De vorige keer hadden we het over de kenmerken van de nieuwe NB-IoT-standaard vanuit het oogpunt van de architectuur van het radiotoegangsnetwerk. Vandaag bespreken we wat er is veranderd in het kernnetwerk onder NB-IoT. Dus laten we gaan.
Er hebben aanzienlijke veranderingen plaatsgevonden in de kern van het netwerk. Laten we beginnen met het feit dat er een nieuw element is verschenen, evenals een aantal mechanismen, die door de standaard worden gedefinieerd als "CIoT EPS-optimalisatie" of optimalisatie van het kernnetwerk voor het mobiele internet der dingen.
Zoals u weet, zijn er in mobiele netwerken twee belangrijke communicatiekanalen, genaamd Control Plane (CP) en User Plane (UP). Control Plane is bedoeld voor de uitwisseling van serviceberichten tussen verschillende netwerkelementen en wordt gebruikt om de mobiliteit (Mobility management) van apparaten (UE) te garanderen en een datatransmissiesessie op te zetten/te onderhouden (Session Management). User Plane is in feite een kanaal voor het verzenden van gebruikersverkeer. In klassieke LTE is de verdeling van CP en UP over interfaces als volgt:
CP- en UP-optimalisatiemechanismen voor NB-IoT worden geïmplementeerd op MME-, SGW- en PGW-knooppunten, die conventioneel worden gecombineerd in een enkel element genaamd C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). De standaard gaat ook uit van de opkomst van een nieuw netwerkelement: SCEF (Service Capability Exposure Function). De interface tussen MME en SCEF heet T6a en is geïmplementeerd op basis van het DIAMETER-protocol. Ondanks het feit dat DIAMETER een signaleringsprotocol is, is het in NB-IoT aangepast voor de overdracht van kleine hoeveelheden niet-IP-gegevens.
Zoals de naam al doet vermoeden, is SCEF een Service Capability Exhibit Node. Met andere woorden, SCEF verbergt de complexiteit van het netwerk van de operator en ontlast applicatieontwikkelaars ook van de noodzaak om mobiele apparaten (UE) te identificeren en te authenticeren, waardoor applicatieservers (Application Server, hierna AS) gegevens kunnen ontvangen en apparaten kunnen beheren via één enkele interface. API-interface.
De UE-identifier wordt geen telefoonnummer (MSISDN) of een IP-adres, zoals het geval was in het klassieke 2G/3G/LTE-netwerk, maar de zogenaamde “externe ID”, die door de standaard wordt gedefinieerd in het bekende formaat aan applicatieontwikkelaars “ @ " Dit is een apart groot onderwerp dat apart materiaal verdient, dus we zullen er nu niet in detail over praten.
Laten we nu eens kijken naar de belangrijkste innovaties. “CIoT EPS Optimization” is de optimalisatie van verkeerstransmissiemechanismen en abonneesessiebeheer. Dit zijn de belangrijkste:
- DoNAS
- NID
- PSM- en eDRX-energiebesparende mechanismen
- HLCOM
DoNAS (gegevens via NAS):
Dit is een mechanisme dat is ontworpen om de overdracht van kleine hoeveelheden gegevens te optimaliseren.
Bij klassieke LTE brengt een abonneeapparaat bij registratie in het netwerk via eNodeB een PDN-verbinding (hierna PDN genoemd) met de MME-SGW-PGW tot stand. De UE-eNodeB-MME-verbinding is een zogenaamde “Signaling Radio Bearer” (SRB). Als het nodig is om gegevens te verzenden/ontvangen, brengt de UE een andere verbinding tot stand met de eNodeB - "Data Radio Bearer" (DRB), om gebruikersverkeer naar de SGW en verder naar de PGW te verzenden (respectievelijk interfaces S1-U en S5) . Aan het einde van de uitwisseling en als er enige tijd (meestal 5-20 seconden) geen verkeer is, worden deze verbindingen verbroken en gaat het apparaat naar de stand-bymodus of de “inactieve modus”. Als het nodig is om een nieuw deel van de gegevens uit te wisselen, worden SRB en DRB gereset.
In NB-IoT kan de overdracht van gebruikersverkeer worden uitgevoerd via een signaleringskanaal (SRB), in NAS-protocolberichten (). Het instellen van een DRB is niet langer nodig. Dit vermindert de signaalbelasting aanzienlijk, bespaart netwerkradiobronnen en, belangrijker nog, verlengt de levensduur van de batterij van het apparaat.
In de eNodeB - MME-sectie beginnen gebruikersgegevens te worden verzonden via de S1-MME-interface, wat niet het geval was in de klassieke LTE-technologie, en hiervoor wordt het NAS-protocol gebruikt, waarin de "Gebruikersgegevenscontainer" verschijnt.
Om de overdracht van “User Plane” van MME naar SGW uit te voeren, verschijnt een nieuwe interface S11-U, die is ontworpen voor de overdracht van kleine hoeveelheden gebruikersgegevens. Het S11-U-protocol is gebaseerd op GTP-U v1, dat wordt gebruikt voor User Plane-transmissie op andere netwerkinterfaces van de 3GPP-architectuur.
NIDD (niet-IP-gegevenslevering):
Als onderdeel van de verdere optimalisatie van mechanismen voor het verzenden van kleine hoeveelheden gegevens, is er naast de reeds bestaande PDN-typen, zoals IPv4, IPv6 en IPv4v6, een ander type verschenen: niet-IP. In dit geval krijgt de UE geen IP-adres toegewezen en worden gegevens verzonden zonder gebruik te maken van het IP-protocol. Hier zijn verschillende redenen voor:
- IoT-apparaten zoals sensoren kunnen zeer kleine hoeveelheden gegevens verzenden, 20 bytes of minder. Aangezien de minimale IP-headergrootte 20 bytes is, kan IP-inkapseling soms behoorlijk duur zijn;
- Het is niet nodig om een IP-stack op de chip te implementeren, wat leidt tot een verlaging van de kosten (een vraag ter discussie in de opmerkingen).
Over het algemeen is een IP-adres nodig voor IoT-apparaten om gegevens via internet te verzenden. In het NB-IoT-concept fungeert de SCEF als één AS-verbindingspunt en vindt de gegevensuitwisseling tussen apparaten en applicatieservers plaats via API. Bij afwezigheid van SCEF kunnen niet-IP-gegevens via een Point-to-Point (PtP)-tunnel vanaf de PGW naar de AS worden verzonden en wordt daarop IP-inkapseling uitgevoerd.
Dit alles past in het NB-IoT-paradigma: maximale vereenvoudiging en verlaging van de kosten van apparaten.
PSM- en eDRX-energiebesparende mechanismen:
Een van de belangrijkste voordelen van LPWAN-netwerken is energie-efficiëntie. Er wordt beweerd dat het apparaat tot 10 jaar meegaat op één batterij. Laten we eens kijken hoe dergelijke waarden worden bereikt.
Wanneer verbruikt een apparaat de minste energie? Correct als het is uitgeschakeld. En als het onmogelijk is om het apparaat volledig spanningsloos te maken, laten we dan de radiomodule spanningsloos maken zolang dit niet nodig is. U hoeft dit alleen eerst met het netwerk af te stemmen.
PSM (energiebesparende modus):
Dankzij de energiebesparende PSM-modus kan het apparaat de radiomodule voor een lange tijd uitschakelen, terwijl het toch geregistreerd blijft in het netwerk, en hoeft de PDN niet elke keer opnieuw te worden geïnstalleerd als er gegevens moeten worden verzonden.
Om het netwerk te laten weten dat het apparaat nog steeds beschikbaar is, start het periodiek een updateprocedure: Tracking Area Update (TAU). De frequentie van deze procedure wordt door het netwerk ingesteld met behulp van timer T3412, waarvan de waarde naar het apparaat wordt verzonden tijdens de Attach-procedure of de volgende TAU. In klassieke LTE is de standaardwaarde van deze timer 54 minuten en het maximum is 186 minuten. Om een hoge energie-efficiëntie te garanderen is de noodzaak om elke 186 minuten in de lucht te gaan echter te duur. Om dit probleem op te lossen is het PSM-mechanisme ontwikkeld.
Het apparaat activeert de PSM-modus door de waarden van twee timers T3324 en T3412-Extended te verzenden in de berichten "Attach Request" of "Tracking Area Request". De eerste bepaalt de tijd dat het apparaat beschikbaar zal zijn na het overschakelen naar de “Idle Mode”. De tweede is de tijd waarna de TAU moet worden gemaakt, alleen nu kan de waarde ervan 35712000 seconden of 413 dagen bereiken. Afhankelijk van de instellingen kan de MME de van het apparaat ontvangen timerwaarden accepteren of wijzigen door nieuwe waarden te verzenden in de berichten "Attach Accept" of "Tracking Area Update Accept". Nu kan het apparaat de radiomodule 413 dagen lang niet inschakelen en geregistreerd blijven in het netwerk. Als gevolg hiervan krijgen we enorme besparingen op netwerkbronnen en energie-efficiëntie van apparaten!
In deze modus is het apparaat echter niet alleen beschikbaar voor inkomende communicatie. Als het nodig is om iets naar de applicatieserver te verzenden, kan het apparaat PSM op elk moment afsluiten en gegevens verzenden, waarna het tijdens de T3324-timer actief blijft om informatieberichten van de AS te ontvangen (indien aanwezig).
eDRX (uitgebreide discontinue ontvangst):
eDRX, verbeterde intermitterende ontvangst. Om gegevens over te dragen naar een apparaat dat zich in de “Inactieve modus” bevindt, voert het netwerk een meldingsprocedure uit - “Paging”. Bij het ontvangen van een oproep initieert het apparaat het opzetten van een SRB voor verdere communicatie met het netwerk. Maar om het pagingbericht dat eraan is gericht niet te missen, moet het apparaat voortdurend de radiolucht in de gaten houden, wat ook behoorlijk energieverslindend is.
eDRX is een modus waarin het apparaat niet voortdurend, maar periodiek berichten van het netwerk ontvangt. Tijdens de Attach- of TAU-procedures komt het apparaat met het netwerk de tijdsintervallen overeen waarin het naar de uitzending zal “luisteren”. Dienovereenkomstig zal de oproepprocedure met dezelfde intervallen worden uitgevoerd. In de eDRX-modus is de werking van het apparaat verdeeld in cycli (eDRX-cyclus). Aan het begin van elke cyclus is er een zogenaamd “pagingvenster” (Paging Time Window, hierna PTW genoemd) - dit is de tijd dat het apparaat naar het radiokanaal luistert. Aan het einde van de PTW schakelt het apparaat de radiomodule uit tot het einde van de cyclus.
HLCOM (communicatie met hoge latentie):
Als het gegevens naar Uplink moet overbrengen, kan het apparaat een van deze twee energiebesparende modi verlaten zonder te wachten tot de PSM- of eDRX-cyclus is voltooid. Maar het is alleen mogelijk om gegevens naar het apparaat over te dragen als het actief is.
HLCOM-functionaliteit of communicatie met hoge latentie is het bufferen van Downlink-pakketten op de SGW terwijl het apparaat in de energiebesparende modus staat en niet beschikbaar is voor communicatie. Gebufferde pakketten worden afgeleverd zodra het apparaat PSM verlaat door TAU uit te voeren of Uplink-verkeer door te geven, of wanneer PTW plaatsvindt.
Dit vereist uiteraard bewustzijn van de kant van ontwikkelaars van IoT-producten, aangezien communicatie met een apparaat niet in realtime plaatsvindt en een bepaalde benadering vereist bij het ontwerpen van de bedrijfslogica van applicaties.
Laten we tot slot zeggen: de introductie van iets nieuws is altijd spannend, maar nu hebben we te maken met een standaard die zelfs door de ‘bizons’ van de wereld, zoals Vodafone en Telefonica, nog niet volledig is getest - dus het is dubbel spannend. Onze presentatie van het materiaal pretendeert niet absoluut compleet te zijn, maar we hopen dat het voldoende inzicht geeft in de technologie. Wij stellen uw feedback op prijs.
Auteur: Expert van de afdeling Convergente Oplossingen en Multimediadiensten Alexey Lapshin
Bron: www.habr.com