Zadnjič smo govorili o značilnostih novega standarda NB-IoT z vidika arhitekture radijskega dostopovnega omrežja. Danes bomo razpravljali o tem, kaj se je spremenilo v osrednjem omrežju pod NB-IoT. Torej, gremo.
V jedru omrežja je prišlo do pomembnih sprememb. Začnimo z dejstvom, da se je pojavil nov element in številni mehanizmi, ki jih standard definira kot “CIoT EPS Optimization” oziroma optimizacijo jedrnega omrežja za celični internet stvari.
Kot veste, v mobilnih omrežjih obstajata dva glavna komunikacijska kanala, imenovana Control Plane (CP) in User Plane (UP). Control Plane je namenjen izmenjavi servisnih sporočil med različnimi elementi omrežja in se uporablja za zagotavljanje mobilnosti (Mobility management) naprav (UE) in vzpostavitev/vzdrževanje seje prenosa podatkov (Session Management). User Plane je pravzaprav kanal za prenos uporabniškega prometa. V klasičnem LTE je porazdelitev CP in UP po vmesnikih naslednja:
Optimizacijski mehanizmi CP in UP za NB-IoT so implementirani na vozliščih MME, SGW in PGW, ki so običajno združena v en sam element, imenovan C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Standard predvideva tudi nastanek novega omrežnega elementa - SCEF (Service Capability Exposure Function). Vmesnik med MME in SCEF se imenuje T6a in je implementiran na osnovi protokola DIAMETER. Kljub temu, da je DIAMETER signalizacijski protokol, je v NB-IoT prilagojen za prenos majhnih količin ne-IP podatkov.
Kot že ime pove, je SCEF razstavno vozlišče zmogljivosti storitev. Z drugimi besedami, SCEF skrije kompleksnost operaterjevega omrežja in tudi razbremeni razvijalce aplikacij potrebe po identifikaciji in avtentikaciji mobilnih naprav (UE), kar omogoča aplikacijskim strežnikom (Application Server, v nadaljevanju AS) sprejemanje podatkov in upravljanje naprav prek enega samega sistema. API vmesnik.
Identifikator UE ne postane telefonska številka (MSISDN) ali naslov IP, kot je bilo v klasičnem omrežju 2G/3G/LTE, temveč tako imenovani »zunanji ID«, ki ga standard definira v formatu, ki ga poznamo. za razvijalce aplikacij “@". To je ločena velika tema, ki si zasluži ločeno gradivo, zato o njej zdaj ne bomo podrobno govorili.
Zdaj pa poglejmo najpomembnejše novosti. »CIoT EPS Optimization« je optimizacija mehanizmov prenosa prometa in upravljanja naročniških sej. Tu so glavne:
- DoNAS
- NIDD
- Mehanizmi za varčevanje z energijo PSM in eDRX
- HLCOM
DoNAS (podatki prek NAS):
To je mehanizem, zasnovan za optimizacijo prenosa majhnih količin podatkov.
V klasičnem LTE naročniška naprava ob prijavi v omrežje vzpostavi PDN povezavo (v nadaljevanju PDN) preko eNodeB na MME-SGW-PGW. Povezava UE-eNodeB-MME je tako imenovani "Signaling Radio Bearer" (SRB). Če je treba oddajati/sprejemati podatke, UE vzpostavi drugo povezavo z eNodeB - "Data Radio Bearer" (DRB), za prenos uporabniškega prometa do SGW in naprej do PGW (vmesnika S1-U oziroma S5) . Ob koncu izmenjave in če nekaj časa (običajno 5-20 sekund) ni prometa, se te povezave prekinejo in naprava preide v stanje pripravljenosti ali v način mirovanja. Če je treba izmenjati nov del podatkov, se SRB in DRB ponastavita.
V NB-IoT se prenos uporabniškega prometa lahko izvaja prek signalizacijskega kanala (SRB), v sporočilih protokola NAS (). Nastavitev DRB ni več potrebna. To bistveno zmanjša obremenitev signala, prihrani vire omrežja in, kar je najpomembneje, podaljša življenjsko dobo baterije naprave.
V razdelku eNodeB - MME se uporabniški podatki začnejo prenašati preko vmesnika S1-MME, česar v klasični tehnologiji LTE ni bilo, za to pa se uporablja protokol NAS, v katerem se pojavi “User data container”.
Za izvedbo prenosa »uporabniške ravnine« iz MME v SGW se pojavi nov vmesnik S11-U, ki je zasnovan za prenos majhnih količin uporabniških podatkov. Protokol S11-U temelji na GTP-U v1, ki se uporablja za prenos User Plane na drugih omrežnih vmesnikih arhitekture 3GPP.
NIDD (dostava podatkov, ki ni IP):
V okviru nadaljnje optimizacije mehanizmov za prenos majhnih količin podatkov se je poleg že obstoječih tipov PDN, kot so IPv4, IPv6 in IPv4v6, pojavil še en tip - non-IP. V tem primeru UE ni dodeljen naslov IP in podatki se prenašajo brez uporabe protokola IP. Razlogov za to je več:
- Naprave IoT, kot so senzorji, lahko prenašajo zelo majhne količine podatkov, 20 bajtov ali manj. Glede na to, da je najmanjša velikost glave IP 20 bajtov, je enkapsulacija IP včasih lahko precej draga;
- Na čipu ni treba implementirati sklada IP, kar vodi do njihovega znižanja stroškov (vprašanje za razpravo v komentarjih).
Na splošno je naslov IP potreben za naprave IoT za prenos podatkov prek interneta. V konceptu NB-IoT SCEF deluje kot ena sama povezovalna točka AS, izmenjava podatkov med napravami in aplikacijskimi strežniki pa poteka prek API-ja. V odsotnosti SCEF se lahko podatki, ki niso IP, prenesejo v AS prek tunela od točke do točke (PtP) iz PGW in na njih se izvede enkapsulacija IP.
Vse to sodi v paradigmo NB-IoT – največja poenostavitev in znižanje stroškov naprav.
Mehanizmi za varčevanje z energijo PSM in eDRX:
Ena ključnih prednosti omrežij LPWAN je energetska učinkovitost. Naprava naj bi zdržala do 10 let delovanja z eno baterijo. Ugotovimo, kako se dosežejo takšne vrednosti.
Kdaj naprava porabi najmanj energije? Popravite, ko je izklopljen. In če naprave ni mogoče popolnoma izklopiti, izklopimo radijski modul, dokler ni potreben. Samo to morate najprej uskladiti z omrežjem.
PSM (način varčevanja z energijo):
Način varčevanja z energijo PSM omogoča napravi, da izklopi radijski modul za dolgo časa, medtem ko ostane registrirana v omrežju, in ne znova namesti PDN vsakič, ko mora prenesti podatke.
Da bi omrežje vedelo, da je naprava še vedno na voljo, občasno sproži postopek posodobitve - Tracking Area Update (TAU). Pogostost tega postopka nastavi omrežje s časovnikom T3412, katerega vrednost se med postopkom Attach ali naslednjim TAU posreduje napravi. V klasičnem LTE je privzeta vrednost tega časovnika 54 minut, največja pa 186 minut. Vendar pa je za zagotovitev visoke energetske učinkovitosti potreba po predvajanju vsakih 186 minut predraga. Za rešitev tega problema je bil razvit mehanizem PSM.
Naprava aktivira način PSM s prenosom vrednosti dveh časovnikov T3324 in T3412-Extended v sporočilih »Attach Request« ali »Tracking Area Request«. Prvi določa čas, ko bo naprava na voljo po preklopu v način mirovanja. Drugi je čas, po katerem je treba narediti TAU, le da lahko zdaj njegova vrednost doseže 35712000 sekund ali 413 dni. Odvisno od nastavitev lahko MME sprejme vrednosti časovnika, ki jih prejme od naprave, ali jih spremeni s pošiljanjem novih vrednosti v sporočilu »Priloži sprejem« ali »Sprejme posodobitev območja sledenja«. Zdaj naprava ne more vklopiti radijskega modula 413 dni in ostati registrirana v omrežju. Posledično dobimo enormne prihranke pri omrežnih virih in energetski učinkovitosti naprav!
Vendar v tem načinu naprava ni na voljo samo za dohodno komunikacijo. Če je treba nekaj poslati proti aplikacijskemu strežniku, lahko naprava kadarkoli zapusti PSM in pošlje podatke, nato pa ostane aktivna med časovnikom T3324 za prejemanje informacijskih sporočil iz AS (če obstaja).
eDRX (razširjen prekinjen sprejem):
eDRX, izboljšan intermitentni sprejem. Za prenos podatkov v napravo, ki je v »načinu mirovanja«, omrežje izvede postopek obveščanja - »Ostranjevanje«. Po prejemu ostranjenja naprava sproži vzpostavitev SRB za nadaljnjo komunikacijo z omrežjem. Da pa naprava ne bi zgrešila naslovljenega Paging sporočila, mora ves čas spremljati radijski eter, kar je tudi precej energijsko potratno.
eDRX je način, v katerem naprava ne prejema sporočil iz omrežja nenehno, ampak občasno. Med postopki Attach ali TAU se naprava z omrežjem dogovori o časovnih intervalih, v katerih bo »poslušala« oddajo. V skladu s tem se bo postopek ostranjenja izvajal v enakih intervalih. V načinu eDRX je delovanje naprave razdeljeno na cikle (cikel eDRX). Na začetku vsakega cikla je tako imenovano "okno straničenja" (Paging Time Window, v nadaljevanju PTW) - to je čas, ko naprava posluša radijski kanal. Na koncu PTW naprava izklopi radijski modul do konca cikla.
HLCOM (komunikacija z visoko zakasnitvijo):
Če mora prenesti podatke v Uplink, lahko naprava zapusti enega od teh dveh načinov varčevanja z energijo, ne da bi čakala na dokončanje cikla PSM ali eDRX. Podatke pa je mogoče prenesti na napravo le, ko je aktivna.
Funkcionalnost HLCOM ali komunikacija z visoko zakasnitvijo je medpomnjenje paketov Downlink na SGW, medtem ko je naprava v načinu varčevanja z energijo in ni na voljo za komunikacijo. Medpomnjeni paketi bodo dostavljeni takoj, ko naprava zapusti PSM s TAU ali posredovanjem prometa navzgornje povezave ali ko pride do PTW.
To seveda zahteva zavedanje razvijalcev IoT produktov, saj komunikacija z napravo ni dosežena v realnem času in zahteva določen pristop k oblikovanju poslovne logike aplikacij.
Za zaključek povejmo: uvedba nečesa novega je vedno vznemirljiva, zdaj pa imamo opravka s standardom, ki ga niso povsem preizkusili niti svetovni "bizoni", kot sta Vodafone in Telefonica - zato je dvojno vznemirljivo. Naša predstavitev gradiva se ne pretvarja, da je popolnoma popolna, vendar upamo, da zagotavlja zadostno razumevanje tehnologije. Cenili bomo vaše povratne informacije.
Avtor: Strokovnjak oddelka za konvergentne rešitve in multimedijske storitve Alexey Lapshin
Vir: www.habr.com