Ostatni raz rozmawialiśmy o cechach nowego standardu NB-IoT z punktu widzenia architektury radiowej sieci dostępowej. Dzisiaj omówimy, co zmieniło się w sieci szkieletowej w ramach NB-IoT. Więc chodźmy.
Istotne zmiany zaszły w rdzeniu sieci. Zacznijmy od tego, że pojawił się nowy element, a także szereg mechanizmów, które standard określa jako „Optymalizacja CIoT EPS”, czyli optymalizacja sieci rdzeniowej dla komórkowego Internetu rzeczy.
Jak wiadomo, w sieciach komórkowych istnieją dwa główne kanały komunikacji, zwane płaszczyzną sterowania (CP) i płaszczyzną użytkownika (UP). Control Plane przeznaczony jest do wymiany komunikatów serwisowych pomiędzy różnymi elementami sieci i służy do zapewnienia mobilności (zarządzanie mobilnością) urządzeń (UE) oraz ustanawiania/utrzymywania sesji transmisji danych (Session Management). Płaszczyzna użytkownika jest w rzeczywistości kanałem do transmisji ruchu użytkowników. W klasycznym LTE rozkład CP i UP pomiędzy interfejsami wygląda następująco:
Mechanizmy optymalizacyjne CP i UP dla NB-IoT zaimplementowane są na węzłach MME, SGW i PGW, które tradycyjnie łączone są w jeden element zwany C-SGN (ang. Cellular IoT Serving Gateway Node). Norma zakłada także pojawienie się nowego elementu sieci – SCEF (Service Capability Exposure Function). Interfejs pomiędzy MME a SCEF nosi nazwę T6a i jest realizowany w oparciu o protokół DIAMETER. Pomimo tego, że DIAMETER jest protokołem sygnalizacyjnym, w NB-IoT jest on przystosowany do transmisji niewielkich ilości danych innych niż IP.
Jak sama nazwa wskazuje, SCEF jest węzłem wykazującym możliwości usługowe. Inaczej mówiąc, SCEF ukrywa złożoność sieci operatora, a także odciąża twórców aplikacji z konieczności identyfikacji i uwierzytelniania urządzeń mobilnych (UE), umożliwiając serwerom aplikacji (Serwerowi Aplikacji, dalej AS) odbieranie danych i zarządzanie urządzeniami za pośrednictwem jednego Interfejs API.
Identyfikator UE nie staje się numerem telefonu (MSISDN) czy adresem IP, jak miało to miejsce w klasycznej sieci 2G/3G/LTE, ale tzw. „identyfikatorem zewnętrznym”, który jest definiowany przez normę w znanym formacie dla twórców aplikacji „@”. To osobny, duży temat, który zasługuje na osobny materiał, więc nie będziemy teraz o tym szczegółowo rozmawiać.
Przyjrzyjmy się teraz najważniejszym innowacjom. „Optymalizacja EPS CIoT” to optymalizacja mechanizmów transmisji ruchu i zarządzania sesją abonenta. Oto główne:
- DoNAS
- NIDD
- Mechanizmy oszczędzania energii PSM i eDRX
- HLCOM
DoNAS (dane przez NAS):
Jest to mechanizm mający na celu optymalizację przesyłania małych ilości danych.
W klasycznym LTE, podczas rejestracji w sieci, urządzenie abonenckie nawiązuje połączenie PDN (dalej PDN) poprzez eNodeB z MME-SGW-PGW. Połączenie UE-eNodeB-MME to tak zwany „nośnik radiowy sygnalizacyjny” (SRB). W przypadku konieczności przesłania/odbioru danych UE nawiązuje kolejne połączenie z eNodeB - „Data Radio Bearer” (DRB), w celu przesyłania ruchu użytkownika do SGW i dalej do PGW (odpowiednio interfejsy S1-U i S5) . Po zakończeniu wymiany i braku ruchu przez jakiś czas (zwykle 5-20 sekund) połączenia te zostają zakończone, a urządzenie przechodzi w tryb czuwania lub „Tryb bezczynności”. W przypadku konieczności wymiany nowej porcji danych następuje reset SRB i DRB.
W NB-IoT transmisja ruchu użytkowników może odbywać się poprzez kanał sygnalizacyjny (SRB), w komunikatach protokołu NAS (). Konfigurowanie DRB nie jest już wymagane. To znacznie zmniejsza obciążenie sygnału, oszczędza zasoby sieci radiowej i, co najważniejsze, wydłuża żywotność baterii urządzenia.
W sekcji eNodeB – MME rozpoczyna się transmisja danych użytkownika poprzez interfejs S1-MME, co nie miało miejsca w klasycznej technologii LTE i wykorzystuje się do tego protokół NAS, w którym pojawia się „Kontener danych użytkownika”.
Aby przeprowadzić transfer „Płaszczyzny użytkownika” z MME do SGW, pojawia się nowy interfejs S11-U, który jest przeznaczony do przesyłania niewielkich ilości danych użytkownika. Protokół S11-U oparty jest na GTP-U v1, który służy do transmisji User Plane na innych interfejsach sieciowych architektury 3GPP.
NIDD (dostarczanie danych bez protokołu IP):
W ramach dalszej optymalizacji mechanizmów przesyłania małych ilości danych, oprócz już istniejących typów PDN, takich jak IPv4, IPv6 i IPv4v6, pojawił się kolejny typ – non-IP. W tym przypadku UE nie jest przypisywany adres IP, a dane są przesyłane bez użycia protokołu IP. Istnieje kilka powodów:
- Urządzenia IoT, takie jak czujniki, mogą przesyłać bardzo małe ilości danych, maksymalnie 20 bajtów. Biorąc pod uwagę, że minimalny rozmiar nagłówka IP wynosi 20 bajtów, enkapsulacja IP może czasami być dość kosztowna;
- Nie ma konieczności implementowania stosu IP na chipie, co prowadzi do obniżenia ich kosztów (pytanie do dyskusji w komentarzach).
Ogólnie rzecz biorąc, adres IP jest niezbędny, aby urządzenia IoT mogły przesyłać dane przez Internet. W koncepcji NB-IoT SCEF pełni rolę pojedynczego punktu podłączenia AS, a wymiana danych pomiędzy urządzeniami i serwerami aplikacji odbywa się poprzez API. W przypadku braku SCEF dane inne niż IP mogą być przesyłane do systemu AS poprzez tunel Point-to-Point (PtP) z PGW i zostanie w nim przeprowadzona enkapsulacja IP.
Wszystko to wpisuje się w paradygmat NB-IoT – maksymalne uproszczenie i obniżenie kosztów urządzeń.
Mechanizmy oszczędzania energii PSM i eDRX:
Jedną z kluczowych zalet sieci LPWAN jest efektywność energetyczna. Urządzenie ma wytrzymać do 10 lat na jednej baterii. Zastanówmy się, jak osiąga się takie wartości.
Kiedy urządzenie zużywa najmniej energii? Popraw, gdy jest wyłączony. A jeśli nie da się całkowicie odłączyć urządzenia od zasilania, odłączmy moduł radiowy na czas, kiedy nie będzie on potrzebny. Najpierw musisz to tylko skoordynować z siecią.
PSM (tryb oszczędzania energii):
Tryb oszczędzania energii PSM pozwala urządzeniu na dłuższy czas wyłączyć moduł radiowy, pozostając zarejestrowanym w sieci, i nie instalować PDN za każdym razem, gdy zachodzi potrzeba transmisji danych.
Aby sieć wiedziała, że urządzenie jest nadal dostępne, okresowo inicjuje procedurę aktualizacji – Tracking Area Update (TAU). Częstotliwość tej procedury jest ustalana przez sieć za pomocą timera T3412, którego wartość jest przesyłana do urządzenia podczas procedury Dołącz lub następnego TAU. W klasycznym LTE domyślna wartość tego timera to 54 minuty, a maksymalna to 186 minut. Jednak aby zapewnić wysoką efektywność energetyczną, konieczność wchodzenia na antenę co 186 minut jest zbyt kosztowna. Aby rozwiązać ten problem, opracowano mechanizm PSM.
Urządzenie aktywuje tryb PSM poprzez transmisję wartości dwóch timerów T3324 i T3412-Extended w wiadomościach „Attach Request” lub „Tracking Area Request”. Pierwsza określa czas, przez który urządzenie będzie dostępne po przejściu w „Tryb bezczynności”. Drugi to czas, po którym należy wykonać TAU, dopiero teraz jego wartość może osiągnąć 35712000 413 413 sekund, czyli XNUMX dni. W zależności od ustawień, MME może akceptować wartości timera otrzymane z urządzenia lub zmieniać je wysyłając nowe wartości w wiadomościach „Attach Accept” lub „Tracking Area Update Update Accept”. Teraz urządzenie nie może włączyć modułu radiowego przez XNUMX dni i pozostaje zarejestrowane w sieci. Dzięki temu uzyskujemy ogromne oszczędności w zasobach sieciowych i energooszczędności urządzeń!
Jednak w tym trybie urządzenie nie jest dostępne tylko dla komunikacji przychodzącej. Jeśli zajdzie potrzeba przesłania czegoś do serwera aplikacji, urządzenie może w dowolnym momencie wyjść z PSM i wysłać dane, po czym pozostaje aktywne przez timer T3324 w celu odbioru komunikatów informacyjnych od AS (jeśli taki istnieje).
eDRX (przedłużony odbiór nieciągły):
eDRX, wzmocniony odbiór przerywany. Aby przesłać dane do urządzenia znajdującego się w „trybie bezczynności”, sieć wykonuje procedurę powiadamiania - „Przywoływanie”. Po odebraniu przywołania urządzenie inicjuje ustanowienie SRB w celu dalszej komunikacji z siecią. Aby jednak nie przegapić skierowanego do niego komunikatu przywoławczego, urządzenie musi stale monitorować powietrze radiowe, które również jest dość energochłonne.
eDRX to tryb, w którym urządzenie nie odbiera wiadomości z sieci w sposób ciągły, lecz okresowo. Podczas procedur Dołącz lub TAU urządzenie uzgadnia z siecią przedziały czasowe, w których będzie „słuchać” transmisji. W związku z tym procedura stronicowania będzie wykonywana w tych samych odstępach czasu. W trybie eDRX praca urządzenia podzielona jest na cykle (cykl eDRX). Na początku każdego cyklu znajduje się tzw. „okno przywoławcze” (ang. Paging Time Window, zwane dalej PTW) – jest to czas, w którym urządzenie nasłuchuje kanału radiowego. Po zakończeniu PTW urządzenie wyłącza moduł radiowy do końca cyklu.
HLCOM (komunikacja z dużym opóźnieniem):
Jeśli zachodzi potrzeba przesłania danych do Uplink, urządzenie może wyjść z jednego z dwóch trybów oszczędzania energii, nie czekając na zakończenie cyklu PSM lub eDRX. Ale możliwe jest przesyłanie danych do urządzenia tylko wtedy, gdy jest ono aktywne.
Funkcjonalność HLCOM lub komunikacja o dużym opóźnieniu polega na buforowaniu pakietów łącza w dół w SGW, gdy urządzenie znajduje się w trybie oszczędzania energii i nie jest dostępne do komunikacji. Buforowane pakiety zostaną dostarczone, gdy tylko urządzenie opuści PSM poprzez wykonanie TAU lub przekazanie ruchu Uplink, lub gdy nastąpi PTW.
Wymaga to oczywiście świadomości twórców produktów IoT, gdyż komunikacja z urządzeniem nie odbywa się w czasie rzeczywistym i wymaga pewnego podejścia do projektowania logiki biznesowej aplikacji.
Podsumowując, powiedzmy: wprowadzenie czegoś nowego zawsze ekscytuje, ale teraz mamy do czynienia ze standardem, który nie został do końca przetestowany nawet przez światowych „żubrów”, jak Vodafone i Telefonica – jest więc podwójnie ekscytujący. Nasza prezentacja materiału nie udaje, że jest całkowicie kompletna, ale mamy nadzieję, że zapewnia wystarczające zrozumienie technologii. Będziemy wdzięczni za Twoją opinię.
Autor: Ekspert Katedry Rozwiązań Konwergentnych i Usług Multimedialnych Alexey Lapshin
Źródło: www.habr.com