Lần trước chúng ta đã nói về các tính năng của tiêu chuẩn NB-IoT mới từ quan điểm kiến trúc mạng truy cập vô tuyến. Hôm nay chúng ta sẽ thảo luận về những gì đã thay đổi trong Mạng lõi trong NB-IoT. Vì vậy, chúng ta hãy đi.
Đã có những thay đổi đáng kể về cốt lõi của mạng. Hãy bắt đầu với thực tế là một yếu tố mới đã xuất hiện, cũng như một số cơ chế được tiêu chuẩn xác định là “Tối ưu hóa EPS CIoT” hoặc tối ưu hóa mạng lõi cho Internet di động của vạn vật.
Như bạn đã biết, trong mạng di động có hai kênh liên lạc chính, được gọi là Mặt phẳng điều khiển (CP) và Mặt phẳng người dùng (UP). Mặt phẳng điều khiển nhằm mục đích trao đổi tin nhắn dịch vụ giữa các thành phần mạng khác nhau và được sử dụng để đảm bảo tính di động (Quản lý di động) của thiết bị (UE) và thiết lập/duy trì phiên truyền dữ liệu (Quản lý phiên). Trên thực tế, Mặt phẳng người dùng là một kênh để truyền lưu lượng người dùng. Trong LTE cổ điển, việc phân phối CP và UP trên các giao diện như sau:
Cơ chế tối ưu hóa CP và UP cho NB-IoT được triển khai trên các nút MME, SGW và PGW, thường được kết hợp thành một phần tử duy nhất gọi là C-SGN (Nút cổng phục vụ IoT di động). Tiêu chuẩn này cũng giả định sự xuất hiện của một thành phần mạng mới - SCEF (Chức năng tiếp xúc khả năng dịch vụ). Giao diện giữa MME và SCEF được gọi là T6a và được triển khai dựa trên giao thức DIAMETER. Mặc dù thực tế DIAMETER là một giao thức báo hiệu, nhưng trong NB-IoT, nó được điều chỉnh để truyền một lượng nhỏ dữ liệu không phải IP.
Đúng như tên gọi của nó, SCEF là Nút triển lãm khả năng dịch vụ. Nói cách khác, SCEF che giấu sự phức tạp của mạng của nhà điều hành và cũng giúp các nhà phát triển ứng dụng không cần phải xác định và xác thực thiết bị di động (UE), cho phép các máy chủ ứng dụng (Máy chủ ứng dụng, sau đây gọi là AS) nhận dữ liệu và quản lý thiết bị thông qua một máy chủ duy nhất. Giao diện API.
Mã định danh UE không phải là số điện thoại (MSISDN) hoặc địa chỉ IP, như trường hợp của mạng 2G/3G/LTE cổ điển, mà là cái gọi là “ID bên ngoài”, được xác định theo tiêu chuẩn ở định dạng quen thuộc. tới các nhà phát triển ứng dụng “@". Đây là một chủ đề lớn riêng biệt cần có tài liệu riêng, vì vậy bây giờ chúng ta sẽ không nói chi tiết về nó.
Bây giờ chúng ta hãy xem xét những đổi mới quan trọng nhất. “Tối ưu hóa CIoT EPS” là tối ưu hóa cơ chế truyền tải lưu lượng và quản lý phiên thuê bao. Dưới đây là những cái chính:
- DONAS
- NIDD
- Cơ chế tiết kiệm năng lượng PSM và eDRX
- HLCOM
DoNAS (Dữ liệu qua NAS):
Đây là một cơ chế được thiết kế để tối ưu hóa việc truyền một lượng nhỏ dữ liệu.
Trong LTE cổ điển, khi đăng ký mạng, thiết bị thuê bao sẽ thiết lập kết nối PDN (sau đây gọi là PDN) qua eNodeB tới MME-SGW-PGW. Kết nối UE-eNodeB-MME được gọi là “Bộ truyền sóng vô tuyến báo hiệu” (SRB). Nếu cần truyền/nhận dữ liệu, UE sẽ thiết lập một kết nối khác với eNodeB - “Data Radio Bearer” (DRB), để truyền lưu lượng người dùng đến SGW và xa hơn tới PGW (giao diện S1-U và S5, tương ứng) . Khi kết thúc quá trình trao đổi và nếu không có lưu lượng truy cập trong một thời gian (thường là 5-20 giây), các kết nối này sẽ bị ngắt và thiết bị sẽ chuyển sang chế độ chờ hoặc “Chế độ không hoạt động”. Nếu cần trao đổi một phần dữ liệu mới, SRB và DRB sẽ được đặt lại.
Trong NB-IoT, việc truyền lưu lượng người dùng có thể được thực hiện thông qua kênh báo hiệu (SRB), trong các tin nhắn giao thức NAS (). Việc thiết lập DRB không còn cần thiết nữa. Điều này làm giảm đáng kể tải tín hiệu, tiết kiệm tài nguyên vô tuyến mạng và quan trọng nhất là kéo dài tuổi thọ pin của thiết bị.
Trong phần eNodeB - MME, dữ liệu người dùng bắt đầu được truyền qua giao diện S1-MME, điều này không xảy ra trong công nghệ LTE cổ điển và giao thức NAS được sử dụng cho việc này, trong đó “Bộ chứa dữ liệu người dùng” xuất hiện.
Để thực hiện chuyển “Mặt phẳng người dùng” từ MME sang SGW, một giao diện mới S11-U xuất hiện, được thiết kế để truyền một lượng nhỏ dữ liệu người dùng. Giao thức S11-U dựa trên GTP-U v1, được sử dụng để truyền Mặt phẳng người dùng trên các giao diện mạng khác của kiến trúc 3GPP.
NIDD (phân phối dữ liệu không phải IP):
Là một phần của quá trình tối ưu hóa hơn nữa các cơ chế truyền lượng nhỏ dữ liệu, ngoài các loại PDN hiện có, chẳng hạn như IPv4, IPv6 và IPv4v6, một loại khác đã xuất hiện - không phải IP. Trong trường hợp này, UE không được gán địa chỉ IP và dữ liệu được truyền mà không sử dụng giao thức IP. Cái này có một vài nguyên nhân:
- Các thiết bị IoT như cảm biến có thể truyền lượng dữ liệu rất nhỏ, 20 byte trở xuống. Cho rằng kích thước tiêu đề IP tối thiểu là 20 byte, việc đóng gói IP đôi khi có thể khá tốn kém;
- Không cần triển khai ngăn xếp IP trên chip, điều này giúp giảm chi phí (câu hỏi thảo luận trong phần bình luận).
Nhìn chung, địa chỉ IP là cần thiết để các thiết bị IoT truyền dữ liệu qua Internet. Trong khái niệm NB-IoT, SCEF hoạt động như một điểm kết nối AS duy nhất và việc trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị và máy chủ ứng dụng diễn ra thông qua API. Trong trường hợp không có SCEF, dữ liệu không phải IP có thể được truyền đến AS thông qua đường hầm điểm-điểm (PtP) từ PGW và việc đóng gói IP sẽ được thực hiện trên nó.
Tất cả điều này phù hợp với mô hình NB-IoT - đơn giản hóa tối đa và giảm chi phí thiết bị.
Cơ chế tiết kiệm điện năng PSM và eDRX:
Một trong những ưu điểm chính của mạng LPWAN là hiệu quả sử dụng năng lượng. Thiết bị này được cho là có tuổi thọ pin lên tới 10 năm chỉ với một viên pin. Hãy tìm hiểu làm thế nào đạt được những giá trị như vậy.
Khi nào một thiết bị tiêu thụ ít năng lượng nhất? Đúng khi nó bị tắt. Và nếu không thể ngắt điện hoàn toàn cho thiết bị, hãy ngắt điện mô-đun vô tuyến trong thời gian không cần thiết. Bạn chỉ cần phối hợp việc này với mạng trước.
PSM (Chế độ tiết kiệm năng lượng):
Chế độ tiết kiệm năng lượng PSM cho phép thiết bị tắt mô-đun vô tuyến trong thời gian dài mà vẫn được đăng ký trong mạng và không phải cài đặt lại PDN mỗi khi cần truyền dữ liệu.
Để cho mạng biết rằng thiết bị vẫn khả dụng, mạng sẽ khởi tạo quy trình cập nhật định kỳ - Cập nhật khu vực theo dõi (TAU). Tần số của quy trình này được mạng đặt bằng cách sử dụng bộ hẹn giờ T3412, giá trị của tần số này được truyền đến thiết bị trong quy trình Đính kèm hoặc TAU tiếp theo. Trong LTE cổ điển, giá trị mặc định của bộ hẹn giờ này là 54 phút và tối đa là 186 phút. Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả sử dụng năng lượng cao, nhu cầu phát sóng cứ 186 phút một lần là quá tốn kém. Cơ chế PSM được phát triển để giải quyết vấn đề này.
Thiết bị kích hoạt chế độ PSM bằng cách truyền các giá trị của hai bộ định thời T3324 và T3412-Extends trong các tin nhắn “Yêu cầu đính kèm” hoặc “Yêu cầu khu vực theo dõi”. Đầu tiên xác định thời gian thiết bị sẽ khả dụng sau khi chuyển sang “Chế độ nhàn rỗi”. Thứ hai là thời gian sau đó TAU phải được tạo ra, chỉ lúc này giá trị của nó mới có thể đạt tới 35712000 giây hoặc 413 ngày. Tùy thuộc vào cài đặt, MME có thể chấp nhận các giá trị bộ hẹn giờ nhận được từ thiết bị hoặc thay đổi chúng bằng cách gửi các giá trị mới trong thông báo “Đính kèm chấp nhận” hoặc “Chấp nhận cập nhật khu vực theo dõi”. Bây giờ thiết bị không thể bật mô-đun radio trong 413 ngày và vẫn được đăng ký trong mạng. Kết quả là chúng ta tiết kiệm được rất nhiều tài nguyên mạng và hiệu quả sử dụng năng lượng của thiết bị!
Tuy nhiên, ở chế độ này, thiết bị không chỉ sẵn sàng cho các liên lạc đến. Nếu cần truyền thứ gì đó tới máy chủ ứng dụng, thiết bị có thể thoát PSM bất cứ lúc nào và gửi dữ liệu, sau đó nó vẫn hoạt động trong bộ định thời T3324 để nhận các thông báo thông tin từ AS (nếu có).
eDRX (tiếp nhận không liên tục mở rộng):
eDRX, Tiếp nhận không liên tục nâng cao. Để truyền dữ liệu đến một thiết bị ở “Chế độ không hoạt động”, mạng sẽ thực hiện quy trình thông báo - “Phân trang”. Khi nhận được tin nhắn phân trang, thiết bị sẽ bắt đầu thiết lập SRB để liên lạc thêm với mạng. Nhưng để không bỏ lỡ tin nhắn Paging gửi đến nó, thiết bị phải liên tục theo dõi sóng vô tuyến, việc này cũng khá tiêu tốn năng lượng.
eDRX là chế độ trong đó thiết bị không nhận được tin nhắn từ mạng liên tục mà theo định kỳ. Trong quá trình Đính kèm hoặc TAU, thiết bị sẽ đồng ý với mạng về khoảng thời gian mà thiết bị sẽ “nghe” chương trình phát sóng. Theo đó, thủ tục Paging sẽ được thực hiện ở những khoảng thời gian giống nhau. Ở chế độ eDRX, hoạt động của thiết bị được chia thành các chu kỳ (chu kỳ eDRX). Vào đầu mỗi chu kỳ có cái gọi là “cửa sổ phân trang” (Cửa sổ thời gian phân trang, sau đây gọi là PTW) - đây là thời gian thiết bị nghe kênh radio. Khi kết thúc PTW, thiết bị sẽ tắt mô-đun vô tuyến cho đến hết chu kỳ.
HLCOM (giao tiếp có độ trễ cao):
Nếu cần truyền dữ liệu lên Uplink, thiết bị có thể thoát một trong hai chế độ tiết kiệm năng lượng này mà không cần đợi chu trình PSM hoặc eDRX hoàn tất. Nhưng chỉ có thể truyền dữ liệu vào thiết bị khi thiết bị đang hoạt động.
Chức năng HLCOM hoặc giao tiếp có độ trễ cao là đệm các gói Đường xuống trên SGW trong khi thiết bị ở chế độ tiết kiệm năng lượng và không khả dụng để liên lạc. Các gói được đệm sẽ được phân phối ngay khi thiết bị thoát khỏi PSM bằng cách thực hiện TAU hoặc truyền lưu lượng Đường lên hoặc khi PTW xảy ra.
Tất nhiên, điều này đòi hỏi nhận thức từ phía các nhà phát triển sản phẩm IoT, vì không thể giao tiếp với thiết bị trong thời gian thực và đòi hỏi một cách tiếp cận nhất định để thiết kế logic nghiệp vụ của ứng dụng.
Tóm lại, hãy nói: việc giới thiệu một cái gì đó mới luôn thú vị, nhưng hiện tại chúng ta đang đối mặt với một tiêu chuẩn chưa được thử nghiệm đầy đủ ngay cả bởi những “bò rừng” trên thế giới, như Vodafone và Telefonica - vì vậy nó thú vị gấp đôi. Việc trình bày tài liệu của chúng tôi không có vẻ hoàn toàn đầy đủ nhưng chúng tôi hy vọng nó cung cấp sự hiểu biết đầy đủ về công nghệ. Chúng tôi sẽ đánh giá cao phản hồi của bạn.
Tác giả: Chuyên viên Bộ môn Giải pháp hội tụ và Dịch vụ đa phương tiện Alexey Lapshin
Nguồn: www.habr.com