NB-IoT: kā tas darbojas? Otrā daļa

Iepriekšējā reizē mēs runājām par jaunā NB-IoT standarta iezīmēm attiecībā uz radio piekļuves tīkla arhitektūru. Šodien apspriedīsim, kas ir mainījies kodoltīklā (Core Network) NB-IoT ietvaros. Sāksim.

Kodoltīklā ir notikušas būtiskas izmaiņas. Sāksim ar to, ka ir parādījies jauns elements, kā arī virkni mehānismu, kurus standarts definējis kā “CIoT EPS Optimization” jeb optimizācijas mehānismus šūnu interneta lietām.

Kā zināms, mobilajās tīklos pastāv divi galvenie komunikācijas kanāli, kurus sauc par Control Plane (CP) un User Plane (UP). Control Plane ir paredzēts apmainīties ar pakalpojuma ziņojumiem starp dažādiem tīkla elementiem un nodrošina mobilitātes (Mobility management) pārvaldību ierīcēm (UE) un datu pārsūtīšanas sesiju izveidi/uzturēšanu (Session Management). User Plane ir tieši lietotāju trafika pārsūtīšanas kanāls. Klasiski LTE CP un UP sadalījums pa saskarnēm izskatās šādi:

CP un UP optimizācijas mehānismi NB-IoT tiek īstenoti MME, SGW un PGW mezglos, kas nosacīti apvienoti vienā elementā, ko sauc par C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Standarts arī paredz jauna tīkla elementa — SCEF (Service Capability Exposure Function) parādīšanos. Saskarne starp MME un SCEF tiek saukta par T6a un ir īstenota, balstoties uz DIAMETER protokolu. Neskatoties uz to, ka DIAMETER ir signālizēšanas protokols, NB-IoT tas ir pielāgots, lai pārsūtītu mazos non-IP datu apjomus.

Saskaņā ar nosaukumu SCEF ir pakalpojumu iespēju ekspozīcijas mezgls. Citiem vārdiem sakot, SCEF slēpj operatora tīkla sarežģītību un atvieglo lietotņu izstrādātājiem mobilo ierīču (UE) identifikāciju un autentifikāciju, nodrošinot iespēju lietotņu serveriem (Application Server, turpmāk AS) iegūt datus un pārvaldīt ierīces, izmantojot vienotu API saskarni.

UE identifikators vairs nav telefona numurs (MSISDN) vai IP adrese, kā tas bija klasiskajos 2G/3G/LTE tīklos, bet gan tā sauktais “external ID”, kas noteikts standartā parastajā izstrādātājiem saprotamā formātā “@”. Tas ir aparte, liela tēma, kas pelnījusi atsevišķu materiālu, tādēļ tagad par to sīkāk nerunāsim.

Tagad apskatīsim nozīmīgākās inovācijas. «CIoT EPS Optimization» ir mehānismu optimizācija datu plūsmu pārraidei un abonentu sesiju pārvaldībai. Šeit ir galvenie no tiem:

• DoNAS
• NIDD
• Enerģijas taupīšanas mehānismi PSM un eDRX
• HLCOM

DoNAS (Dati pār NAS):

Tas ir mehānisms, kas izstrādāts, lai optimizētu nelielu datu apjomu pārraidi.

Klasiskajā LTE abonenta ierīce reģistrējoties tīklā izveido PDN savienojumu (turpmāk PDN) caur eNodeB uz MME-SGW-PGW. Savienojums UE-eNodeB-MME ir tā sauktais “Signaling Radio Bearer” (SRB). Ja ir nepieciešams nosūtīt / saņemt datus, UE izveido vēl vienu savienojumu ar eNodeB — “Data Radio Bearer” (DRB), lai pārraidītu lietotāja datplūsmu uz SGW un tālāk uz PGW (S1-U un S5 saskarnes attiecīgi). Pēc datu apmaiņas un, ja nav datplūsmas noteiktu laiku (parasti 5-20 sekundes), šie savienojumi tiek pārtraukti, un ierīce pāriet gaidīšanas režīmā vai “Idle Mode”. Ja ir nepieciešama jaunu datu apmaiņa, SRB un DRB tiek atkārtoti izveidoti.

NB-IoT gadījumā lietotāja datplūsma var tikt pārraidīta caur signāla kanālu (SRB), protokola NAS ziņojumos (http://www.3gpp.org/more/96-nas). DRB izveide vairs nav nepieciešama. Tas būtiski samazina signāla slodzi, ietaupa tīkla radioresursus un, pats galvenais, pagarina ierīces baterijas mūžu.

Nodevumā eNodeB — MME lietotāja dati sāk tikt pārraidīti caur S1-MME saskarni, kas nebija klasiskajā LTE tehnoloģijā, un tam tiek izmantots NAS protokols, kurā parādās “User data container”.

Lai nodrošinātu “User Plane” datu pārraidi no MME uz SGW, parādās jauna S11-U saskarne, kas paredzēta, lai pārraidītu nelielus lietotāja datu apjomus. S11-U protokola pamats ir GTP-U v1, ko izmanto lietotāja plakni pārraidē arī citās 3GPP arhitektūras tīkla saskarnēs.

NIDD (non-IP datu piegāde):

Pēc tam, kad mehānismi mazu datu apjomu pārraidei tiek tālāk optimizēti, papildus jau esošajiem PDN veidiem, piemēram, IPv4, IPv6 un IPv4v6, ir parādījies vēl viens veids — non-IP. Šajā gadījumā UE netiek piešķirts IP adrese, un dati tiek pārraidīti bez IP protokola izmantošanas. Tam ir vairāki iemesli:

1. IoT ierīces, piemēram, sensori, spēj pārsūtīt ļoti mazas datu apjoma, 20 baitus un pat mazāk. Ņemot vērā, ka minimālais IP virsraksta izmērs ir 20 baitus, iesaiņošana IP dažreiz var būt pietiekami dārga apgādība;
2. Nav nepieciešama IP steka realizācija mikroshēmā, kas noved pie to cenu samazināšanās (diskusijai komentāros).

Plašāka nozīmē, IP adrese ir nepieciešama IoT ierīcēm, lai pārsūtītu datus caur internetu. NB-IoT konceptā SCEF darbojas kā vienota pieslēgšanās vieta AS, un datu apmaiņa starp ierīcēm un lietojumprogrammu serveriem notiek, izmantojot API. Bez SCEF non-IP dati uz AS var tikt pārsūtīti caur Point-to-Point (PtP) tuneli no PGW un iesaiņošana IP tiks veikta jau tajā.

Viss tas ietilpst NB-IoT paradigmas koncepcijā — maksimāla ierīču vienkāršošana un lētāka izstrāde.

Energoefektivitātes mehānismi PSM un eDRX:

Viens no galvenajiem LPWAN tīklu priekšrocībām ir energoefektivitāte. Apgalvo, ka ierīce spēj darboties līdz 10 gadiem ar vienu akumulatoru. Apskatīsim, kā tiek sasniegti šādi rezultāti.

Kad ierīce patērē vismazāk enerģijas? Pareizi, kad tā ir izslēgta. Un, ja pilnībā izslēgt ierīci nav iespējams, ļaujiet izslēgt radio moduli laika posmā, kamēr tas nav nepieciešams. Tomēr pirms tam tas jākoordinē ar tīklu.

PSM (Energo taupības režīms):

Energo taupības režīms PSM ļauj ierīcei ilgu laiku izslēgt radio moduli, paliekot reģistrētai tīklā, un nepārliekot PDN katru reizi, kad ir nepieciešams nosūtīt datus.

Lai tīkls zinātu, ka ierīce joprojām ir pieejama, tā periodiski uzsāk aktuālizācijas procedūru — Tracking Area Update (TAU). Šīs procedūras biežumu nosaka tīkls, izmantojot taimeri T3412, kuras vērtība tiek pārsūtīta ierīcei procedūras laikā, kad tā pieslēdzas vai veic kārtējo TAU. Klasiskajā LTE noklusējuma vērtība šim taimerim ir 54 minūtes, bet maksimālā — 186 minūtes. Tomēr, lai nodrošinātu augstu energoefektivitāti, priekšlaicīga izeja gaisā ik pēc 186 minūtēm ir pārāk dārga apgādība. Lai atrisinātu šo problēmu, tika izstrādāts PSM mehānisms.

Aparāts aktivizē PSM režīmu, nosūtot ziņojumos «Attach Request» vai «Tracking Area Request» divu taimeru T3324 un T3412-Extended vērtības. Pirmais nosaka laiku, kurā aparāts būs pieejams pēc pārejas uz «Idle Mode». Otrais ir laiks, pēc kura jāveic TAU, un tagad tā vērtība var sasniegt 35712000 sekundes jeb 413 dienas. Atkarībā no iestatījumiem MME var pieņemt taimeru vērtības, ko saņem no aparāta, vai mainīt tās, nosūtot jaunas vērtības ziņojumos «Attach Accept» vai «Tracking Area Update Accept». Tagad aparāts var neieslēgt radio moduli 413 dienas un tajā pašā laikā palikt reģistrētam tīklā. Rezultātā mēs iegūstam milzīgu tīkla resursu ekonomiju un ierīču energoefektivitāti!

Tomēr šajā režīmā aparāts nav pieejams tikai ienākošajām komunikācijām. Ja nepieciešams nosūtīt kaut ko uz lietojumprogrammu serveri, aparāts var jebkurā brīdī iziet no PSM un nosūtīt datus, paliekot pēc tam aktīvs laika taimerā T3324, lai saņemtu informācijas ziņojumus no AS (ja tādi būs).

eDRX (paplašināta pārtraukta uztveršana):

eDRX, paplašinātais pārtraukta uztveršanas režīms. Lai nosūtītu datus uz aparātu, kas atrodas «Idle mode», tīkls veic paziņošanas procedūru — «Paging». Saņemot paziņojumu, aparāts iniciē SRB izveidi turpmākai komunikācijai ar tīklu. Bet, lai nepalaistu garām adresētā paziņojuma Paging, aparatūrai pastāvīgi jāuzrauga radio ēteris, kas arī ir diezgan energoietilpīgi.

eDRX ir režīms, kad aparāts saņem ziņojumus no tīkla nepastāvīgi, bet periodiski. Piekļuves vai TAU procedūru laikā aparāts saskaņo ar tīklu laika intervālus, kuros tas klausīsies ēterī. Attiecīgi šajos intervālos notiks arī paziņošanas procedūra. eDRX režīmā aparāta darbība tiek sadalīta ciklos (eDRX cycle). Katrs cikls sākas ar tā saukto «paziņošanas logu» (Paging Time Window, turpmāk PTW) — tas ir laiks, kad aparāts klausās radio kanālu. Pēc PTW beigām aparāts izslēdz radio moduli līdz cikla beigām.

HLCOM (augstas latentuma komunikācija):

Ja nepieciešams nodot datus Uplink, ierīce var iziet no jebkura no šiem diviem enerģijas taupīšanas režīmiem, negaidot PSM vai eDRX cikla beigās. Tomēr datus uz ierīci var nodot tikai tad, kad tā ir aktīva.

Funkcionalitāte HLCOM vai komunikācija ar augstiem kavējumiem ir Downlink paketu buferizēšana SGW, kamēr ierīce atrodas enerģijas taupīšanas režīmā un nav pieejama komunikācijai. Buferizētie paketi tiks piegādāti, tiklīdz ierīce izies no PSM, veiks TAU vai nodos Uplink trafiku, vai kad iestāsies PTW.

Tas noteikti prasa IoT produktu izstrādātāju apzināšanos, jo komunikācija ar ierīci nav reālā laikā un prasa noteiktu pieeju biznesa loģikas veidošanai aplikācijās.

Noslēgumā sakām: jaunā ieviešana vienmēr ir aizraujoša, un šobrīd mēs saskaramies ar standartu, kas pat nav pilnībā pārbaudīts pat pie pasaules "līdzzinātājiem", piemēram, Vodafone un Telefonica – tādēļ tas ir divkārt aizraujoši. Mūsu materiāla pasniegšana nepretendē uz absolūtu pilnību, taču ceram, ka tā nodrošina pietiekamu izpratni par tehnoloģiju. Būsim pateicīgi par atsauksmēm.

Autors: Eksperts konverģento risinājumu un multimediju pakalpojumu nodaļā Aleksejs Lapšins aslapsh

Avots: habr.com