上次我们从无线接入网架构的角度讲了NB-IoT新标准的特点。今天我们就来讨论一下NB-IoT下核心网发生了哪些变化。那么，我们走吧。
网络核心发生了重大变化。让我们从一个新元素的出现以及许多机制开始，这些机制被标准定义为“CIoT EPS优化”或蜂窝物联网核心网络的优化。
如您所知，在移动网络中有两个主要的通信通道，称为控制平面（CP）和用户平面（UP）。控制平面旨在用于各个网络元件之间交换服务消息，并用于确保设备（UE）的移动性（移动性管理）并建立/维护数据传输会话（会话管理）。用户面实际上是传输用户流量的通道。在经典LTE中，CP和UP在接口上的分布如下：
NB-IoT 的 CP 和 UP 优化机制在 MME、SGW 和 PGW 节点上实现，这些节点通常组合成称为 C-SGN（蜂窝物联网服务网关节点）的单个元素。该标准还假设出现一个新的网络元素——SCEF（服务能力暴露功能）。 MME和SCEF之间的接口称为T6a，基于DIAMETER协议实现。尽管 DIAMETER 是一种信令协议，但在 NB-IoT 中，它适用于传输少量非 IP 数据。
顾名思义，SCEF是一个服务能力展示节点。也就是说，SCEF隐藏了运营商网络的复杂性，也减轻了应用开发者对移动设备（UE）进行识别和认证的需要，让应用服务器（Application Server，以下简称AS）通过单一的设备接收数据和管理设备。 API接口。
UE标识符不再是经典2G/3G/LTE网络中的电话号码（MSISDN）或IP地址，而是所谓的“外部ID”，由标准以熟悉的格式定义对于应用程序开发人员“@”。这是一个单独的大主题，需要单独的材料，所以我们现在不会详细讨论它。
现在让我们来看看最重要的创新。 “CIoT EPS优化”是流量传输机制和用户会话管理的优化。以下是主要的：
- 多纳斯
- NIDD
- PSM 和 eDRX 省电机制
- HLCOM
DoNAS（NAS 上的数据）：
这是一种旨在优化少量数据传输的机制。
在经典LTE中，用户设备在网络注册时，通过eNodeB与MME-SGW-PGW建立PDN连接(以下简称PDN)。 UE-eNodeB-MME 连接是所谓的“信令无线承载”(SRB)。如果需要发送/接收数据，UE 与 eNodeB 建立另一个连接 - “数据无线承载”(DRB)，以将用户流量发送到 SGW 并进一步发送到 PGW（分别为接口 S1-U 和 S5） 。交换结束时，如果一段时间内（通常 5-20 秒）没有流量，这些连接将终止，设备进入待机模式或“空闲模式”。如果需要交换新的数据部分，则SRB和DRB被重置。
在NB-IoT中，用户流量的传输可以通过信令通道（SRB）进行，在NAS协议消息中（）。不再需要设置 DRB。这显着减少了信号负载，节省了网络无线电资源，最重要的是，延长了设备电池的使用寿命。
在eNodeB-MME部分，用户数据开始通过S1-MME接口传输，这在经典LTE技术中是没有的，为此使用了NAS协议，其中出现了“用户数据容器”。
为了实现从MME到SGW的“用户平面”传输，出现了新的接口S11-U，该接口专为传输少量用户数据而设计。 S11-U协议基于GTP-U v1，用于3GPP架构的其他网络接口上的用户平面传输。
NIDD（非 IP 数据传输）：
作为进一步优化小量数据传输机制的一部分，除了现有的PDN类型（例如IPv4、IPv6和IPv4v6）之外，还出现了另一种类型——非IP。在这种情况下，UE没有被分配IP地址并且数据在不使用IP协议的情况下被发送。有几个原因：
- 传感器等物联网设备可以传输非常少量的数据，即 20 字节或更少。鉴于最小 IP 标头大小为 20 字节，IP 封装有时会非常昂贵；
- 无需在芯片上实现 IP 堆栈，从而降低了成本（评论中讨论的问题）。
总的来说，物联网设备需要 IP 地址才能通过互联网传输数据。在 NB-IoT 概念中，SCEF 充当单个 AS 连接点，设备和应用服务器之间的数据交换通过 API 进行。在没有SCEF的情况下，非IP数据可以从PGW通过点对点（PtP）隧道传输到AS，并对其进行IP封装。
所有这些都符合 NB-IoT 范例 - 最大限度地简化并降低设备成本。
PSM和eDRX省电机制：
LPWAN 网络的主要优势之一是能源效率。据称，该设备单块电池的电池寿命可达 10 年。让我们弄清楚这样的值是如何实现的。
设备什么时候消耗的能量最少？关闭时更正。如果无法完全断电设备，只要不需要，我们就将无线电模块断电。您只需首先与网络进行协调即可。
PSM（省电模式）：
PSM省电模式允许设备长时间关闭无线电模块，同时保持在网络中的注册状态，而不必在每次需要传输数据时重新安装PDN。
为了让网络知道设备仍然可用，它会定期启动更新过程 - 跟踪区域更新 (TAU)。此过程的频率由网络使用定时器 T3412 设置，其值在附着过程或下一个 TAU 期间传输到设备。在经典LTE中，该定时器的默认值为54分钟，最大值为186分钟。然而，为了保证高能效，每186分钟就需要播出一次，成本太高。 PSM机制就是为了解决这个问题而出现的。
设备通过在“Attach Request”或“Tracking Area Request”消息中发送两个定时器T3324和T3412-Extended的值来激活PSM模式。第一个确定切换到“空闲模式”后设备可用的时间。第二个是TAU必须生成的时间，现在它的值可以达到35712000秒或413天。根据设置，MME可以接受从设备接收的定时器值，或者通过在“Attach Accept”或“Tracking Area Update Accept”消息中发送新值来更改它们。现在，设备在 413 天内无法打开无线电模块并保持在网络中的注册状态。因此，我们在网络资源和设备能源效率方面获得了巨大的节省！
但是，在此模式下，设备不能仅用于传入通信。如果需要向应用服务器传输某些内容，设备可以随时退出 PSM 并发送数据，之后在 T3324 定时器期间保持活动状态以接收来自 AS 的信息消息（如果有）。
eDRX（扩展非连续接收）：
eDRX，增强型间歇接收。为了将数据传输到处于“空闲模式”的设备，网络执行通知过程 - “寻呼”。收到寻呼后，设备启动 SRB 的建立，以便与网络进一步通信。但为了不错过发送给它的寻呼消息，设备必须不断监视无线电广播，这也是相当消耗能量的。
eDRX 是一种设备不是持续接收来自网络的消息，而是周期性地接收消息的模式。在 Attach 或 TAU 过程中，设备与网络就“侦听”广播的时间间隔达成一致。因此，寻呼过程将以相同的间隔执行。在 eDRX 模式下，设备的操作分为多个周期（eDRX 周期）。在每个周期开始时有一个所谓的“寻呼窗口”（Paging Time Window，以下简称PTW）——这是设备侦听无线电信道的时间。 PTW 结束时，设备关闭无线电模块，直到周期结束。
HLCOM（高延迟通信）：
如果需要将数据传输到上行链路，设备可以退出这两种省电模式中的任何一种，而无需等待 PSM 或 eDRX 周期完成。但只有当设备处于活动状态时才可以将数据传输到设备。
HLCOM 功能或高延迟通信是在设备处于省电模式且不可用于通信时在 SGW 上缓冲下行链路数据包。一旦设备通过执行 TAU 或传递上行链路流量退出 PSM，或者发生 PTW 时，就会传送缓冲的数据包。
当然，这需要物联网产品开发人员的认识，因为与设备的通信不是实时实现的，并且需要某种方法来设计应用程序的业务逻辑。
总而言之，我们可以这么说：引入新事物总是令人兴奋，但现在我们正在处理一个即使是沃达丰和西班牙电信等世界“野牛”也没有经过充分测试的标准 - 所以它更加令人兴奋。我们对材料的介绍并不假装绝对完整，但我们希望它能让人们充分了解该技术。我们将不胜感激您的反馈。
作者：融合解决方案和多媒体服务部专家Alexey Lapshin
来源： habr.com