Минулого разу ми говорили про особливості нового стандарту NB-IoT з погляду архітектури мережі радіодоступу. Сьогодні поміркуємо, що змінилося в ядрі мережі (Core Network) за NB-IoT. Тож поїхали.
У ядрі мережі відбулися значні зміни. Почнемо з того, що з'явився новий елемент, а також ряд механізмів, визначених стандартом як “CIoT EPS Optimization” або оптимізація опорної мережі для стільникового інтернету речей.
Як відомо, у мобільних мережах існує два основних канали комунікацій, які називаються Control Plane (CP) та User Plane (UP). Control Plane призначений для обміну службовими повідомленнями між різними елементами мережі та служить для забезпечення мобільності (Mobility management) пристроїв (UE) та встановлення/підтримки сесії передачі даних (Session Management). User Plane - це, власне, канал передачі трафіку користувача. У класичному LTE розподіл CP і UP за інтерфейсами виглядає так:
Механізми оптимізації CP та UP для NB-IoT реалізуються на вузлах MME, SGW та PGW, які умовно об'єднуються в єдиний елемент під назвою C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Також стандарт передбачає появу нового елемента мережі – SCEF (Service Capability Exposure Function). Інтерфейс між MME та SCEF називається T6a і реалізований на базі протоколу DIAMETER. Незважаючи на те, що DIAMETER це сигнальний протокол, NB-IoT він адаптований для передачі малих обсягів non-IP даних.
Виходячи з назви, SCEF це вузол експонування сервісних можливостей. Іншими словами, SCEF приховує складність мережі оператора, а також знімає з розробників додатків необхідність ідентифікації та автентифікації мобільних пристроїв (UE), надаючи можливість серверам програм (Application Server, далі AS) отримувати дані та керувати пристроями через єдиний API інтерфейс.
Ідентифікатором UE стає не телефонний номер (MSISDN) або IP-адреса, як це було в класичній мережі 2G/3G/LTE, а так званий «external ID», який визначений стандартом у звичному для розробників додатків форматі «@». Це окрема велика тема, що заслуговує на окремий матеріал, тому докладно про це зараз говорити не будемо.
Тепер розберемося із найбільш значущими нововведеннями. "CIoT EPS Optimization" - це оптимізація механізмів передачі трафіку та управління абонентськими сесіями. Ось основні з них:
- DoNAS
- NIDD
- Механізми енергозбереження PSM та eDRX
- HLCOM
DoNAS (Data over NAS):
Це механізм, розроблений оптимізації передачі малих обсягів даних.
У класичному LTE абонентський пристрій під час реєстрації в мережі встановлює PDN connection (далі PDN) через eNodeB до MME-SGW-PGW. З'єднання UE-eNodeB-MME - це так званий "Signaling Radio Bearer" (SRB). При необхідності передати/отримати дані UE встановлює ще одне з'єднання з eNodeB - "Data Radio Bearer" (DRB), для передачі трафіку користувача до SGW і далі на PGW (інтерфейси S1-U і S5 відповідно). Після закінчення обміну та за відсутності трафіку протягом деякого часу (зазвичай 5-20 секунд) ці з'єднання розриваються і пристрій переходить у режим очікування або “Idle Mode”. При необхідності обміну новою порцією даних SRB та DRB встановлюються.
У NB-IoT передача трафіку користувача може здійснюватися через сигнальний канал (SRB), в повідомленнях протоколу NAS (). Встановлення DRB більше не потрібне. Це значно знижує сигнальне навантаження, заощаджує радіоресурси мережі і, найважливіше, продовжує термін життя батареї пристрою.
На ділянці eNodeB — MME дані користувача починають передаватися за інтерфейсом S1-MME, чого не було в класичній технології LTE, і використовується для цього протокол NAS, в якому з'являється “User data container”.
Для здійснення передачі “User Plane“ від MME до SGW з'являється новий інтерфейс S11-U, який призначений для передачі малих об'ємів динних користувачів. В основі протоколу S11-U лежить GTP-U v1, який використовується для передачі User Plane та інших інтерфейсах мережі 3GPP-архітектури.
NIDD (non-IP data delivery):
У рамках подальшої оптимізації механізмів передачі малих обсягів даних, на додаток до вже існуючих типів PDN, таких як IPv4, IPv6 та IPv4v6, з'явився ще один тип – non-IP. У цьому випадку UE не надається IP адреса, і дані передаються без використання протоколу IP. На те є кілька причин:
- IoT пристрої, такі як датчики, можуть передавати дуже малі обсяги даних, 20 байт і навіть менше. Враховуючи, що мінімальний розмір IP заголовка - 20 байт, інкапсуляція в IP іноді може бути досить дорогим задоволенням;
- Немає необхідності реалізації в чіпі IP-стеку, що веде до здешевлення (питання до обговорення в коментарях).
За великим рахунком, IP-адреса необхідна IoT пристроям, щоб передавати дані через інтернет. У концепції NB-IoT SCEF виступає у ролі єдиної точки підключення AS, обмін даними між пристроями і серверами додатків відбувається за допомогою API. За відсутності SCEF non-IP дані AS можуть передаватися через Point-to-Point (PtP) тунель від PGW і інкапсуляція в IP буде здійснюватися вже на ньому.
Все це вписується в парадигму NB-IoT – максимальне спрощення та здешевлення пристроїв.
Механізми енергозбереження PSM та eDRX:
Однією з ключових переваг LPWAN мереж є енергоефективність. Заявляється термін до 10 років автономної роботи пристрою на одній батареї. Розберемося, як досягаються такі значення.
Коли пристрій споживає найменше енергії? Правильно, коли його вимкнено. І якщо повністю знеструмити девайс не можна, давайте знеструмимо радіо модуль, на той час, поки в ньому немає необхідності. Тільки попередньо треба узгодити це із мережею.
PSM (Power saving mode):
Режим енергозбереження PSM дозволяє пристрою надовго вимикати радіо модуль, залишаючись при цьому зареєстрованим у мережі, і не встановлювати заново PDN щоразу при необхідності передати дані.
Щоб мережа знала, що пристрій, як і раніше, доступний, він періодично ініціює процедуру актуалізації — Tracking Area Update (TAU). Частота цієї процедури визначається мережею за допомогою таймера T3412, значення якого передається пристрою під час процедури Attach або чергового TAU. У класичному LTE дефолтне значення цього таймера 54 хвилини, а максимальне – 186 хвилин. Однак, для забезпечення високої енергоефективності необхідність виходу в радіоефір кожні 186 хвилин — це дуже дороге задоволення. Для вирішення цієї проблеми був розроблений механізм PSM.
Пристрій активує режим PSM передаючи в повідомленнях Attach Request або Tracking Area Request значення двох таймерів T3324 і T3412-Extended. Перший визначає час, який пристрій буде доступний після переходу до Idle Mode. Другий - це час, через який повинен бути виготовлений TAU, тільки тепер його значення може досягати 35712000 секунд або 413 днів. Залежно від налаштувань, MME може прийняти значення таймерів, отримані від пристрою, або змінити їх, передавши нові значення в повідомленнях Attach Accept або Tracking Area Update Accept. Тепер пристрій може не включати радіо модуль 413 днів і залишатися при цьому зареєстрованим у мережі. В результаті отримуємо колосальну економію ресурсів мережі та енергоефективність пристроїв!
Однак цей режим недоступний лише для вхідних комунікацій. При необхідності передати що-небудь у бік сервера програм пристрій може у будь-який момент вийти з PSM і відправити дані, залишившись після цього активним протягом таймера T3324 для отримання інформаційних повідомлень від AS (якщо такі будуть).
eDRX (extended discontinuous reception):
eDRX, розширений режим уривчастого прийому. Щоб передати дані на пристрій, що знаходиться в Idle mode, мережа виконує процедуру оповіщення - "Paging". При отриманні пейджингу пристрій ініціює встановлення SRB для подальшого спілкування з мережею. Але щоб не пропустити адресоване повідомлення Paging, пристрій повинен постійно моніторити радіоефір, що також досить енерговитратно.
eDRX — це режим, коли пристрій приймає повідомлення від мережі не завжди, а періодично. Під час процедури Attach або TAU пристрій узгоджує з мережею тимчасові проміжки, в які він «слухатиме» ефір. Відповідно, в ці ж проміжки проводитиметься процедура Paging. У режимі eDRX робота пристрою розбивається цикли (eDRX cycle). На початку кожного циклу йде так зване вікно пейджингу (Paging Time Window, далі PTW) - це час, який пристрій слухає радіоканал. Після закінчення PTW пристрій відключає радіо модуль остаточно циклу.
HLCOM (high latency communication):
При необхідності передати дані в Uplink пристрій може вийти з будь-якого з цих двох режимів енергозбереження, не чекаючи закінчення циклу PSM або eDRX. Але передати дані на пристрій можливо, тільки коли воно активно.
Функціонал HLCOM або комунікація з високими затримками – це буферизація Downlink пакетів на SGW на час, поки пристрій перебуває в режимі енергозбереження та недоступний для комунікації. Буферизовані пакети будуть доставлені, як тільки пристрій вийде з PSM, зробивши TAU або передавши Uplink трафік, або коли настане PTW.
Це, безумовно, вимагає усвідомлення з боку розробників IoT-продуктів, оскільки спілкування з пристроєм виходить не в реальному часі та вимагає певного підходу до конструювання бізнес-логіки роботи додатків.
На закінчення скажемо: впровадження нового завжди захоплює, а зараз ми маємо справу зі стандартом, до кінця не обкатаним навіть у світових «зубрів», на зразок Vodafone і Telefonica – тому це захоплює подвійно. Наше викладення матеріалу не претендує на абсолютну повноту, але сподіваємося забезпечує достатнє розуміння технології. Будемо вдячні за зворотний зв'язок.
Автор: Експерт відділу конвергентних рішень та мультимедійних сервісів Олексій Лапшин
Джерело: habr.com