NB-IoT: kako deluje? Del 2

V prejšnjem poglavju smo govorili o značilnostih novega standarda NB-IoT z vidika arhitekture omrežja radijskega dostopa. Danes bomo razpravljali o tem, kaj se je spremenilo v jedru omrežja (Core Network) pri NB-IoT. Torej, začnimo.

V jedru omrežja so se zgodile pomembne spremembe. Najprej se je pojavil nov element, pa tudi vrsta mehanizmov, ki jih standard opredeljuje kot “CIoT EPS Optimization” ali optimizacijo osnovnega omrežja za mobilni internet stvari.

Kot je znano, v mobilnih omrežjih obstajata dva osnovna komunikacijska kanala, ki ju imenujemo Control Plane (CP) in User Plane (UP). Control Plane je namenjen izmenjavi upravnih sporočil med različnimi elementi omrežja in služi za zagotavljanje mobilnosti (Mobility management) naprav (UE) ter vzpostavljanje/podpiranje seje prenosa podatkov (Session Management). User Plane je sicer kanal za prenos uporabniškega prometa. V klasičnem LTE je razporeditev CP in UP po vmesnikih videti takole:

Mehanizmi optimizacije CP in UP za NB-IoT so izvedeni na vozliščih MME, SGW in PGW, ki se pogojevno združujejo v enotno enoto z imenom C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Standard predvideva tudi pojav novega elementa omrežja — SCEF (Service Capability Exposure Function). Vmesnik med MME in SCEF se imenuje T6a in je realiziran na podlagi protokola DIAMETER. Kljub temu, da je DIAMETER signalni protokol, je bil v NB-IoT prilagojen za prenos majhnih količin non-IP podatkov.

Na podlagi imena, SCEF — to je vozlišče za izpostavljanje storitvenih zmožnosti. Z drugimi besedami, SCEF skriva kompleksnost omrežja operaterja ter razvijalcem aplikacij (Application Server, dalje AS) omogoča dostop do podatkov in upravljanje naprav prek enotnega API vmesnika, ne da bi bilo treba identificirati in avtorizirati mobilne naprave (UE).

Identifikator UE postane ne telefonska številka (MSISDN) ali IP naslov, kot je bilo v klasičnem omrežju 2G/3G/LTE, temveč tako imenovani ‘external ID’, ki ga standard opredeljuje v znanem formatu za razvijalce aplikacij ‘@’. To je ločena velika tema, ki zasluži poseben material, zato se o tem zdaj ne bomo podrobno pogovarjali.

Sedaj se bomo osredotočili na najbolj pomembne novosti. „CIoT EPS Optimization“ je optimizacija mehanizmov prenosa prometa in upravljanja naročniškimi sejami. Tukaj so glavne novosti:

• DoNAS
• NIDD
• Mehanizmi varčevanja z energijo PSM in eDRX
• HLCOM

DoNAS (Data over NAS):

To je mehanizem, zasnovan za optimizacijo prenosa manjših količin podatkov.

V klasičnem LTE se naročniška naprava ob registraciji v omrežje poveže z PDN povezavo (nadalje PDN) preko eNodeB do MME-SGW-PGW. Povezava UE-eNodeB-MME je tako imenovani „Signaling Radio Bearer“ (SRB). Ko je potrebno prenašati/prejemati podatke, UE vzpostavi še eno povezavo z eNodeB — „Data Radio Bearer“ (DRB), za prenos uporabniškega prometa do SGW in naprej do PGW (vmesniki S1-U in S5). Po končanem prenosu in ob odsotnosti prometa za določen čas (običajno 5-20 sekund) se te povezave prekinijo in naprava preide v stanje pripravljenosti ali „Idle Mode“. Ob potrebi po prenosu nove serije podatkov se SRB in DRB ponovno vzpostavita.

V NB-IoT lahko prenos uporabniškega prometa poteka preko signalnega kanala (SRB), v sporočilih protokola NAS (http://www.3gpp.org/more/96-nas). Vzpostavitev DRB ni več potrebna. To znatno zmanjšuje signalno obremenitev, prihrani radijske vire omrežja in, kar je najpomembnejše — podaljšuje življenjsko dobo baterije naprave.

Na povezavi eNodeB — MME se uporabniški podatki začnejo prenašati preko vmesnika S1-MME, kar v klasični tehnologiji LTE ni bilo, in za to se uporablja protokol NAS, v katerem se pojavi „User data container“.

Za prenos „User Plane“ od MME do SGW se pojavi nov vmesnik S11-U, ki je namenjen prenosu manjših količin uporabniških podatkov. Osnova protokola S11-U je GTP-U v1, ki se uporablja za prenos User Plane tudi na drugih vmesnikih omrežne arhitekture 3GPP.

NIDD (non-IP data delivery):

V okviru nadaljnje optimizacije mehanizmov prenosa manjših količin podatkov, poleg že obstoječih tipov PDN, kot so IPv4, IPv6 in IPv4v6, se pojavi še en tip — non-IP. V tem primeru UE ne dobi IP naslova, podatki pa se prenašajo brez uporabe protokola IP. Za to obstaja več razlogov:

1. IoT naprave, kot so senzorji, lahko prenašajo zelo majhne količine podatkov, 20 bajtov ali celo manj. Glede na to, da je minimalna velikost IP naglavja 20 bajtov, je povzročitev v IP včasih lahko precej draga.
2. Ni potrebe po implementaciji IP sklada v čip, kar vodi v znižanje stroškov (vprašanje za razpravo v komentarjih).

Na splošno je IP naslov potreben za IoT naprave, da prenašajo podatke prek interneta. V konceptu NB-IoT SCEF deluje kot enotna točka povezave AS, in izmenjava podatkov med napravami in strežniki aplikacij se odvija preko API. Brez SCEF ne-IP podatki AS lahko prehajajo preko Point-to-Point (PtP) tunela iz PGW, pri čemer se bo povzročitev v IP izvajala šele tam.

Vse to se prilega v paradigmo NB-IoT — maksimalno poenostavljanje in zniževanje stroškov naprav.

Mehanizmi varčevanja z energijo PSM in eDRX:

Ena izmed ključnih prednosti LPWAN omrežij je energijska učinkovitost. Trdi se, da lahko naprava deluje do 10 let na eni bateriji. Poglejmo, kako se dosežejo take vrednosti.

Kdaj naprava porabi najmanj energije? Tako je, ko je izklopljena. In če napravo ne moremo popolnoma izklopiti, naj izklopimo radijski modul, za tisti čas, ko ni več potreben. Pred tem pa je potrebno to uskladiti s omrežjem.

PSM (način varčevanja z energijo):

Način varčevanja z energijo PSM omogoča napravi dolgo izklapljanje radijskega modula, pri čemer ostaja registrirana v omrežju in ne mora vsakokrat ponovno vzpostaviti PDN, ko je potrebno prenesti podatke.

Da omrežje ve, da je naprava še naprej dostopna, periodično iniciira postopek osvežitve — Tracking Area Update (TAU). Pogostost tega postopka določi omrežje z uporabo časovnika T3412, katerega vrednost se napravi posreduje med postopkom Attach ali naslednjim TAU. V klasičnem LTE je privzeta vrednost tega časovnika 54 minut, maksimalna pa 186 minut. Vendar pa je za zagotavljanje visoke energetske učinkovitosti potreba po dostopu do radijskega spektra vsake 186 minut predraga. Zaradi reševanja te težave je bil razvijen mehanizem PSM.

Uređaj aktivira PSM režim šaljući u porukama 'Attach Request' ili 'Tracking Area Request' vrednosti dva tajmera T3324 i T3412-Extended. Prvi definiše vreme tokom kojeg će uređaj biti dostupan nakon prelaska u 'Idle Mode'. Drugi je vreme, posle kojeg treba izvršiti TAU, a njegovo vreme može dostići 35.712.000 sekundi ili 413 dana. U zavisnosti od podešavanja, MME može prihvatiti vrednosti tajmera dobijene od uređaja ili ih izmeniti, šaljući nove vrednosti u porukama 'Attach Accept' ili 'Tracking Area Update Accept'. Uređaj sada može ne uključivati radio modul 413 dana i ostati registrovan u mreži. Kao rezultat toga, ostvaruje se ogromna ušteda mrežnih resursa i energetska efikasnost uređaja!

Međutim, u ovom režimu uređaj nije dostupan samo za dolazne komunikacije. Ako je potrebno preneti nešto ka serveru aplikacija, uređaj može u bilo kojem trenutku izaći iz PSM-a i poslati podatke, ostajući nakon toga aktivan tokom tajmera T3324 za primanje informativnih poruka od AS (ukoliko ih bude).

eDRX (prošireno prekidno prijemanje):

eDRX, prošireni režim prekidnog prijemanja. Da bi se preneli podaci na uređaj koji se nalazi u 'Idle mode', mreža sprovodi proceduru obaveštavanja — 'Paging'. Kada primi paging, uređaj inicira uspostavljanje SRB za dalju komunikaciju sa mrežom. Međutim, kako bi se izbeglo propuštanje adresirane poruke Paging, uređaj mora neprekidno nadgledati radio etar, što je takođe prilično energetski zahtevno.

eDRX je režim u kojem uređaj prima poruke od mreže ne stalno, već periodično. Tokom procedura Attach ili TAU, uređaj se dogovara sa mrežom o vremenskim intervalima u kojima će 'slušati' etar. Samim tim, u ovim intervalima će se sprovoditi procedura Paging. U režimu eDRX rad uređaja se deli na cikluse (eDRX cycle). Na početku svakog ciklusa ide takozvani 'prozor paginga' (Paging Time Window, dalje PTW) — to je vreme tokom kojeg uređaj sluša radio kanal. Po isteku PTW, uređaj isključuje radio modul do kraja ciklusa.

HLCOM (komunikacija velike latencije):

Če je potrebno prenesti podatke v Uplink, lahko naprava preide iz kateregakoli od obeh načinov varčevanja z energijo, ne da bi čakala na konec PSM ali eDRX cikla. Podatke pa je mogoče prenesti na napravo le, ko je aktivna.

Funkcionalnost HLCOM ali komunikacija z visokimi zamudami pomeni zaustavitev Downlink paketov na SGW, medtem ko je naprava v načinu varčevanja z energijo in ni na voljo za komunikacijo. Paketi, ki so se zaustavili, bodo dostavljeni takoj, ko naprava preide iz PSM, izvede TAU ali prenese Uplink promet, ali ko pride do PTW.

To zagotovo zahteva zavedanje s strani razvijalcev IoT produktov, saj komunikacija z napravo ni v realnem času in zahteva določen pristop k oblikovanju poslovne logike delovanja aplikacij.

Za zaključek lahko rečemo: uvajanje novega je vedno razburljivo, sedaj pa imamo opravka s standardom, ki še ni povsem preizkušen, celo pri svetovnih 'velikanih', kot sta Vodafone in Telefonica – zato je to še bolj razburljivo. Naša predstavitev vsebine ne trdi, da je popolna, vendar upamo, da zagotavlja zadostno razumevanje tehnologije. Bomo hvaležni za povratne informacije.

Avtor: Strokovnjak za konvergentne rešitve in multimedijske storitve Aleksej Lapšin aslapsh

Izvor: habr.com