Главная » Хабрахабр » NB-IoT: как он работает? Часть 2

NB-IoT: как он работает? Часть 2

В прошлый раз мы говорили об особенностях нового стандарта NB-IoT с точки зрения архитектуры сети радиодоступа. Сегодня порассуждаем, что изменилось в ядре сети (Core Network) при NB-IoT. Итак, поехали.

image

Начнем с того, что появился новый элемент, а также ряд механизмов, которые определены стандартом как “CIoT EPS Optimization” или оптимизации опорной сети для сотового интернета вещей. В ядре сети произошли значительные изменения.

Control Plane предназначен для обмена служебными сообщениями между различными элементами сети и служит для обеспечения мобильности (Mobility management) устройств (UE) и установления/поддержания сессии передачи данных (Session Management). Как известно, в мобильных сетях существует два основных канала коммуникаций, которые называются Control Plane (CP) и User Plane (UP). В классическом LTE распределение CP и UP по интерфейсам выглядит следующим образом: User Plane — это, собственно, канал передачи пользовательского трафика.

image

Также стандарт предполагает появление нового элемента сети — SCEF (Service Capability Exposure Function). Механизмы оптимизации CP и UP для NB-IoT реализовываются на узлах MME, SGW и PGW, которые условно объединяются в единый элемент под названием C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). Несмотря на то, что DIAMETER это сигнальный протокол, в NB-IoT он адаптирован для передачи малых объемов non-IP данных. Интерфейс между MME и SCEF называется T6a и реализован на базе протокола DIAMETER.

image

Другими словами, SCEF скрывает сложность сети оператора, а также снимает с разработчиков приложений необходимость идентификации и аутентификации мобильных устройств (UE), предоставляя возможность серверам приложений (Application Server, далее AS) получать данные и управлять устройствами через единый API интерфейс. Исходя из названия, SCEF — это узел экспонирования сервисных возможностей.

Это отдельная большая тема, заслуживающая отдельного материала, поэтому подробно об этом сейчас говорить не будем. Идентификатором UE становится не телефонный номер (MSISDN) или IP адрес, как это было в классической сети 2G/3G/LTE, а так называемый «external ID», который определен стандартом в привычном для разработчиков приложений формате «<Local Identifier>@<Domain Identifier>».

«CIoT EPS Optimization» — это оптимизация механизмов передачи трафика и управления абонентскими сессиями. Теперь разберемся c наиболее значимыми нововведениями. Вот основные из них:

  • DoNAS
  • NIDD
  • Механизмы энергосбережения PSM и eDRX
  • HLCOM

DoNAS (Data over NAS):

Это механизм, разработанный для оптимизации передачи малых объемов данных.

Соединение UE-eNodeB-MME — это так называемый “Signaling Radio Bearer” (SRB). В классическом LTE абонентское устройство при регистрации в сети устанавливает PDN connection (далее PDN) через eNodeB к MME-SGW-PGW. По окончании обмена и при отсутствии трафика в течение некоторого времени (обычно 5-20 секунд) эти соединения разрываются и устройство переходит в режим ожидания или “Idle Mode”. При необходимости передать/получить данные UE устанавливает еще одно соединение с eNodeB — “Data Radio Bearer” (DRB), для передачи пользовательского трафика к SGW и далее на PGW (интерфейсы S1-U и S5 соответственно). При необходимости обмена новой порцией данных SRB и DRB переустанавливаются.

3gpp.org/more/96-nas). В NB-IoT передача пользовательского трафика может осуществляться через сигнальный канал (SRB), в сообщениях протокола NAS (http://www. Это значительно снижает сигнальную нагрузку, экономит радиоресурсы сети и, самое важное — продлевает срок жизни батареи устройства. Установление DRB больше не требуется.

На участке eNodeB — MME пользовательские данные начинают передаваться по интерфейсу S1-MME, чего не было в классической технологии LTE, и используется для этого протокол NAS, в котором появляется “User data container”.

image

В основе протокола S11-U лежит GTP-U v1, который используется для передачи User Plane и на других интерфейсах сети 3GPP-архитектуры.
image
NIDD (non-IP data delivery): Для осуществления передачи “User Plane“ от MME к SGW появляется новый интерфейс S11-U, который предназначен для передачи малых объемов пользовательских дынных.

В этом случае UE не присваивается IP адрес, и данные передаются без использования протокола IP. В рамках дальнейшей оптимизации механизмов передачи малых объемов данных, в дополнение к уже существующим типам PDN, таким как IPv4, IPv6 и IPv4v6, появился еще один тип — non-IP. На то есть несколько причин:

  1. IoT устройства, такие как датчики, могут передавать очень малые объемы данных, 20 байт и даже меньше. Учитывая, что минимальный размер IP заголовка — 20 байт, инкапсуляция в IP иногда может быть достаточно дорогим удовольствием;
  2. Нет необходимости реализации в чипе IP-стека, что ведет к их удешевлению (вопрос к обсуждению в комментариях).

По большому счету, IP адрес необходим IoT устройствам, чтобы передавать данные через интернет. В концепции NB-IoT SCEF выступает в роли единой точки подключения AS, и обмен данными между устройствами и серверами приложений происходит посредством API. При отсутствии SCEF non-IP данные к AS могут передаваться через Point-to-Point (PtP) тоннель от PGW и инкапсуляция в IP будет производиться уже на нем.

Все это вписывается в парадигму NB-IoT — максимальное упрощение и удешевление устройств.

Механизмы энергосбережения PSM и eDRX:

Заявляется срок до 10 лет автономной работы устройства на одной батарее. Одним из ключевых преимуществ LPWAN сетей является энергоэффективность. Разберемся, каким образом достигаются такие значения.

Правильно, когда оно выключено. Когда устройство потребляет меньше всего энергии? Только предварительно надо согласовать это с сетью. И если полностью обесточить девайс нельзя, давайте обесточим радио модуль, на то время, пока в нем нет необходимости.

PSM (Power saving mode):

Режим энергосбережения PSM позволяет устройству надолго выключать радио модуль, оставаясь при этом зарегистрированным в сети, и не переустанавливать PDN каждый раз при необходимости передать данные.

Частота этой процедуры задается сетью при помощи таймера T3412, значение которого передается устройству во время процедуры Attach или очередного TAU. Чтобы сеть знала, что устройство по-прежнему доступно, оно периодически инициирует процедуру актуализации — Tracking Area Update (TAU). Однако, для обеспечения высокой энергоэффективности, необходимость выхода в радиоэфир каждые 186 минут — это слишком дорогое удовольствие. В классическом LTE дефолтное значение этого таймера 54 минуты, а максимальное — 186 минут. Для решения этой проблемы и был разработан механизм PSM.

Первый определяет время, которое устройство будет доступно после перехода в «Idle Mode». Устройство активирует режим PSM передавая в сообщениях «Attach Request» или «Tracking Area Request» значения двух таймеров T3324 и T3412-Extended. В зависимости от настроек, MME может принять значения таймеров, полученные от устройства, или изменить их, передав новые значения в сообщениях «Attach Accept» или «Tracking Area Update Accept». Второй — это время, через которое должен быть произведен TAU, только теперь его значение может достигать 35712000 секунд или 413 дней. В результате получаем колоссальную экономию ресурсов сети и энергоэффективность устройств! Теперь устройство может не включать радио модуль 413 дней и оставаться при этом зарегистрированным в сети.

image

При необходимости передать что-либо в сторону сервера приложений устройство может в любой момент выйти из PSM и отправить данные, оставшись после этого активным в течение таймера T3324 для приема информационных сообщений от AS (если таковые будут). Однако в этом режиме устройство недоступно только для входящих коммуникаций.

eDRX (extended discontinuous reception):

Чтобы передать данные на устройство, которое находится в «Idle mode», сеть выполняет процедуру оповещения — «Paging». eDRX, расширенный режим прерывистого приема. Но чтобы не пропустить адресованное ему сообщение Paging, устройство должно постоянно мониторить радиоэфир, что также достаточно энергозатратно. При получении пейджинга устройство инициирует установление SRB для дальнейшей коммуникации с сетью.

Во время процедур Attach или TAU устройство согласовывает с сетью временные промежутки, в которые оно будет «слушать» эфир. eDRX — это режим, при котором устройство принимает сообщения от сети не постоянно, а периодически. В режиме eDRX работа устройства разбивается на циклы (eDRX cycle). Соответственно, в эти же промежутки будет производиться процедура Paging. По окончании PTW устройство отключает радио модуль до конца цикла.
image
HLCOM (high latency communication): В начале каждого цикла идет так называемое «окно пейджинга» (Paging Time Window, далее PTW) — это время, которое устройство слушает радиоканал.

Но вот передать данные на устройство возможно, только когда оно активно. При необходимости передать данные в Uplink устройство может выйти из любого из этих двух режимов энергосбережения, не дожидаясь окончания PSM или eDRX цикла.

Буферизированные пакеты будут доставлены, как только устройство выйдет из PSM, сделав TAU или передав Uplink трафик, или, когда наступит PTW. Функционал HLCOM или коммуникация с высокими задержками — это буферизация Downlink пакетов на SGW на время, пока устройство находится в режиме энергосбережения и недоступно для коммуникации.

Это, безусловно, требует осознания со стороны разработчиков IoT-продуктов, поскольку общение с устройством получается не в реальном времени и требует определенного подхода к конструированию бизнес логики работы приложений.

Наше изложение материала не претендует на абсолютную полноту, но надеемся обеспечивает достаточное понимание технологии. В заключении скажем: внедрение нового всегда захватывает, а сейчас мы имеем дело со стандартом, до конца не обкатанным даже у мировых «зубров», вроде Vodafone и Telefonica – поэтому это захватывает вдвойне. Будем признательны за обратную связь.

Автор: Эксперт отдела конвергентных решений и мультимедийных сервисов Алексей Лапшин
 aslapsh


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

Перевезти дата-центр за 14 400 секунд

Всем знакома пословица «Один переезд равен двум пожарам». Смысл этой народной мудрости в том, что процесс переезда сопряжен со стрессами, суетой, переживаниями и, конечно, беготней, которые бывают и при пожаре, а подчас и с утратами ценного имущества. К тому же, ...

Дорожная карта математических дисциплин для машинного обучения, часть 1

Вместо предисловия Допустим, сидя вечерком в теплом кресле вам вдруг пришла в голову шальная мысль: «Хм, а почему бы мне вместо случайного подбора гиперпараметров модели не узнать, а почему оно всё работает?»Это скользкий путь — вы думаете, что достаточно пары ...