上次我們從無線接入網架構的角度講了NB-IoT新標準的特色。今天我們就來討論一下NB-IoT下核心網發生了哪些變化。那麼，我們走吧。
網路核心發生了重大變化。讓我們從一個新元素的出現以及許多機制開始，這些機制被標準定義為「CIoT EPS最佳化」或蜂窩物聯網核心網路的最佳化。
如您所知，在行動網路中有兩個主要的通訊通道，稱為控制平面（CP）和使用者平面（UP）。控制平面旨在用於各個網路元件之間交換服務訊息，並用於確保設備（UE）的移動性（移動性管理）並建立/維護資料傳輸會話（會話管理）。用戶面實際上是傳輸用戶流量的通道。在經典LTE中，CP和UP在介面上的分佈如下：
NB-IoT 的 CP 和 UP 最佳化機制在 MME、SGW 和 PGW 節點上實現，這些節點通常組合成稱為 C-SGN（蜂窩物聯網服務網關節點）的單一元素。該標準也假設出現一個新的網路元素－SCEF（服務能力暴露功能）。 MME和SCEF之間的介面稱為T6a，基於DIAMETER協定實作。儘管 DIAMETER 是一種信令協議，但在 NB-IoT 中，它適用於傳輸少量非 IP 資料。
顧名思義，SCEF是一個服務能力展示節點。也就是說，SCEF隱藏了運營商網路的複雜性，也減輕了應用程式開發者對行動裝置（UE）進行識別和認證的需要，讓應用程式伺服器（Application Server，以下簡稱AS）透過單一的裝置接收數據和管理設備。 API介面。
UE識別碼不再是經典2G/3G/LTE網路中的電話號碼（MSISDN）或IP位址，而是所謂的“外部ID”，由標準以熟悉的格式定義對於應用程式開發人員“@”。這是一個單獨的大主題，需要單獨的材料，所以我們現在不會詳細討論它。
現在讓我們來看看最重要的創新。 「CIoT EPS最佳化」是流量傳輸機制和使用者會話管理的最佳化。以下是主要的：
- 多納斯
- NIDD
- PSM 和 eDRX 省電機制
- HLCOM
DoNAS（NAS 上的數據）：
這是一種旨在優化少量資料傳輸的機制。
在經典LTE中，用戶設備在網路註冊時，透過eNodeB與MME-SGW-PGW建立PDN連接(以下簡稱PDN)。 UE-eNodeB-MME 連線是所謂的「訊號無線承載」(SRB)。如果需要發送/接收數據，UE 與 eNodeB 建立另一個連接 - “數據無線承載”(DRB)，以將用戶流量發送到 SGW 並進一步發送到 PGW（分別為接口 S1-U 和 S5） 。交換結束時，如果一段時間內（通常 5-20 秒）沒有流量，這些連線將終止，設備進入待機模式或「空閒模式」。如果需要交換新的資料部分，則SRB和DRB被重置。
在NB-IoT中，用戶流量的傳輸可以透過訊號通道（SRB）進行，在NAS協定訊息中（）。不再需要設定 DRB。這顯著減少了訊號負載，節省了網路無線電資源，最重要的是，延長了設備電池的使用壽命。
在eNodeB-MME部分，用戶資料開始透過S1-MME介面傳輸，這在經典LTE技術中是沒有的，為此使用了NAS協議，其中出現了「用戶資料容器」。
為了實現從MME到SGW的「用戶平面」傳輸，出現了新的介面S11-U，專為傳輸少量用戶資料而設計。 S11-U協定基於GTP-U v1，用於3GPP架構的其他網路介面上的用戶平面傳輸。
NIDD（非 IP 資料傳輸）：
作為進一步優化小量資料傳輸機制的一部分，除了現有的PDN類型（例如IPv4、IPv6和IPv4v6）之外，還出現了另一種類型—非IP。在這種情況下，UE沒有被指派IP位址且資料在不使用IP協定的情況下被傳送。有幾個原因：
- 感測器等物聯網設備可以傳輸非常少量的數據，即 20 位元組或更少。鑑於最小 IP 標頭大小為 20 位元組，IP 封裝有時會非常昂貴；
- 無需在晶片上實現 IP 堆疊，從而降低了成本（評論中討論的問題）。
總的來說，物聯網設備需要 IP 位址才能透過網路傳輸資料。在 NB-IoT 概念中，SCEF 充當單一 AS 連接點，裝置和應用伺服器之間的資料交換透過 API 進行。在沒有SCEF的情況下，非IP資料可以從PGW透過點對點（PtP）隧道傳輸到AS，並對其進行IP封裝。
所有這些都符合 NB-IoT 範例 - 最大限度地簡化並降低設備成本。
PSM和eDRX省電機制：
LPWAN 網路的主要優勢之一是能源效率。據稱，該設備單一電池的電池壽命可達 10 年。讓我們弄清楚這樣的值是如何實現的。
設備什麼時候消耗的能量最少？關閉時更正。如果無法完全斷電設備，只要不需要，我們就將無線電模組斷電。您只需先與網路進行協調即可。
PSM（省電模式）：
PSM省電模式可讓設備長時間關閉無線電模組，同時保持在網路中的註冊狀態，而不必在每次需要傳輸資料時重新安裝PDN。
為了讓網路知道設備仍然可用，它會定期啟動更新過程 - 追蹤區域更新 (TAU)。此過程的頻率由網路使用定時器 T3412 設置，其值在附著過程或下一個 TAU 期間傳輸到裝置。在經典LTE中，此定時器的預設值為54分鐘，最大值為186分鐘。然而，為了確保高能效，每186分鐘就需要播出一次，成本太高。 PSM機制就是為了解決這個問題而出現的。
裝置透過在「Attach Request」或「Tracking Area Request」訊息中傳送兩個計時器T3324和T3412-Extended的值來啟動PSM模式。第一個確定切換到「空閒模式」後設備可用的時間。第二個是TAU必須產生的時間，現在它的值可以達到35712000秒或413天。根據設置，MME可以接受從裝置接收的定時器值，或透過在「Attach Accept」或「Tracking Area Update Accept」訊息中發送新值來變更它們。現在，設備在 413 天內無法開啟無線電模組並保持在網路中的註冊狀態。因此，我們在網路資源和設備能源效率方面獲得了巨大的節省！
但是，在此模式下，設備不能僅用於傳入通訊。如果需要向應用程式伺服器傳輸某些內容，設備可以隨時退出 PSM 並發送數據，之後在 T3324 定時器期間保持活動狀態以接收來自 AS 的訊息訊息（如果有）。
eDRX（擴展非連續接收）：
eDRX，增強型間歇性接收。為了將資料傳輸到處於「空閒模式」的設備，網路執行通知過程 - 「尋呼」。收到尋呼後，設備啟動 SRB 的建立，以便與網路進一步通訊。但為了不錯過發送給它的尋呼訊息，設備必須不斷監視無線電廣播，這也是相當消耗能量的。
eDRX 是一種裝置不是持續接收來自網路的訊息，而是週期性地接收訊息的模式。在 Attach 或 TAU 過程中，裝置與網路就「監聽」廣播的時間間隔達成協議。因此，尋呼過程將以相同的間隔執行。在 eDRX 模式下，設備的操作分為多個週期（eDRX 週期）。在每個週期開始時都有一個所謂的「尋呼視窗」（Paging Time Window，以下簡稱PTW）－這是裝置偵聽無線電頻道的時間。 PTW 結束時，設備關閉無線電模組，直到週期結束。
HLCOM（高延遲通訊）：
如果需要將資料傳輸到上行鏈路，設備可以退出這兩種省電模式中的任何一種，而無需等待 PSM 或 eDRX 週期完成。但只有當設備處於活動狀態時才可以將資料傳輸到設備。
HLCOM 功能或高延遲通訊是在裝置處於省電模式且不可用於通訊時在 SGW 上緩衝下行鏈路資料包。一旦裝置透過執行 TAU 或傳遞上行鏈路流量退出 PSM，或發生 PTW 時，就會傳送緩衝的封包。
當然，這需要物聯網產品開發人員的認識，因為與設備的通訊不是即時實現的，並且需要某種方法來設計應用程式的業務邏輯。
總而言之，我們可以這麼說：引入新事物總是令人興奮，但現在我們正在處理一個即使是沃達豐和西班牙電信等世界“野牛”也沒有經過充分測試的標準 - 所以它更加令人興奮。我們對材料的介紹並不假裝絕對完整，但我們希望它能讓人們充分了解該技術。我們將不勝感激您的回饋。
作者：融合解決方案與多媒體服務部專家Alexey Lapshin
來源： www.habr.com