La última vez hablamos sobre las características del nuevo estándar NB-IoT en términos de la arquitectura de la red de acceso de radio. Hoy discutiremos qué ha cambiado en la red central (Core Network) con NB-IoT. Entonces vamos.
Se han producido cambios significativos en el núcleo de la red. Para empezar, ha aparecido un nuevo elemento, así como una serie de mecanismos definidos por el estándar como "Optimización CIoT EPS" u optimización de la red central para el Internet celular de las cosas.
Como sabe, en las redes móviles hay dos canales principales de comunicación llamados Control Plane (CP) y User Plane (UP). Control Plane está diseñado para el intercambio de mensajes de servicio entre varios elementos de red y sirve para proporcionar dispositivos de movilidad (gestión de movilidad) (UE) y establecer / mantener una sesión de transferencia de datos (gestión de sesión). User Plane es, de hecho, un canal para transmitir tráfico de usuarios. En LTE clásico, la distribución de CP y UP a través de las interfaces es la siguiente:
Los mecanismos de optimización CP y UP para NB-IoT se implementan en los nodos MME, SGW y PGW, que se combinan condicionalmente en un único elemento llamado C-SGN (nodo de puerta de enlace de servicio IoT celular). Además, el estándar supone la aparición de un nuevo elemento de red: SCEF (función de exposición de capacidad de servicio). La interfaz entre el MME y el SCEF se llama T6a y se implementa sobre la base del protocolo DIAMETER. A pesar de que DIAMETER es un protocolo de señalización, en NB-IoT está adaptado para la transferencia de pequeñas cantidades de datos que no son IP.
Basado en el nombre, SCEF es un sitio para exponer capacidades de servicio. En otras palabras, SCEF oculta la complejidad de la red del operador y también elimina la necesidad de identificación y autenticación de dispositivos móviles (UE) de los desarrolladores de aplicaciones, permitiendo que los servidores de aplicaciones (Application Server, en adelante AS) reciban datos y administren dispositivos a través de una sola API.
El identificador del UE no es un número de teléfono (MSISDN) o una dirección IP, como estaba en la red clásica 2G / 3G / LTE, sino la llamada "ID externa", que se define por el estándar en el formato <Local Identifier> @ <Dominio familiar para los desarrolladores de aplicaciones Identificador> ". Este es un gran tema separado, que merece un material separado, por lo tanto, no hablaremos de esto en detalle ahora.
Ahora nos ocuparemos de las innovaciones más significativas. "CIoT EPS Optimization" es una optimización de los mecanismos de transferencia de tráfico y la gestión de las sesiones de suscriptores. Aquí están los principales:
- DoNAS
- Nidd
- Mecanismos de ahorro de energía PSM y eDRX
- Hlcom
DoNAS (datos sobre NAS):Este es un mecanismo diseñado para optimizar la transferencia de pequeñas cantidades de datos.
En LTE clásico, una unidad de abonado, cuando se registra en la red, establece una conexión PDN (en adelante PDN) a través de eNodeB a MME-SGW-PGW. La conexión UE-eNodeB-MME es el llamado "portador de radio de señalización" (SRB). Si es necesario transmitir / recibir datos, el UE establece otra conexión con el eNodoB - "Portador de radio de datos" (DRB), para transmitir el tráfico de usuarios a SGW y luego a PGW (interfaces S1-U y S5, respectivamente). Al final del intercambio y en ausencia de tráfico durante algún tiempo (generalmente 5-20 segundos), estas conexiones se desconectan y el dispositivo pasa al modo de espera o al "Modo inactivo". Si es necesario, el intercambio de una nueva pieza de datos SRB y DRB se reinstalan.
En NB-IoT, el tráfico de usuarios se puede transmitir a través de un canal de señalización (SRB) en mensajes de protocolo NAS (
http://www.3gpp.org/more/96-nas ). Ya no es necesario instalar DRB. Esto reduce significativamente la carga de señal, ahorra recursos de radio de red y, lo más importante, extiende la vida útil de la batería del dispositivo.
En la sección eNodeB - MME, los datos del usuario comienzan a transmitirse a través de la interfaz S1-MME, que no era el caso en la tecnología clásica LTE, y el protocolo NAS se utiliza para esto, en el que aparece el "contenedor de datos del usuario".
Para transferir el "plano de usuario" del MME al SGW, aparece una nueva interfaz S11-U, que está diseñada para transferir pequeños volúmenes de datos de melón de usuario. El protocolo S11-U se basa en GTP-U v1, que se utiliza para transmitir el plano de usuario en otras interfaces de la red de arquitectura 3GPP.
NIDD (entrega de datos no IP):Como parte de una mayor optimización de los mecanismos para transferir pequeñas cantidades de datos, además de los tipos existentes de PDN, como IPv4, IPv6 e IPv4v6, ha aparecido otro tipo: no IP. En este caso, al UE no se le asigna una dirección IP, y los datos se transmiten sin usar el protocolo IP. Hay varias razones para esto:
- Los dispositivos IoT, como los sensores, pueden transmitir cantidades muy pequeñas de datos, 20 bytes o incluso menos. Dado que el tamaño mínimo de un encabezado IP es de 20 bytes, la encapsulación en IP a veces puede ser bastante costosa;
- No es necesario implementar una pila de IP en el chip, lo que lleva a su reducción de costos (pregunta para discusión en los comentarios).
En general, los dispositivos IoT necesitan una dirección IP para transmitir datos a través de Internet. En el concepto de NB-IoT, SCEF actúa como un único punto de conexión para AS, y el intercambio de datos entre dispositivos y servidores de aplicaciones ocurre a través de la API. En ausencia de SCEF, los datos no IP al AS pueden transmitirse a través del túnel punto a punto (PtP) desde PGW y la encapsulación en IP ya se realizará en él.
Todo esto encaja en el paradigma NB-IoT: la máxima simplificación y abaratamiento de los dispositivos.
Mecanismos de ahorro de energía PSM y eDRX:Uno de los beneficios clave de las redes LPWAN es la eficiencia energética. Declara hasta 10 años de duración de la batería en una sola batería. Veamos cómo se alcanzan esos valores.
¿Cuándo consume un dispositivo la menor potencia? Corregir cuando está apagado. Y si es imposible desenergizar completamente el dispositivo, desenergicemos el módulo de radio, mientras no sea necesario. Solo primero debe coordinar esto con la red.
PSM (modo de ahorro de energía):El modo de ahorro de energía PSM permite que el dispositivo apague el módulo de radio durante un tiempo prolongado, mientras permanece registrado en la red, y no reinstale el PDN cada vez que necesite transferir datos.
Para que la red sepa que el dispositivo todavía está disponible, inicia periódicamente el procedimiento de actualización: Actualización del área de seguimiento (TAU). La red establece la frecuencia de este procedimiento utilizando el temporizador T3412, cuyo valor se transmite al dispositivo durante el procedimiento de conexión o el próximo TAU. En el LTE clásico, el valor predeterminado de este temporizador es de 54 minutos y el máximo es de 186 minutos. Sin embargo, para garantizar una alta eficiencia energética, la necesidad de salir al aire cada 186 minutos es un placer demasiado costoso. Para resolver este problema, se desarrolló el mecanismo PSM.
El dispositivo activa el modo PSM al transmitir los valores de dos temporizadores T3324 y T3412-Extendido en los mensajes "Solicitud de adjunto" o "Solicitud de área de seguimiento". El primero determina el tiempo que el dispositivo estará disponible después de cambiar al "Modo inactivo". El segundo es el tiempo después del cual se debe producir el TAU, solo que ahora su valor puede alcanzar 35712000 segundos o 413 días. Dependiendo de la configuración, el MME puede aceptar los valores del temporizador recibidos del dispositivo o cambiarlos enviando nuevos valores en los mensajes “Adjuntar Aceptar” o “Seguimiento del Área de Seguimiento Aceptar”. Ahora el dispositivo no puede encender el módulo de radio durante 413 días y permanecer registrado en la red. ¡Como resultado, obtenemos enormes ahorros en recursos de red y eficiencia energética del dispositivo!
Sin embargo, en este modo, el dispositivo no está disponible solo para las comunicaciones entrantes. Si es necesario, transfiera algo al lado del servidor de aplicaciones, el dispositivo puede salir del PSM en cualquier momento y enviar datos, después de lo cual permanece activo para que el temporizador T3324 reciba mensajes de información del AS (si corresponde).
eDRX (recepción discontinua extendida):eDRX, recepción intermitente avanzada. Para transferir datos a un dispositivo que está en "Modo inactivo", la red realiza un procedimiento de notificación: "Paginación". Al recibir el dispositivo de búsqueda, se inicia el establecimiento de SRB para una mayor comunicación con la red. Pero para no perderse el mensaje de Paginación dirigido a él, el dispositivo debe monitorear constantemente la transmisión de radio, que también consume bastante energía.
eDRX es un modo en el que el dispositivo recibe mensajes de la red no constantemente, sino periódicamente. Durante los procedimientos de conexión o TAU, el dispositivo negocia con la red los intervalos de tiempo durante los cuales "escuchará" el aire. En consecuencia, el procedimiento de paginación se realizará a los mismos intervalos. En el modo eDRX, el dispositivo se divide en ciclos (ciclo eDRX). Al comienzo de cada ciclo se encuentra la llamada "Ventana de tiempo de paginación" (PTW): es el momento en que el dispositivo escucha el canal de radio. Al final de PTW, el dispositivo apaga el módulo de radio hasta el final del ciclo.
HLCOM (comunicación de alta latencia):Si es necesario transferir datos a Uplink, el dispositivo puede salir de cualquiera de estos dos modos de ahorro de energía sin esperar el final del ciclo PSM o eDRX. Pero aquí es posible transferir datos al dispositivo solo cuando está activo.
La funcionalidad o comunicación HLCOM con alta latencia es el almacenamiento en búfer de los paquetes de enlace descendente en SGW mientras el dispositivo está en modo de ahorro de energía y no es accesible para la comunicación. Los paquetes almacenados en el búfer se entregarán tan pronto como el dispositivo salga del PSM haciendo una TAU o transmitiendo tráfico de enlace ascendente, o cuando llegue el PTW.
Esto, por supuesto, requiere conciencia por parte de los desarrolladores de productos IoT, ya que la comunicación con el dispositivo no se obtiene en tiempo real y requiere un cierto enfoque para diseñar la lógica de negocios para las aplicaciones.
En conclusión, digamos: la introducción de lo nuevo siempre es emocionante, y ahora estamos lidiando con un estándar que no ha sido probado completamente ni siquiera por "bisontes" mundiales como Vodafone y Telefónica, por lo tanto, es doblemente emocionante. Nuestra presentación del material no reclama una integridad absoluta, pero esperamos que proporcione una comprensión suficiente de la tecnología. Se agradecería cualquier comentario.
Autor: El experto en soluciones convergentes y servicios multimedia Alexey Lapshin aslapsh