تحدثنا آخر مرة عن ميزات NB-IoT القياسية الجديدة من حيث بنية شبكة الوصول اللاسلكي. اليوم سنناقش ما الذي تغير في الشبكة الأساسية (الشبكة الأساسية) مع NB-IoT. لذلك دعونا نذهب.
حدثت تغييرات كبيرة في قلب الشبكة. بادئ ذي بدء ، ظهر عنصر جديد ، بالإضافة إلى عدد من الآليات التي تم تعريفها بواسطة المعيار باسم "CIoT EPS Optimization" أو تحسين الشبكة الأساسية للإنترنت الخلوي للأشياء.
كما تعلمون ، يوجد في شبكات الهاتف المحمول قناتان اتصالات رئيسيتان تدعوان إلى طائرة التحكم (CP) وطائرة المستخدم (UP). تم تصميم Control Plane لتبادل رسائل الخدمة بين عناصر الشبكة المختلفة ويعمل على توفير أجهزة التنقل (إدارة التنقل) (UE) وإنشاء / الحفاظ على جلسة نقل البيانات (إدارة الجلسة). User Plane هي ، في الواقع ، قناة لنقل حركة مرور المستخدم. في LTE الكلاسيكية ، يكون توزيع CP و UP عبر الواجهات كما يلي:
يتم تطبيق آليات تحسين CP و UP لـ NB-IoT على عقد MME و SGW و PGW ، والتي يتم دمجها بشكل مشروط في عنصر واحد يسمى C-SGN (عقدة بوابة خدمة IoT الخلوية). أيضًا ، يفترض المعيار ظهور عنصر شبكة جديد - SCEF (وظيفة تعرض قدرة الخدمة). تسمى الواجهة بين MME و SCEF T6a ويتم تنفيذها على أساس بروتوكول DIAMETER. على الرغم من أن DIAMETER هو بروتوكول تشوير ، إلا أنه في NB-IoT يتم تكييفه لنقل كميات صغيرة من البيانات التي لا تتعلق ببروتوكول الإنترنت.
بناءً على الاسم ، يعد SCEF موقعًا لكشف إمكانيات الخدمة. بمعنى آخر ، يخفي SCEF تعقيد شبكة المشغل ، ويزيل أيضًا الحاجة إلى تحديد هوية الأجهزة المحمولة والمصادقة عليها (UE) من مطوري التطبيقات ، مما يتيح لخوادم التطبيقات (Application Server ، المشار إليها فيما يلي باسم AS) استقبال البيانات وإدارة الأجهزة من خلال واجهة برمجة تطبيقات واحدة.
معرف UE ليس رقم هاتف (MSISDN) أو عنوان IP ، كما كان على شبكة 2G / 3G / LTE الكلاسيكية ، ولكن ما يسمى "المعرف الخارجي" ، والذي يتم تعريفه بواسطة المعيار بالتنسيق <معرف محلي> @ <المجال مألوف لمطوري التطبيقات المعرف> ". هذا موضوع كبير منفصل ، يستحق مادة منفصلة ، لذلك ، لن نتحدث عن هذا بالتفصيل الآن.
الآن سنتعامل مع أهم الابتكارات. "CIoT EPS Optimization" هو تحسين لآليات نقل الحركة وإدارة جلسات المشتركين. فيما يلي أهمها:
- DoNAS
- الدوي
- آليات توفير الطاقة PSM و eDRX
- Hlcom
DoNAS (بيانات عبر NAS):هذه آلية مصممة لتحسين نقل كميات صغيرة من البيانات.
في LTE الكلاسيكية ، تقوم وحدة المشتركين ، عند التسجيل في الشبكة ، بإنشاء اتصال PDN (يشار إليه فيما يلي PDN) عبر eNodeB إلى MME-SGW-PGW. اتصال UE-eNodeB-MME هو ما يسمى بـ "حامل إشارة التشوير" (SRB). إذا كان من الضروري إرسال / استقبال البيانات ، فإن UE تنشئ اتصالاً آخر بـ eNodeB - "حامل راديو البيانات" (DRB) ، لنقل حركة المستخدم إلى SGW وكذلك إلى PGW (السطوح البينية S1-U و S5 ، على التوالي). في نهاية التبادل وفي غياب حركة المرور لبعض الوقت (عادة من 5 إلى 20 ثانية) ، يتم قطع اتصال هذه الاتصالات ويذهب الجهاز إلى وضع الاستعداد أو "وضع الخمول". إذا لزم الأمر ، يتم إعادة تثبيت تبادل قطعة جديدة من البيانات SRB و DRB.
في NB-IoT ، يمكن نقل حركة المستخدم من خلال قناة التشوير (SRB) في رسائل بروتوكول NAS (
http://www.3gpp.org/more/96-nas ). لم يعد تثبيت DRB مطلوبًا. هذا يقلل بشكل كبير من تحميل إشارة ، ويحفظ موارد راديو الشبكة ، والأهم من ذلك ، يطيل عمر بطارية الجهاز.
في قسم eNodeB - MME ، تبدأ بيانات المستخدم في الإرسال عبر واجهة S1-MME ، وهو ما لم يكن كذلك في تقنية LTE الكلاسيكية ، ويتم استخدام بروتوكول NAS لذلك ، حيث تظهر "حاوية بيانات المستخدم".
لنقل "طائرة المستخدم" من MME إلى SGW ، تظهر واجهة S11-U جديدة ، وهي مصممة لنقل كميات صغيرة من بيانات المستخدم البطيخ. يعتمد بروتوكول S11-U على GTP-U v1 ، والذي يستخدم لنقل طائرة المستخدم على واجهات أخرى من شبكة هندسة 3GPP.
NIDD (تسليم بيانات غير IP):كجزء من التحسين الأمثل لآليات نقل كميات صغيرة من البيانات ، بالإضافة إلى الأنواع الحالية من PDNs ، مثل IPv4 و IPv6 و IPv4v6 ، ظهر نوع آخر - غير IP. في هذه الحالة ، لم يتم تعيين عنوان IP الخاص بـ UE ، ويتم إرسال البيانات دون استخدام بروتوكول IP. هناك عدة أسباب لهذا:
- يمكن لأجهزة إنترنت الأشياء ، مثل أجهزة الاستشعار ، نقل كميات صغيرة جدًا من البيانات ، 20 بايت أو حتى أقل. بالنظر إلى أن الحد الأدنى لحجم رأس IP هو 20 بايت ، قد يكون التغليف في IP باهظ الثمن في بعض الأحيان ؛
- ليست هناك حاجة لتطبيق حزمة IP في الشريحة ، مما يؤدي إلى خفض التكلفة (سؤال للمناقشة في التعليقات).
بشكل عام ، تحتاج أجهزة إنترنت الأشياء إلى عنوان IP لنقل البيانات عبر الإنترنت. في مفهوم NB-IoT ، يعمل SCEF كنقطة اتصال واحدة لـ AS ، ويحدث تبادل البيانات بين الأجهزة وخوادم التطبيقات من خلال API. في حالة عدم وجود بيانات SCEF غير IP إلى AS يمكن إرسالها عبر نفق من نقطة إلى نقطة (PtP) من PGW وسيتم إجراء التغليف في IP بالفعل عليه.
كل هذا يناسب نموذج NB-IoT - الحد الأقصى لتبسيط الأجهزة ورخصها.
آليات توفير الطاقة PSM و eDRX:واحدة من الفوائد الرئيسية لشبكات LPWAN هي كفاءة الطاقة. تعلن عن عمر بطارية يصل إلى 10 سنوات على بطارية واحدة. دعونا نرى كيف يتم تحقيق هذه القيم.
متى يستهلك الجهاز أقل طاقة؟ صحيح عندما يكون خارج. وإذا كان من المستحيل إلغاء تنشيط الجهاز بالكامل ، فلنقل تنشيط وحدة الراديو ، بينما لا تكون هناك حاجة إليه. تحتاج فقط أولاً إلى تنسيق هذا مع الشبكة.
PSM (وضع توفير الطاقة):يسمح وضع توفير الطاقة PSM للجهاز بإيقاف تشغيل وحدة الراديو لفترة طويلة ، بينما تظل مسجلة على الشبكة ، وليس لإعادة تثبيت PDN في كل مرة تحتاج فيها إلى نقل البيانات.
لكي تعرف الشبكة أن الجهاز ما زال متاحًا ، يبدأ بشكل دوري إجراء التحديث - تحديث منطقة التتبع (TAU). يتم ضبط تردد هذا الإجراء من قبل الشبكة باستخدام جهاز ضبط الوقت T3412 ، حيث يتم إرسال قيمته إلى الجهاز أثناء إجراء إرفاق أو وحدة TAU التالية. في LTE الكلاسيكية ، القيمة الافتراضية لهذا المؤقت هي 54 دقيقة ، والحد الأقصى هو 186 دقيقة. ومع ذلك ، لضمان كفاءة الطاقة العالية ، فإن الحاجة إلى البث في الهواء كل 186 دقيقة أمر مكلف للغاية. لحل هذه المشكلة ، تم تطوير آلية PSM.
يقوم الجهاز بتنشيط وضع PSM عن طريق إرسال قيم الموقتين T3324 و T3412-Extended في الرسائل "Attach Request" أو "Request Area Tracking". يحدد الأول وقت توفر الجهاز بعد التبديل إلى "وضع الخمول". والثاني هو الوقت الذي يجب بعده إنتاج TAU ، فقط الآن يمكن أن تصل قيمتها إلى 35712000 ثانية أو 413 يومًا. وفقًا للإعدادات ، قد تقبل MME قيم المؤقت التي تم استلامها من الجهاز أو تغييرها عن طريق إرسال قيم جديدة في رسائل "إرفاق قبول" أو "قبول تحديث منطقة التتبع". الآن قد لا يعمل الجهاز على تشغيل وحدة الراديو لمدة 413 يومًا ويظل مسجلًا على الشبكة. نتيجة لذلك ، نحقق وفورات هائلة في موارد الشبكة وكفاءة استخدام الطاقة للأجهزة!
ومع ذلك ، في هذا الوضع ، لا يتوفر الجهاز فقط للاتصالات الواردة. إذا لزم الأمر ، قم بنقل شيء ما إلى جانب خادم التطبيق ، يمكن للجهاز الخروج من PSM في أي وقت وإرسال البيانات ، وبعد ذلك يبقى نشطًا بالنسبة لجهاز ضبط الوقت T3324 لتلقي رسائل المعلومات من AS (إن وجد).
eDRX (استقبال متواصل ممتد):eDRX ، استقبال متقطع متقدم. لنقل البيانات إلى جهاز في "وضع الخمول" ، تنفذ الشبكة إجراء إعلام - "ترحيل الصفحات". عند استلام جهاز الترحيل ، يبدأ إنشاء SRB لمزيد من الاتصال بالشبكة. ولكن حتى لا تفوت رسالة Paging الموجهة إليه ، يجب أن يراقب الجهاز بث البث الإذاعي ، والذي يستهلك الكثير من الطاقة أيضًا.
eDRX هو وضع يستقبل فيه الجهاز الرسائل من الشبكة بشكل مستمر ، ولكن بشكل دوري. أثناء إجراءات Attach أو TAU ، يتفاوض الجهاز مع الشبكة على الفواصل الزمنية التي سوف "يستمع" خلالها إلى الهواء. وفقًا لذلك ، سيتم تنفيذ إجراء الترحيل في الفواصل الزمنية نفسها. في وضع eDRX ، ينقسم الجهاز إلى دورات (دورة eDRX). في بداية كل دورة ما يسمى "نافذة وقت الترحيل" (PTW) - هذا هو الوقت الذي يستمع فيه الجهاز إلى قناة الراديو. في نهاية PTW ، يقوم الجهاز بإيقاف تشغيل وحدة الراديو حتى نهاية الدورة.
HLCOM (الاتصالات عالية الكمون):إذا كان من الضروري نقل البيانات إلى Uplink ، يمكن للجهاز الخروج من أي من هذين الوضعين الموفرين للطاقة دون انتظار نهاية دورة PSM أو eDRX. ولكن هنا لا يمكن نقل البيانات إلى الجهاز إلا عندما يكون نشطًا.
وظيفة HLCOM أو الاتصال مع زمن انتقال عالٍ هو التخزين المؤقت لحزم Downlink على SGW أثناء وجود الجهاز في وضع توفير الطاقة ولا يمكن الوصول إليه من أجل الاتصال. سيتم تسليم الحزم المخزنة مؤقتًا بمجرد خروج الجهاز من PSM عن طريق إجراء TAU أو إرسال حركة مرور Uplink ، أو عند وصول PTW.
يتطلب هذا بالطبع الوعي من جانب مطوري منتجات IoT ، نظرًا لأن التواصل مع الجهاز لا يتم الحصول عليه في الوقت الفعلي ويتطلب نهجًا معينًا لتصميم منطق العمل للتطبيقات.
في الختام ، دعنا نقول: إن إدخال الجديد مثير دائمًا ، والآن نتعامل مع معيار لم يتم اختباره بشكل كامل حتى من قبل "البيسون" العالمي مثل Vodafone و Telefonica - لذلك فهو مثير بشكل مضاعف. لا يدعي عرضنا للمواد اكتمالها المطلق ، لكننا نأمل أن توفر فهماً كافياً للتكنولوجيا. سيكون موضع تقدير ردود الفعل.
المؤلف: الحلول المتقاربة وخبير خدمات الوسائط المتعددة Alexey Lapshin aslapsh