Förra gången pratade vi om funktionerna i den nya NB-IoT-standarden ur synvinkeln av radioaccessnätverksarkitektur. Idag kommer vi att diskutera vad som har förändrats i Core Network under NB-IoT. Låt oss gå.
Det har skett betydande förändringar i kärnan av nätverket. Låt oss börja med det faktum att ett nytt element har dykt upp, såväl som ett antal mekanismer, som definieras av standarden som "CIoT EPS Optimization" eller optimering av kärnnätet för det mobila Internet of things.
Som ni vet finns det i mobilnät två huvudsakliga kommunikationskanaler, kallade Control Plane (CP) och User Plane (UP). Control Plane är avsett för utbyte av tjänstemeddelanden mellan olika nätverkselement och används för att säkerställa mobilitet (Mobility Management) av enheter (UE) och upprätta/underhålla en dataöverföringssession (Session Management). User Plane är i själva verket en kanal för att överföra användartrafik. I klassisk LTE är fördelningen av CP och UP över gränssnitt som följer:
CP- och UP-optimeringsmekanismer för NB-IoT implementeras på MME-, SGW- och PGW-noder, som konventionellt kombineras till ett enda element som kallas C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Standarden förutsätter också uppkomsten av ett nytt nätverkselement - SCEF (Service Capability Exposure Function). Gränssnittet mellan MME och SCEF kallas T6a och är implementerat baserat på DIAMETER-protokollet. Trots att DIAMETER är ett signaleringsprotokoll är det i NB-IoT anpassat för överföring av små mängder icke-IP-data.
Som namnet antyder är SCEF en Service Capability Exhibit Node. Med andra ord döljer SCEF komplexiteten i operatörens nätverk och befriar också applikationsutvecklare från behovet av att identifiera och autentisera mobila enheter (UE), vilket gör att applikationsservrar (Application Server, nedan kallad AS) kan ta emot data och hantera enheter genom en enda API-gränssnitt.
UE-identifieraren blir inte ett telefonnummer (MSISDN) eller en IP-adress, som var fallet i det klassiska 2G/3G/LTE-nätverket, utan det så kallade "externa ID", som definieras av standarden i det välbekanta formatet till applikationsutvecklare "@". Detta är ett separat stort ämne som förtjänar separat material, så vi kommer inte att prata om det i detalj nu.
Låt oss nu titta på de viktigaste innovationerna. "CIoT EPS Optimization" är optimering av trafiköverföringsmekanismer och hantering av abonnentsessioner. Här är de viktigaste:
- DoNAS
- NIDD
- PSM och eDRX energisparmekanismer
- HLCOM
DoNAS (Data över NAS):
Detta är en mekanism utformad för att optimera överföringen av små mängder data.
I klassisk LTE, vid registrering i nätverket, upprättar en abonnentenhet en PDN-anslutning (hädanefter kallad PDN) via eNodeB till MME-SGW-PGW. UE-eNodeB-MME-anslutningen är en så kallad "Signaling Radio Bearer" (SRB). Om det är nödvändigt att sända/ta emot data, upprättar UE en annan anslutning med eNodeB - "Data Radio Bearer" (DRB), för att överföra användartrafik till SGW och vidare till PGW (gränssnitt S1-U respektive S5) . I slutet av utbytet och om det inte finns någon trafik under en tid (vanligtvis 5-20 sekunder), avslutas dessa anslutningar och enheten går in i standbyläge eller "Idle Mode". Om det är nödvändigt att utbyta en ny del av data, återställs SRB och DRB.
I NB-IoT kan överföring av användartrafik utföras genom en signaleringskanal (SRB), i NAS-protokollmeddelanden (). Att ställa in en DRB behövs inte längre. Detta minskar signalbelastningen avsevärt, sparar nätverksradioresurser och, viktigast av allt, förlänger livslängden på enhetens batteri.
I sektionen eNodeB - MME börjar användardata överföras över S1-MME-gränssnittet, vilket inte var fallet i klassisk LTE-teknik, och NAS-protokollet används för detta, där "User data container" visas.
För att utföra överföringen av "User Plane" från MME till SGW, dyker ett nytt gränssnitt S11-U upp, som är designat för överföring av små mängder användardata. S11-U-protokollet är baserat på GTP-U v1, som används för användarplansöverföring på andra nätverksgränssnitt i 3GPP-arkitekturen.
NIDD (icke-IP-dataleverans):
Som en del av ytterligare optimering av mekanismer för att överföra små mängder data, utöver de redan befintliga PDN-typerna, som IPv4, IPv6 och IPv4v6, har en annan typ dykt upp - icke-IP. I detta fall tilldelas inte UE en IP-adress och data överförs utan att använda IP-protokollet. Det finns flera anledningar till detta:
- IoT-enheter som sensorer kan överföra mycket små mängder data, 20 byte eller mindre. Med tanke på att minsta IP-huvudstorlek är 20 byte, kan IP-inkapsling ibland vara ganska dyr;
- Det finns inget behov av att implementera en IP-stack på chippet, vilket leder till deras kostnadsminskning (en fråga för diskussion i kommentarerna).
I stort sett krävs en IP-adress för att IoT-enheter ska kunna överföra data över Internet. I NB-IoT-konceptet fungerar SCEF som en enda AS-anslutningspunkt, och datautbyte mellan enheter och applikationsservrar sker via API. I frånvaro av SCEF kan icke-IP-data överföras till AS via en Point-to-Point (PtP)-tunnel från PGW och IP-inkapsling kommer att utföras på den.
Allt detta passar in i NB-IoT-paradigmet - maximal förenkling och kostnadsminskning för enheter.
PSM och eDRX energisparmekanismer:
En av de viktigaste fördelarna med LPWAN-nätverk är energieffektivitet. Enheten påstås hålla upp till 10 års batteritid på ett enda batteri. Låt oss ta reda på hur sådana värden uppnås.
När förbrukar en enhet minst energi? Korrigera när den är avstängd. Och om det är omöjligt att helt avaktivera enheten, låt oss avaktivera radiomodulen så länge den inte behövs. Du behöver bara koordinera detta med nätverket först.
PSM (energisparläge):
PSM-energisparläget gör att enheten kan stänga av radiomodulen under lång tid, samtidigt som den förblir registrerad i nätverket, och inte installera om PDN varje gång den behöver överföra data.
För att låta nätverket veta att enheten fortfarande är tillgänglig initierar den med jämna mellanrum en uppdateringsprocedur - Tracking Area Update (TAU). Frekvensen för denna procedur ställs in av nätverket med timer T3412, vars värde överförs till enheten under Attach-proceduren eller nästa TAU. I klassisk LTE är standardvärdet för denna timer 54 minuter, och maxvärdet är 186 minuter. Men för att säkerställa hög energieffektivitet är behovet av att gå i luften var 186:e minut för dyrt. PSM-mekanismen utvecklades för att lösa detta problem.
Enheten aktiverar PSM-läget genom att sända värdena för två timers T3324 och T3412-Extended i meddelanden "Attach Request" eller "Tracking Area Request". Den första bestämmer tiden som enheten kommer att vara tillgänglig efter byte till "Idle Mode". Den andra är tiden efter vilken TAU måste göras, bara nu kan dess värde nå 35712000 413 413 sekunder eller XNUMX dagar. Beroende på inställningarna kan MME acceptera timervärdena som tas emot från enheten eller ändra dem genom att skicka nya värden i meddelandena "Attach Acceptera" eller "Tracking Area Update Acceptera". Nu kan enheten inte slå på radiomodulen på XNUMX dagar och förbli registrerad i nätverket. Som ett resultat får vi enorma besparingar i nätverksresurser och energieffektivitet för enheter!
I detta läge är enheten dock inte tillgänglig endast för inkommande kommunikation. Om det är nödvändigt att sända något mot applikationsservern kan enheten när som helst avsluta PSM och skicka data, varefter den förblir aktiv under T3324-timern för att ta emot informationsmeddelanden från AS (om någon).
eDRX (utökad diskontinuerlig mottagning):
eDRX, förbättrad intermittent mottagning. För att överföra data till en enhet som är i "viloläge" utför nätverket en aviseringsprocedur - "Paging". Vid mottagande av en personsökning initierar enheten etableringen av en SRB för vidare kommunikation med nätverket. Men för att inte missa personsökningsmeddelandet som är adresserat till den måste enheten ständigt övervaka radioluften, som också är ganska energikrävande.
eDRX är ett läge där enheten inte tar emot meddelanden från nätverket konstant, utan regelbundet. Under Attach- eller TAU-procedurerna kommer enheten överens med nätverket om de tidsintervall under vilka den kommer att "lyssna" på sändningen. Följaktligen kommer personsökningsproceduren att utföras med samma intervall. I eDRX-läge är enhetens drift uppdelad i cykler (eDRX-cykel). I början av varje cykel finns det ett så kallat "paging window" (Paging Time Window, nedan PTW) - det är den tid som enheten lyssnar på radiokanalen. I slutet av PTW stänger enheten av radiomodulen till slutet av cykeln.
HLCOM (kommunikation med hög latens):
Om den behöver överföra data till Uplink kan enheten avsluta något av dessa två energisparlägen utan att vänta på att PSM- eller eDRX-cykeln ska slutföras. Men det är möjligt att överföra data till enheten endast när den är aktiv.
HLCOM-funktionalitet eller kommunikation med hög latens är buffring av nedlänkspaket på SGW medan enheten är i energisparläge och inte är tillgänglig för kommunikation. Buffertade paket kommer att levereras så snart enheten lämnar PSM genom att göra TAU eller skicka upplänkstrafik, eller när PTW inträffar.
Detta kräver naturligtvis medvetenhet hos utvecklare av IoT-produkter, eftersom kommunikation med en enhet inte uppnås i realtid och kräver ett visst tillvägagångssätt för att utforma applikationernas affärslogik.
Sammanfattningsvis, låt oss säga: introduktionen av något nytt är alltid spännande, men nu har vi att göra med en standard som inte har testats helt ens av världens "bisoner", som Vodafone och Telefonica - så det är dubbelt spännande. Vår presentation av materialet utger sig inte för att vara helt komplett, men vi hoppas att den ger en tillräcklig förståelse för tekniken. Vi skulle uppskatta din feedback.
Författare: Expert vid avdelningen för konvergenta lösningar och multimediatjänster Alexey Lapshin
Källa: will.com