NB-IoT: hur fungerar det? Del 2

Förra gången diskuterade vi funktionerna hos den nya NB-IoT-standarden ur ett perspektiv för nätverksarkitektur för radiotillgång. Idag ska vi reflektera över vad som har förändrats i kärnnätet (Core Network) med NB-IoT. Så, låt oss börja.

Det har skett betydande förändringar i kärnnätet. Först och främst har en ny komponent introducerats, liksom en rad mekanismer som definieras av standarden som "CIoT EPS Optimization" eller optimering av kärnnätet för mobilinternet of Things.

Som bekant finns det två huvudkommunikationskanaler i mobila nätverk, som kallas Control Plane (CP) och User Plane (UP). Control Plane är avsedd för överföring av styrmeddelanden mellan olika nätverkselement och används för att säkerställa mobilitet (Mobility management) för enheter (UE) och för att etablera/underhålla sessionsdataöverföring (Session Management). User Plane är faktiskt kanalen för överföring av användartjänster. I klassisk LTE ser fördelningen av CP och UP över gränssnitten ut som följer:

Mekanismerna för optimering av CP och UP för NB-IoT implementeras vid noderna MME, SGW och PGW, som gemensamt kallas för C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Standarden förutsätter även införandet av ett nytt nätverksområde — SCEF (Service Capability Exposure Function). Gränssnittet mellan MME och SCEF kallas T6a och är implementerat med hjälp av protokollet DIAMETER. Trots att DIAMETER är ett signalprotokoll, är det anpassat för att överföra små mängder non-IP-data i NB-IoT.

Baserat på namnet är SCEF en nod för exponering av tjänstekapabiliteter. Med andra ord döljer SCEF nätverksoperatörens komplexitet och lyfter även bort behovet för applikationsutvecklare att identifiera och autentisera mobila enheter (UE), vilket möjliggör för applikationsservrar (Application Server, hädanefter AS) att hämta data och styra enheter genom ett gemensamt API-gränssnitt.

Identifikatorn för UE blir inte telefonnumret (MSISDN) eller IP-adressen, som det var i den klassiska 2G/3G/LTE-nätverk, utan den så kallade "external ID", som definieras av standarden i ett format som är bekant för applikationsutvecklare, "@". Detta är ett separat stort ämne som förtjänar ett eget material, så vi kommer inte att gå in på detaljer om det just nu.

Låt oss nu titta på de mest betydelsefulla nyheterna. "CIoT EPS Optimization" är optimering av trafiköverföringsmekanismer och hantering av abonnentsessioner. Här är de viktigaste av dem:

• DoNAS
• NIDD
• Energioptimeringsmekanismer PSM och eDRX
• HLCOM

DoNAS (Data över NAS):

Detta är en mekanism som utvecklats för att optimera överföring av små datamängder.

I klassisk LTE upprättar abonnentens enhet en PDN-anslutning (härefter PDN) genom eNodeB till MME-SGW-PGW vid registrering i nätverket. Anslutningen UE-eNodeB-MME kallas ”Signaling Radio Bearer” (SRB). Om det behövs att överföra/motta data upprättar UE en ytterligare anslutning med eNodeB – ”Data Radio Bearer” (DRB) – för att överföra användartjänsttrafik till SGW och vidare till PGW (gränssnitt S1-U och S5 respektive). Efter avslutad överföring och vid avsaknad av trafik under en viss tid (vanligtvis 5-20 sekunder) kopplas dessa anslutningar ned och enheten går över i vänteläge eller ”Idle Mode”. Vid behov av att utbyta en ny mängd data återupprättas SRB och DRB.

I NB-IoT kan överföring av användartjänsttrafik ske via signalkanal (SRB), i meddelanden från NAS-protokollet (http://www.3gpp.org/more/96-nas). Upprättande av DRB krävs inte längre. Detta minskar avsevärt den signalbelastning, sparar radiresurser i nätverket och – viktigast av allt – förlänger enhetens batterilivslängd.

På sträckan eNodeB – MME börjar användardata överföras via gränssnittet S1-MME, vilket inte fanns i den klassiska LTE-tekniken, och protokollet NAS används för detta, där ”User data container” introduceras.

För att genomföra överföring av ”User Plane” från MME till SGW introduceras ett nytt gränssnitt S11-U, som är avsett för att överföra små mängder användardata. På protokoll S11-U baseras GTP-U v1, som används för överföring av User Plane även på andra gränssnitt i 3GPP-arkitekturen.

NIDD (non-IP data delivery):

Som en del av ytterligare optimering av mekanismer för överföring av små datamängder, har ytterligare en typ — non-IP — lagts till de redan existerande typerna av PDN såsom IPv4, IPv6 och IPv4v6. I detta fall tilldelas inte UE någon IP-adress, och data överförs utan att använda IP-protokollet. Det finns flera skäl till detta:

1. IoT-enheter, som sensorer, kan överföra mycket små datamängder, 20 byte eller till och med mindre. Med tanke på att den minimi storleken på en IP-header är 20 byte, kan inkapslingen i IP ibland vara en ganska kostsam process;
2. Det finns ingen behov av att implementera en IP-stack i chipet, vilket leder till att de blir billigare (ett ämne för diskussion i kommentarerna).

I stort sett behövs en IP-adress för IoT-enheter för att överföra data över internet. I konceptet NB-IoT fungerar SCEF som en enda anslutningspunkt för AS, och datautbytet mellan enheter och applikationsservrar sker via API. I avsaknad av SCEF kan icke-IP-data överföras till AS via en Point-to-Point (PtP) tunnel från PGW och inkapslingen i IP kommer då att ske på den.

Allt detta passar in i paradigmet för NB-IoT — maximal förenkling och kostnadsreducering av enheter.

Energibesparande mekanismer PSM och eDRX:

En av de viktigaste fördelarna med LPWAN-nätverk är energieffektiviteten. Det påstås att enheten kan fungera autonomt i upp till 10 år på ett enda batteri. Låt oss undersöka hur sådana värden uppnås.

När förbrukar enheten minst energi? Rätt, när den är avstängd. Och om vi inte kan stänga av enheten helt, låt oss stänga av radiomodulen under den tid det inte behövs. Men detta måste först godkännas med nätverket.

PSM (Power Saving Mode):

PSM-läget gör det möjligt för enheten att hålla radiomodulen avstängd under lång tid, medan den fortfarande är registrerad i nätverket, utan att behöva återinstallera PDN varje gång den behöver överföra data.

För att nätverket ska veta att enheten fortfarande är tillgänglig, initierar den periodiskt en uppdateringsprocess — Tracking Area Update (TAU). Frekvensen för denna process ställs in av nätverket med hjälp av en timer T3412, vars värde överförs till enheten under proceduren för anslutning eller nästa TAU. I klassisk LTE är standardvärdet för denna timer 54 minuter, och det maximala är 186 minuter. Emellertid, för att säkerställa hög energieffektivitet, är behovet av att gå in i radiofrekvensen var 186:e minut en alltför kostsam process. Denna problematik ledde till utvecklingen av PSM-mekanismen.

Enheten aktiverar PSM-läget genom att skicka meddelanden om "Attach Request" eller "Tracking Area Request" värdena för de två timerna T3324 och T3412-Extended. Den första bestämmer tiden som enheten kommer att vara tillgänglig efter att den har gått in i "Idle Mode". Den andra är den tid efter vilken TAU måste göras, och dess värde kan nu nå upp till 35712000 sekunder eller 413 dagar. Beroende på inställningarna kan MME acceptera timer-värden från enheten eller ändra dem genom att skicka nya värden i meddelandena "Attach Accept" eller "Tracking Area Update Accept". Nu kan enheten vara avstängd från radiosignaler i 413 dagar och ändå förbli registrerad i nätverket. Detta ger en enorm resursbesparing för nätverket och energieffektivitet för enheterna!

Men i detta läge är enheten endast otillgänglig för inkommande kommunikation. Om det behövs att skicka något till applikationsservern kan enheten när som helst gå ut ur PSM och skicka data, och förbli aktiv under timer T3324 för att ta emot informationsmeddelanden från AS (om sådana finns).

eDRX (extended discontinuous reception):

eDRX, utvidgad modul för intermittent mottagning. För att skicka data till en enhet som är i "Idle mode", utför nätverket en notifieringsprocedur - "Paging". Vid mottagandet av paging initierar enheten upprättandet av SRB för vidare kommunikation med nätverket. Men för att inte missa det adresserade paeget, måste enheten ständigt övervaka radiospektrumet, vilket också är ganska energikrävande.

eDRX är ett läge där enheten tar emot meddelanden från nätverket inte kontinuerligt, utan periodiskt. Under Attach eller TAU procedurerna samordnar enheten med nätverket tidsintervall där den kommer att "lyssna" på radion. Följaktligen kommer pagingsproceduren att genomföras under dessa tidsperioder. I eDRX-läget delas enhetens arbete upp i cykler (eDRX cycle). I början av varje cykel finns det ett så kallat "pagingfönster" (Paging Time Window, PTW) - det är den tid som enheten lyssnar på radiofrekvensen. När PTW avslutas stänger enheten av radiosystemet tills cykeln är slut.

HLCOM (high latency communication):

Vid behov av att överföra data kan enheten gå ur något av dessa två energisparlägen utan att vänta på att PSM eller eDRX-cykeln ska slutföras. Men data kan endast överföras till enheten när den är aktiv.

Funktionen HLCOM eller kommunikation med höga fördröjningar innebär buffring av Downlink-paket på SGW under den tid enheten är i energisparläge och inte är tillgänglig för kommunikation. Buffrade paket kommer att levereras så snart enheten går ur PSM, gör TAU eller överför Uplink-trafik, eller när PTW inträffar.

Detta kräver definitivt medvetenhet från utvecklarna av IoT-produkter, eftersom kommunikationen med enheten inte sker i realtid och kräver ett särskilt tillvägagångssätt för att konstruera affärslogiken för applikationerna.

Avslutningsvis säger vi: införandet av det nya är alltid spännande, och nu har vi att göra med en standard som inte ens har testats fullt ut av världens 'jättar', som Vodafone och Telefonica – vilket gör det dubbelt spännande. Vår presentation av materialet gör inte anspråk på fullständighet, men vi hoppas att vi ger en tillräcklig förståelse för teknologin. Vi skulle uppskatta återkoppling.

Författare: Expert inom konvergerande lösningar och multimedia tjänster Alexey Lapshin aslapsh

Källa: habr.com