Ostatnio rozmawialiśmy o cechach nowego standardu NB-IoT z perspektywy architektury sieci radiowej. Dziś przedyskutujemy, co zmieniło się w rdzeniu sieci (Core Network) w przypadku NB-IoT. Zaczynajmy.
W rdzeniu sieci zaszły znaczące zmiany. Zaczniemy od tego, że pojawił się nowy element, a także szereg mechanizmów, które standard określa jako "CIoT EPS Optimization" lub optymalizację sieci rdzeniowej dla mobilnego internetu rzeczy.
Jak wiadomo, w sieciach mobilnych istnieją dwa podstawowe kanały komunikacji, zwane Control Plane (CP) i User Plane (UP). Control Plane jest przeznaczony do wymiany wiadomości sterujących pomiędzy różnymi elementami sieci i służy do zarządzania mobilnością (Mobility management) urządzeń (UE) oraz ustanawiania/podtrzymywania sesji transmisji danych (Session Management). User Plane to właściwie kanał przesyłania ruchu użytkownika. W klasycznym LTE rozkład CP i UP na interfejsach wygląda następująco:
Mechanizmy optymalizacji CP i UP dla NB-IoT są realizowane na węzłach MME, SGW i PGW, które są w przybliżeniu łączone w jeden element zwany C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Standard zakłada również pojawienie się nowego elementu sieci — SCEF (Service Capability Exposure Function). Interfejs pomiędzy MME a SCEF nazywa się T6a i jest realizowany na bazie protokołu DIAMETER. Mimo że DIAMETER to protokół sygnalizacyjny, w NB-IoT jest on dostosowany do przesyłania małych ilości danych non-IP.
Z nazwy wynika, że SCEF to węzeł wystawiania możliwości serwisowych. Innymi słowy, SCEF ukrywa złożoność sieci operatora oraz zwalnia programistów aplikacji z konieczności identyfikacji i autoryzacji urządzeń mobilnych (UE), umożliwiając serwerom aplikacji (Application Server, dalej AS) uzyskiwanie danych i zarządzanie urządzeniami za pośrednictwem jednolitego interfejsu API.
Identyfikatorem UE nie jest numer telefonu (MSISDN) ani adres IP, jak to miało miejsce w klasycznej sieci 2G/3G/LTE, ale tak zwany „external ID”, który standard określa w znanym programistom formacie „@”. To osobny, duży temat, zasługujący na osobny materiał, dlatego nie będziemy teraz o tym szczegółowo mówić.
Teraz przyjrzyjmy się najważniejszym nowościom. „Optymalizacja CIoT EPS” to optymalizacja mechanizmów transmisji ruchu i zarządzania sesjami abonentów. Oto ich główne elementy:
- DoNAS
- NIDD
- Mechanizmy oszczędzania energii PSM i eDRX
- HLCOM
DoNAS (Data over NAS):
To mechanizm zaprojektowany w celu optymalizacji przesyłania małych ilości danych.
W klasycznym LTE urządzenie abonenta podczas rejestracji w sieci ustanawia połączenie PDN (dalej PDN) przez eNodeB z MME-SGW-PGW. Połączenie UE-eNodeB-MME to tzw. „Signaling Radio Bearer” (SRB). W razie potrzeby przesłania/otrzymania danych UE nawiązuje kolejne połączenie z eNodeB — „Data Radio Bearer” (DRB), do przesyłania ruchu użytkownika do SGW, a następnie do PGW (interfejsy S1-U i S5 odpowiednio). Po zakończeniu wymiany i przy braku ruchu przez pewien czas (zwykle 5-20 sekund) te połączenia są zrywane, a urządzenie przechodzi w tryb oczekiwania, czyli „Idle Mode”. W razie potrzeby wymiany nowej partii danych SRB i DRB są ponownie nawiązywane.
W NB-IoT przesyłanie ruchu użytkownika może odbywać się przez kanał sygnalizacyjny (SRB), w wiadomościach protokołu NAS (). Ustanowienie DRB nie jest już wymagane. Znacznie to zmniejsza obciążenie sygnalizacyjne, oszczędza zasoby radiowe sieci i, co najważniejsze — wydłuża czas pracy baterii urządzenia.
Na odcinku eNodeB — MME dane użytkownika zaczynają być przesyłane przez interfejs S1-MME, co nie miało miejsca w klasycznej technologii LTE, i używany jest do tego protokół NAS, w którym pojawia się „User data container”.
Aby zrealizować przesyłanie „User Plane” od MME do SGW, pojawia się nowy interfejs S11-U, który ma na celu przesyłanie małych ilości danych użytkowników. W oparciu o protokół S11-U leży GTP-U v1, który jest używany do przesyłania User Plane również na innych interfejsach architektury sieci 3GPP.
NIDD (non-IP data delivery):
W ramach dalszej optymalizacji mechanizmów przesyłania małych ilości danych, obok już istniejących typów PDN, takich jak IPv4, IPv6 i IPv4v6, pojawił się kolejny typ — non-IP. W tym przypadku UE nie ma przypisanego adresu IP, a dane są przesyłane bez użycia protokołu IP. Istnieje kilka powodów, dla których tak jest:
- Urządzenia IoT, takie jak czujniki, mogą przesyłać bardzo małe ilości danych, 20 bajtów lub nawet mniej. Biorąc pod uwagę, że minimalny rozmiar nagłówka IP wynosi 20 bajtów, enkapsulacja w IP może być czasami dość kosztowna;
- Brak potrzeby wdrażania stosu IP w chipie, co prowadzi do obniżenia ich kosztów (temat do dyskusji w komentarzach).
Ogólnie rzecz biorąc, adres IP jest potrzebny urządzeniom IoT do przesyłania danych przez internet. W koncepcji NB-IoT SCEF pełni rolę jednego punktu dostępu AS, a wymiana danych między urządzeniami a serwerami aplikacji odbywa się za pomocą API. W przypadku braku SCEF dane non-IP mogą być przekazywane do AS przez tunel Point-to-Point (PtP) od PGW, a enkapsulacja w IP będzie miała miejsce dopiero na nim.
Wszystko wpisuje się w paradygmat NB-IoT — maksymalne upraszczanie i obniżanie kosztów urządzeń.
Mechanizmy oszczędzania energii PSM i eDRX:
Jedną z kluczowych zalet sieci LPWAN jest efektywność energetyczna. Zgłasza się czas pracy urządzenia na jednej baterii do 10 lat. Przyjrzyjmy się, jak osiągane są takie wartości.
Kiedy urządzenie zużywa najmniej energii? Odpowiedź: gdy jest wyłączone. I jeśli nie można całkowicie wyłączyć urządzenia, wyłączmy moduł radiowy na czas, gdy nie jest potrzebny. Tylko wcześniej trzeba to uzgodnić z siecią.
PSM (tryb oszczędzania energii):
Tryb oszczędzania energii PSM pozwala urządzeniu na długotrwałe wyłączenie modułu radiowego, przy jednoczesnym pozostawaniu zarejestrowanym w sieci i unikaniu ponownego nawiązywania PDN za każdym razem, gdy konieczne jest przesłanie danych.
Aby sieć wiedziała, że urządzenie wciąż jest dostępne, okresowo inicjuje procedurę aktualizacji — Tracking Area Update (TAU). Częstotliwość tej procedury ustala sieć za pomocą timera T3412, którego wartość jest przekazywana urządzeniu podczas procedury Attach lub kolejnego TAU. W klasycznym LTE domyślna wartość tego timera wynosi 54 minuty, a maksymalna — 186 minut. Jednak dla zapewnienia wysokiej efektywności energetycznej konieczność wychodzenia w radiowe pasmo co 186 minut to zbyt kosztowne rozwiązanie. W tym celu opracowano mechanizm PSM.
Urządzenie aktywuje tryb PSM, przesyłając w komunikatach „Attach Request” lub „Tracking Area Request” wartości dwóch timerów T3324 i T3412-Extended. Pierwszy z nich określa czas, przez który urządzenie będzie dostępne po przejściu w „Idle Mode”. Drugi — to czas, po którym powinno zostać wykonane TAU, przy czym jego wartość może osiągnąć 35712000 sekund lub 413 dni. W zależności od ustawień MME może zaakceptować wartości timerów otrzymane od urządzenia lub je zmienić, przesyłając nowe wartości w komunikatach „Attach Accept” lub „Tracking Area Update Accept”. Urządzenie może teraz nie włączać modułu radiowego przez 413 dni, pozostając jednocześnie zarejestrowanym w sieci. W rezultacie uzyskujemy ogromne oszczędności zasobów sieciowych i efektywność energetyczną urządzeń!
Jednak w tym trybie urządzenie jest niedostępne tylko dla przychodzącej komunikacji. W razie potrzeby przesłania czegokolwiek w stronę serwera aplikacji, urządzenie może w każdej chwili wyjść z PSM i wysłać dane, pozostając aktywnym przez czas trwania timera T3324 w celu odbioru komunikatów informacyjnych od AS (jeśli takie będą).
eDRX (rozszerzony tryb przerwowego odbioru):
eDRX, rozszerzony tryb przerwowego odbioru. Aby przesłać dane do urządzenia znajdującego się w „Idle mode”, sieć wykonuje procedurę powiadamiania — „Paging”. Po otrzymaniu pingu, urządzenie inicjuje ustanowienie SRB w celu dalszej komunikacji z siecią. Aby nie przegapić adresowanego mu komunikatu Paging, urządzenie musi nieustannie monitorować radioefir, co również jest dość energochłonne.
eDRX — to tryb, w którym urządzenie odbiera komunikaty z sieci nieustannie, lecz okresowo. W trakcie procedur Attach lub TAU urządzenie uzgadnia z siecią przedziały czasowe, w których będzie „słuchać” eteru. Odpowiednio w tych samych przedziałach będzie przeprowadzana procedura Paging. W trybie eDRX praca urządzenia dzieli się na cykle (cykl eDRX). Na początku każdego cyklu występuje tzw. „okno powiadamiania” (Paging Time Window, dalej PTW) — to czas, w którym urządzenie słucha radiokanału. Po zakończeniu PTW urządzenie wyłącza moduł radiowy do końca cyklu.
HLCOM (komunikacja o wysokiej latencji):
W razie potrzeby przesyłania danych do Uplinku urządzenie może wyjść z dowolnego z tych dwóch trybów oszczędzania energii, nie czekając na zakończenie cyklu PSM lub eDRX. Jednak przekazywać dane do urządzenia można tylko wtedy, gdy jest aktywne.
Funkcjonalność HLCOM lub komunikacja z wysokimi opóźnieniami służy do buforowania pakietów Downlink na SGW przez czas, gdy urządzenie jest w trybie oszczędzania energii i niedostępne do komunikacji. Zbuforowane pakiety zostaną dostarczone, gdy tylko urządzenie wyjdzie z PSM, wykona TAU lub prześle ruch Uplink, lub gdy nadejdzie PTW.
To z pewnością wymaga świadomości ze strony twórców produktów IoT, ponieważ komunikacja z urządzeniem nie odbywa się w czasie rzeczywistym i wymaga określonego podejścia do konstrukcji logiki biznesowej działania aplikacji.
Podsumowując, można powiedzieć, że wprowadzenie nowego zawsze jest ekscytujące, a obecnie mamy do czynienia ze standardem, który nie został jeszcze w pełni przetestowany nawet przez światowych «gigantów» takich jak Vodafone i Telefonica – dlatego jest to podwójnie ekscytujące. Nasze przedstawienie materiału nie rości sobie pretensji do całkowitej wszechstronności, ale mamy nadzieję, że zapewnia wystarczające zrozumienie technologii. Będziemy wdzięczni za opinie.
Autor: Ekspert działu rozwiązań konwergentnych i usług multimedialnych Aleksej Łapszin
Źródło: habr.com
