Minule sme hovorili o vlastnostiach nového štandardu NB-IoT z pohľadu architektúry rádiovej prístupovej siete. Dnes budeme diskutovať o tom, čo sa zmenilo v základnej sieti v rámci NB-IoT. Tak, poďme.
V jadre siete došlo k významným zmenám. Začnime tým, že sa objavil nový prvok, ako aj množstvo mechanizmov, ktoré štandard definuje ako „CIoT EPS Optimization“ alebo optimalizácia základnej siete pre mobilný internet vecí.
Ako viete, v mobilných sieťach existujú dva hlavné komunikačné kanály, nazývané Control Plane (CP) a User Plane (UP). Control Plane je určený na výmenu servisných správ medzi rôznymi sieťovými prvkami a používa sa na zabezpečenie mobility (Mobility management) zariadení (UE) a vytvorenie/udržiavanie relácie prenosu dát (Session Management). Používateľská rovina je v skutočnosti kanál na prenos používateľskej prevádzky. V klasickom LTE je distribúcia CP a UP medzi rozhraniami nasledovná:
Optimalizačné mechanizmy CP a UP pre NB-IoT sú implementované na uzloch MME, SGW a PGW, ktoré sú konvenčne kombinované do jedného prvku nazývaného C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Norma predpokladá aj vznik nového sieťového prvku – SCEF (Service Capability Exposure Function). Rozhranie medzi MME a SCEF sa nazýva T6a a je implementované na základe protokolu DIAMETER. Napriek tomu, že DIAMETER je signalizačný protokol, v NB-IoT je prispôsobený na prenos malého množstva non-IP dát.
Ako už názov napovedá, SCEF je výstavný uzol spôsobilosti služby. Inými slovami, SCEF skrýva zložitosť siete operátora a tiež zbavuje vývojárov aplikácií potreby identifikovať a overovať mobilné zariadenia (UE), čo umožňuje aplikačným serverom (Application Server, ďalej len AS) prijímať údaje a spravovať zariadenia prostredníctvom jediného API rozhranie.
UE identifikátorom sa nestáva telefónne číslo (MSISDN) ani IP adresa, ako tomu bolo v klasickej 2G/3G/LTE sieti, ale takzvané „externé ID“, ktoré je štandardom definované vo formáte známom vývojárom aplikácií “ @ " Toto je samostatná veľká téma, ktorá si zaslúži samostatný materiál, takže o nej teraz nebudeme hovoriť podrobne.
Teraz sa pozrime na najvýznamnejšie inovácie. „CIoT EPS Optimization“ je optimalizácia mechanizmov prenosu prevádzky a správy predplatiteľských relácií. Tu sú tie hlavné:
- DoNAS
- NIDD
- Mechanizmy úspory energie PSM a eDRX
- HLCOM
DoNAS (údaje cez NAS):
Ide o mechanizmus určený na optimalizáciu prenosu malého množstva údajov.
V klasickom LTE pri registrácii do siete nadviaže účastnícke zariadenie PDN spojenie (ďalej len PDN) cez eNodeB do MME-SGW-PGW. Spojenie UE-eNodeB-MME je takzvaný “Signaling Radio Bearer” (SRB). Ak je potrebné prenášať/prijímať dáta, UE vytvorí ďalšie spojenie s eNodeB – „Data Radio Bearer“ (DRB), na prenos užívateľskej prevádzky do SGW a ďalej do PGW (rozhrania S1-U a S5, v tomto poradí). . Na konci výmeny a ak nie je po určitú dobu (zvyčajne 5-20 sekúnd) žiadna prevádzka, tieto spojenia sa ukončia a zariadenie prejde do pohotovostného režimu alebo do „režimu nečinnosti“. Ak je potrebné vymeniť novú časť dát, SRB a DRB sa vynulujú.
V NB-IoT sa prenos užívateľskej prevádzky môže vykonávať cez signalizačný kanál (SRB), v správach protokolu NAS (). Nastavenie DRB už nie je potrebné. To výrazne znižuje záťaž signálu, šetrí sieťové rádiové zdroje a hlavne predlžuje životnosť batérie zariadenia.
V sekcii eNodeB - MME sa začínajú prenášať užívateľské dáta cez rozhranie S1-MME, čo pri klasickej LTE technológii nebolo a slúži na to NAS protokol, v ktorom sa objavuje “User data container”.
Na vykonanie prenosu „User Plane“ z MME do SGW sa objavuje nové rozhranie S11-U, ktoré je určené na prenos malého množstva užívateľských dát. Protokol S11-U je založený na GTP-U v1, ktorý sa používa na prenos používateľskej roviny na iných sieťových rozhraniach architektúry 3GPP.
NIDD (doručovanie údajov bez adresy IP):
V rámci ďalšej optimalizácie mechanizmov na prenos malého množstva dát sa okrem už existujúcich typov PDN, akými sú IPv4, IPv6 a IPv4v6, objavil ďalší typ - non-IP. V tomto prípade UE nemá pridelenú IP adresu a dáta sa prenášajú bez použitia IP protokolu. Existuje na to niekoľko dôvodov:
- Zariadenia internetu vecí, ako sú senzory, môžu prenášať veľmi malé množstvá údajov, 20 bajtov alebo menej. Vzhľadom na to, že minimálna veľkosť hlavičky IP je 20 bajtov, zapuzdrenie IP môže byť niekedy dosť drahé;
- Nie je potrebné implementovať IP stack na čip, čo vedie k ich zníženiu nákladov (otázka na diskusiu v komentároch).
Vo všeobecnosti je IP adresa nevyhnutná pre zariadenia internetu vecí na prenos údajov cez internet. V koncepte NB-IoT funguje SCEF ako jediný bod pripojenia AS a výmena údajov medzi zariadeniami a aplikačnými servermi prebieha cez API. V prípade absencie SCEF môžu byť do AS prenášané non-IP dáta cez Point-to-Point (PtP) tunel z PGW a na ňom sa vykoná IP zapuzdrenie.
To všetko zapadá do paradigmy NB-IoT – maximálne zjednodušenie a zníženie nákladov na zariadenia.
Mechanizmy úspory energie PSM a eDRX:
Jednou z kľúčových výhod sietí LPWAN je energetická účinnosť. Zariadenie údajne vydrží až 10 rokov životnosti batérie na jednu batériu. Poďme zistiť, ako sa takéto hodnoty dosahujú.
Kedy zariadenie spotrebuje najmenej energie? Opravte, keď je vypnutý. A ak nie je možné úplne odpojiť zariadenie od napájania, vypnite rádiový modul tak dlho, kým to nie je potrebné. Najprv to musíte koordinovať so sieťou.
PSM (režim úspory energie):
Režim úspory energie PSM umožňuje zariadeniu vypnúť rádiový modul na dlhú dobu, pričom zostane zaregistrované v sieti, a nie preinštalovať PDN zakaždým, keď potrebuje preniesť dáta.
Aby sieť vedela, že zariadenie je stále dostupné, pravidelne spúšťa aktualizačnú procedúru – Tracking Area Update (TAU). Frekvencia tejto procedúry je nastavená sieťou pomocou časovača T3412, ktorého hodnota sa prenáša do zariadenia počas procedúry Attach alebo nasledujúceho TAU. V klasickom LTE je predvolená hodnota tohto časovača 54 minút a maximum je 186 minút. Na zabezpečenie vysokej energetickej účinnosti je však nutnosť púšťať vzduch každých 186 minút príliš drahá. Na vyriešenie tohto problému bol vyvinutý mechanizmus PSM.
Zariadenie aktivuje režim PSM odoslaním hodnôt dvoch časovačov T3324 a T3412-Extended v správach „Požiadavka na pripojenie“ alebo „Požiadavka na oblasť sledovania“. Prvý určuje čas, počas ktorého bude zariadenie dostupné po prepnutí do „režimu nečinnosti“. Druhým je čas, po ktorom je potrebné vykonať TAU, len teraz môže jeho hodnota dosiahnuť 35712000 413 413 sekúnd alebo XNUMX dní. V závislosti od nastavení môže MME prijať hodnoty časovača prijaté zo zariadenia alebo ich zmeniť odoslaním nových hodnôt v správach „Attach Accept“ alebo „Tracking Area Update Accept“. Teraz zariadenie nemôže zapnúť rádiový modul XNUMX dní a zostať zaregistrované v sieti. Výsledkom je obrovská úspora sieťových zdrojov a energetickej účinnosti zariadení!
V tomto režime však zariadenie nie je dostupné len pre prichádzajúcu komunikáciu. Ak je potrebné niečo preniesť smerom k aplikačnému serveru, zariadenie môže kedykoľvek ukončiť PSM a odoslať dáta, po ktorých zostane aktívne počas časovača T3324 prijímať informačné správy z AS (ak nejaké sú).
eDRX (predĺžený prerušovaný príjem):
eDRX, vylepšený prerušovaný príjem. Ak chcete preniesť údaje do zariadenia, ktoré je v „režime nečinnosti“, sieť vykoná postup upozornenia – „Paging“. Po prijatí pagingu zariadenie iniciuje vytvorenie SRB pre ďalšiu komunikáciu so sieťou. Aby však nezmeškala správa Paging, ktorá je mu adresovaná, musí zariadenie neustále monitorovať rádiový vzduch, čo je tiež dosť energeticky náročné.
eDRX je režim, v ktorom zariadenie neprijíma správy zo siete neustále, ale pravidelne. Počas procedúr Attach alebo TAU sa zariadenie dohodne so sieťou na časových intervaloch, počas ktorých bude „počúvať“ vysielanie. V súlade s tým sa postup stránkovania bude vykonávať v rovnakých intervaloch. V režime eDRX je činnosť zariadenia rozdelená do cyklov (cyklus eDRX). Na začiatku každého cyklu je takzvané „okno stránkovania“ (Paging Time Window, ďalej len PTW) – to je čas, počas ktorého zariadenie počúva rádiový kanál. Na konci PTW zariadenie vypne rádiový modul až do konca cyklu.
HLCOM (komunikácia s vysokou latenciou):
Ak potrebuje preniesť dáta do Uplinku, zariadenie môže ukončiť ktorýkoľvek z týchto dvoch režimov úspory energie bez čakania na dokončenie cyklu PSM alebo eDRX. Dáta je však možné prenášať do zariadenia iba vtedy, keď je aktívne.
Funkcia HLCOM alebo komunikácia s vysokou latenciou je ukladanie paketov Downlink na SGW, keď je zariadenie v režime úspory energie a nie je dostupné pre komunikáciu. Pakety vo vyrovnávacej pamäti budú doručené hneď, ako zariadenie opustí PSM vykonaním TAU alebo prechodom uplinkovej prevádzky, alebo keď dôjde k PTW.
To si, samozrejme, vyžaduje uvedomelosť zo strany vývojárov produktov internetu vecí, keďže komunikácia so zariadením sa nedosahuje v reálnom čase a vyžaduje si určitý prístup k návrhu obchodnej logiky aplikácií.
Na záver si povedzme: predstavenie niečoho nového je vždy vzrušujúce, ale teraz máme do činenia so štandardom, ktorý nebol úplne otestovaný ani svetovými „bizónmi“, ako sú Vodafone a Telefonica – takže je to dvojnásobne vzrušujúce. Naša prezentácia materiálu nepredstiera, že je úplne úplná, ale dúfame, že poskytne dostatočné pochopenie technológie. Oceníme vašu spätnú väzbu.
Autor: Expert Katedry konvergentných riešení a multimediálnych služieb Alexey Lapshin
Zdroj: hab.com
