 셀룰러 사물 인터넷을 위한 코어 네트워크 최적화로 정의한 여러 메커니즘이 등장했다는 사실부터 시작해 보겠습니다.

아시다시피, 모바일 네트워크에는 제어 평면(CP)과 사용자 평면(UP)이라는 두 가지 주요 통신 채널이 있습니다. 제어 평면은 서로 다른 네트워크 요소 간에 서비스 메시지를 교환하도록 설계되었으며 장치(UE)의 이동성(모빌리티 관리)을 보장하고 데이터 전송 세션(세션 관리)을 설정/유지하는 역할을 합니다. 사용자 평면은 실제로 사용자 트래픽을 전송하는 채널입니다. 기존 LTE에서는 인터페이스 전반에 걸친 CP와 UP의 분포가 다음과 같습니다.

NB-IoT를 위한 CP 및 UP 최적화 메커니즘은 MME, SGW 및 PGW 노드에서 구현되며, 이는 조건부로 C-SGN(셀룰러 IoT 서비스 게이트웨이 노드)이라는 단일 요소로 결합됩니다. 이 표준에서는 또한 새로운 네트워크 요소인 SCEF(서비스 역량 노출 기능)의 등장을 예상합니다. MME와 SCEF 간의 인터페이스는 T6a라고 하며 DIAMETER 프로토콜을 기반으로 구현됩니다. DIAMETER는 신호 프로토콜이지만 NB-IoT에서는 소량의 비 IP 데이터 전송에 맞춰 조정됩니다.

이름에서 알 수 있듯이 SCEF는 서비스 기능 노출 노드입니다. 즉, SCEF는 운영자 네트워크의 복잡성을 숨기고 애플리케이션 개발자가 모바일 기기(UE)를 식별하고 인증할 필요성을 없애주어 애플리케이션 서버(AS)가 단일 API 인터페이스를 통해 데이터를 수신하고 기기를 관리할 수 있도록 합니다.

UE 식별자는 더 이상 기존 2G/3G/LTE 네트워크의 경우처럼 전화번호(MSISDN)나 IP 주소가 아니라 애플리케이션 개발자에게 익숙한 형식으로 표준에서 정의한 소위 "외부 ID"입니다. @ ". 이는 별도의 기사로 다룰 만한 큰 주제이므로, 지금은 자세히 다루지 않겠습니다.

이제 가장 중요한 혁신을 살펴보겠습니다. "CIoT EPS 최적화"는 트래픽 전송 메커니즘과 가입자 세션 관리를 최적화하는 것입니다. 주요 내용은 다음과 같습니다.

• 도나스
• 니드
• PSM 및 eDRX 에너지 절약 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 PDN)을 설정합니다. UE-eNodeB-MME 연결은 소위 "신호 무선 베어러"(SRB)입니다. 데이터를 전송/수신해야 하는 경우 UE는 eNodeB와 다른 연결인 "데이터 무선 베어러"(DRB)를 설정하여 사용자 트래픽을 SGW로 전송한 다음 PGW로 전송합니다(각각 인터페이스 S1-U 및 S5). 교환이 완료되고 일정 시간(보통 5~20초) 동안 트래픽이 없으면 이러한 연결은 끊어지고 장치는 대기 모드 또는 "유휴 모드"로 전환됩니다. 새로운 부분의 데이터를 교환해야 할 때, SRB와 DRB가 재설정됩니다.

NB-IoT에서는 사용자 트래픽이 NAS 프로토콜 메시지(SRB)를 통해 신호 채널(Signaling Channel)을 통해 전송될 수 있습니다.http://www.3gpp.org/more/96-nas). DRB 설치가 더 이상 필요하지 않습니다. 이를 통해 신호 부하가 크게 줄어들고, 네트워크 무선 리소스가 절약되며, 가장 중요한 점은 장치 배터리 수명이 연장됩니다.

eNodeB-MME 구간에서는 기존 LTE 기술에서는 없었던 S1-MME 인터페이스를 통해 사용자 데이터가 전송되기 시작하며, 이를 위해 NAS 프로토콜이 사용되며, 여기에 "사용자 데이터 컨테이너"가 등장합니다.

MME에서 SGW로 "사용자 평면"을 전송하기 위해 소량의 사용자 데이터를 전송하기 위한 새로운 인터페이스 S11-U가 등장했습니다. S11-U 프로토콜은 사용자 평면 전송과 1GPP 아키텍처의 다른 네트워크 인터페이스에 사용되는 GTP-U v3을 기반으로 합니다.

NIDD(비 IP 데이터 전송):

소규모 데이터 전송 메커니즘을 더욱 최적화하기 위한 일환으로 IPv4, IPv6, IPv4v6와 같은 기존 PDN 유형 외에도 비 IP라는 또 다른 유형이 등장했습니다. 이 경우, UE에는 IP 주소가 할당되지 않으며, IP 프로토콜을 사용하지 않고 데이터가 전송됩니다. 그 이유는 여러 가지가 있습니다.

1. 센서와 같은 IoT 장치는 20바이트 이하의 매우 적은 양의 데이터만 전송할 수 있습니다. 최소 IP 헤더 크기가 20바이트라는 점을 고려하면 IP 캡슐화는 때때로 매우 비용이 많이 들 수 있습니다.
2. 칩에 IP 스택을 구현할 필요가 없으므로 비용이 절감됩니다(댓글에서 논의할 문제).

기본적으로 IoT 기기가 인터넷을 통해 데이터를 전송하려면 IP 주소가 필요합니다. NB-IoT 개념에서 SCEF는 AS에 대한 단일 연결 지점 역할을 하며, 장치와 애플리케이션 서버 간의 데이터 교환은 API를 통해 이루어집니다. SCEF가 없는 경우 IP가 아닌 데이터는 PGW에서 PtP(Point-to-Point) 터널을 통해 AS로 전송될 수 있으며, 거기에서 IP로 캡슐화됩니다.

이 모든 것이 NB-IoT 패러다임에 부합합니다. 즉, 장치 비용을 최대한 단순화하고 절감하는 것입니다.

PSM 및 eDRX 에너지 절약 메커니즘:

LPWAN 네트워크의 주요 장점 중 하나는 에너지 효율성입니다. 이 장치는 배터리 하나로 최대 10년 동안 자율적으로 작동할 수 있다고 합니다. 이러한 가치가 어떻게 달성되는지 알아보겠습니다.

이 기기가 가장 적은 에너지를 소모하는 때는 언제인가요? 꺼져 있을 때는 정확합니다. 그리고 장치의 전원을 완전히 끌 수 없다면, 필요하지 않은 시간 동안 무선 모듈의 전원을 꺼두도록 합시다. 먼저 네트워크 측과 이에 대해 합의했는지 확인하세요.

PSM(절전 모드):

PSM 절전 모드를 사용하면 장치가 네트워크에 등록된 상태를 유지하면서 장시간 무선 모듈을 끌 수 있으며, 데이터를 전송할 때마다 PDN을 재설정하지 않아도 됩니다.

네트워크에서 장치가 여전히 사용 가능하다는 것을 알리기 위해 주기적으로 TAU(추적 영역 업데이트) 절차를 시작합니다. 이 절차의 빈도는 네트워크에서 타이머 T3412를 사용하여 설정하며, 이 값은 Attach 절차 또는 다음 TAU 중에 장치로 전송됩니다. 기존 LTE에서는 이 타이머의 기본값은 54분이며, 최대값은 186분입니다. 그러나 높은 에너지 효율을 보장하려면 186분마다 방송을 해야 하므로 비용이 너무 많이 듭니다. PSM 메커니즘은 이 문제를 해결하기 위해 개발되었습니다.

이 장치는 "Attach Request" 또는 "Tracking Area Request" 메시지에서 두 개의 타이머 T3324 및 T3412-Extended의 값을 전송하여 PSM 모드를 활성화합니다. 첫 번째는 "대기 모드"로 전환한 후 장치를 사용할 수 있는 시간을 결정합니다. 두 번째는 TAU가 생성되어야 하는 시간으로, 지금은 그 값이 35712000초 또는 413일에 도달할 수 있습니다. 설정에 따라 MME는 장치로부터 수신한 타이머 값을 수락하거나 Attach Accept 또는 Tracking Area Update Accept 메시지에 새로운 값을 전송하여 값을 변경할 수 있습니다. 현재 해당 장치는 413일 동안 무선 모듈을 켤 수 없으며 네트워크에 등록된 상태로 남아 있습니다. 그 결과, 네트워크 리소스와 장치의 에너지 효율성이 엄청나게 절감되었습니다!

하지만 이 모드에서는 해당 장치를 수신 통신에만 사용할 수 있습니다. 애플리케이션 서버로 무엇인가를 전송해야 하는 경우, 장치는 언제든지 PSM을 종료하고 데이터를 전송할 수 있으며, AS(있는 경우)에서 정보 메시지를 수신하기 위해 타이머 T3324가 지속되는 동안 활성 상태를 유지합니다.

eDRX(확장된 불연속 수신):

eDRX, 향상된 불연속 수신 모드. "유휴 모드"에 있는 장치에 데이터를 전송하기 위해 네트워크는 알림 절차인 "페이징"을 수행합니다. 페이징을 수신하면 장치는 네트워크와의 추가 통신을 위해 SRB 설정을 시작합니다. 하지만 자신에게 전달된 페이징 메시지를 놓치지 않으려면 장치가 지속적으로 무선 전파를 모니터링해야 하는데, 이 역시 많은 에너지를 소모합니다.

eDRX는 장치가 지속적으로가 아닌 주기적으로 네트워크로부터 메시지를 수신하는 모드입니다. Attach 또는 TAU 절차 동안 장치는 네트워크와 무선 신호를 "수신"할 시간 간격을 협상합니다. 따라서, 페이징 절차는 동일한 간격으로 수행됩니다. eDRX 모드에서는 장치의 동작이 사이클(eDRX 사이클)로 나뉩니다. 각 주기의 시작 부분에는 "페이징 창"(페이징 시간 창, 이하 PTW)이라고 하는 시간이 있습니다. 이는 장치가 라디오 채널을 수신하는 시간입니다. PTW가 끝나면 장치는 사이클이 끝날 때까지 무선 모듈을 끕니다.

HLCOM(고지연 통신):

데이터를 업링크로 전송해야 하는 경우, 장치는 PSM이나 eDRX 주기가 끝날 때까지 기다리지 않고 두 가지 절전 모드 중 하나를 종료할 수 있습니다. 하지만 장치가 활성화되어 있을 때만 데이터를 장치로 전송하는 것이 가능합니다.

HLCOM 또는 고지연 통신 기능은 장치가 절전 모드에 있고 통신이 불가능한 동안 SGW에서 다운링크 패킷을 버퍼링하는 기능입니다. 버퍼링된 패킷은 장치가 TAU를 수행하거나 업링크 트래픽을 전송하여 PSM을 종료하거나 PTW가 발생하는 즉시 전달됩니다.

이는 IoT 제품 개발자의 인식이 확실히 필요합니다. 왜냐하면 장치와의 통신이 실시간으로 이루어지지 않고 애플리케이션 운영의 비즈니스 로직을 설계하는 데 특정 접근 방식이 필요하기 때문입니다.

결론적으로, 새로운 것을 도입하는 것은 항상 흥미로운 일이며, 지금은 Vodafone과 Telefonica와 같은 글로벌 "베테랑"조차도 완전히 테스트하지 않은 표준을 다루고 있기 때문에 이는 두 배나 더 흥미로운 일입니다. 우리가 제시하는 자료는 완벽하다고는 할 수 없지만, 기술에 대한 충분한 이해를 제공하기를 바랍니다. 귀하의 피드백을 환영합니다.

저자: 컨버전트 솔루션 및 멀티미디어 서비스 부서 전문가 Alexey Lapshin
 멍청한

출처 : habr.com