La dernière fois, nous avons parlé des caractéristiques de la nouvelle norme NB-IoT en termes d'architecture du réseau d'accès radio. Aujourd'hui, nous discutons de ce qui a changé dans le réseau principal (Core Network) avec NB-IoT. Alors allons-y.
Des changements importants ont eu lieu au cœur du réseau. Pour commencer, un nouvel élément est apparu, ainsi qu'un certain nombre de mécanismes définis par la norme comme «CIoT EPS Optimization» ou optimisation du réseau central pour l'Internet cellulaire des objets.
Comme vous le savez, dans les réseaux mobiles, il existe deux principaux canaux de communication appelés Control Plane (CP) et User Plane (UP). Le plan de contrôle est conçu pour l'échange de messages de service entre divers éléments du réseau et sert à fournir des dispositifs de mobilité (gestion de la mobilité) (UE) et à établir / maintenir une session de transfert de données (gestion de session). Le plan utilisateur est, en fait, un canal de transmission du trafic utilisateur. Dans le LTE classique, la distribution de CP et UP sur les interfaces est la suivante:
Les mécanismes d'optimisation CP et UP pour NB-IoT sont implémentés sur les nœuds MME, SGW et PGW, qui sont conditionnellement combinés en un seul élément appelé C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node). En outre, la norme suppose l'émergence d'un nouvel élément de réseau - SCEF (Service Capability Exposure Function). L'interface entre le MME et le SCEF est appelée T6a et est implémentée sur la base du protocole DIAMETER. Malgré le fait que DIAMETER est un protocole de signalisation, dans NB-IoT il est adapté pour le transfert de petites quantités de données non IP.
Basé sur le nom, SCEF est un site pour exposer les capacités de service. En d'autres termes, SCEF cache la complexité du réseau de l'opérateur et supprime également le besoin d'identification et d'authentification des appareils mobiles (UE) des développeurs d'applications, permettant aux serveurs d'applications (Application Server, ci-après AS) de recevoir des données et de gérer les appareils via une seule API.
L'identifiant de l'UE n'est pas un numéro de téléphone (MSISDN) ou une adresse IP, comme c'était le cas sur le réseau 2G / 3G / LTE classique, mais le soi-disant «ID externe», qui est défini par la norme au format <Local Identifier> @ <Domaine familier aux développeurs d'applications Identifiant> ". Il s'agit d'un grand sujet distinct, qui mérite des informations distinctes. Par conséquent, nous n'en parlerons pas en détail maintenant.
Nous allons maintenant traiter des innovations les plus importantes. «CIoT EPS Optimization» est une optimisation des mécanismes de transfert de trafic et de gestion des sessions abonnés. En voici les principaux:
- DoNAS
- Nidd
- Mécanismes d'économie d'énergie PSM et eDRX
- Hlcom
DoNAS (données sur NAS):Il s'agit d'un mécanisme conçu pour optimiser le transfert de petites quantités de données.
Dans le LTE classique, une unité d'abonné, lors de son enregistrement dans le réseau, établit une connexion PDN (ci-après PDN) via eNodeB à MME-SGW-PGW. La connexion UE-eNodeB-MME est ce que l'on appelle le «porteur de signalisation radio» (SRB). S'il est nécessaire de transmettre / recevoir des données, l'UE établit une autre connexion avec l'eNodeB - «Data Radio Bearer» (DRB), pour transmettre le trafic utilisateur à SGW et ensuite à PGW (interfaces S1-U et S5, respectivement). À la fin de l'échange et en l'absence de trafic pendant un certain temps (généralement 5 à 20 secondes), ces connexions sont déconnectées et l'appareil passe en mode veille ou «Mode veille». Si nécessaire, l'échange d'une nouvelle donnée SRB et DRB est réinstallé.
Dans NB-IoT, le trafic utilisateur peut être transmis via un canal de signalisation (SRB) dans les messages du protocole NAS (
http://www.3gpp.org/more/96-nas ). L'installation de DRB n'est plus nécessaire. Cela réduit considérablement la charge du signal, économise les ressources radio du réseau et, surtout, prolonge la durée de vie de la batterie de l'appareil.
Dans la section eNodeB - MME, les données utilisateur commencent à être transmises via l'interface S1-MME, ce qui n'était pas le cas dans la technologie LTE classique, et le protocole NAS est utilisé pour cela, dans lequel le «conteneur de données utilisateur» apparaît.
Pour transférer le «plan utilisateur» du MME vers le SGW, une nouvelle interface S11-U apparaît qui est conçue pour transférer de petits volumes de données de melon utilisateur. Le protocole S11-U est basé sur GTP-U v1, qui est utilisé pour transmettre le plan utilisateur sur d'autres interfaces du réseau d'architecture 3GPP.
NIDD (livraison de données non IP):Dans le cadre d'une optimisation plus poussée des mécanismes de transfert de petites quantités de données, en plus des types existants de PDN, tels que IPv4, IPv6 et IPv4v6, un autre type est apparu - non IP. Dans ce cas, l'UE ne se voit pas attribuer d'adresse IP et les données sont transmises sans utiliser le protocole IP. Il y a plusieurs raisons à cela:
- Les appareils IoT, tels que les capteurs, peuvent transmettre de très petites quantités de données, 20 octets ou même moins. Étant donné que la taille minimale d'un en-tête IP est de 20 octets, l'encapsulation dans IP peut parfois être assez coûteuse;
- Il n'est pas nécessaire d'implémenter une pile IP dans la puce, ce qui conduit à leur réduction de coût (question à discuter dans les commentaires).
Dans l'ensemble, les appareils IoT ont besoin d'une adresse IP pour transmettre des données sur Internet. Dans le concept de NB-IoT, SCEF agit comme un point de connexion unique pour AS, et l'échange de données entre les appareils et les serveurs d'applications se fait via l'API. En l'absence de SCEF, les données non IP vers l'AS peuvent être transmises via le tunnel point à point (PtP) à partir de PGW et l'encapsulation en IP sera déjà effectuée sur celui-ci.
Tout cela s'inscrit dans le paradigme NB-IoT - la simplification maximale et la réduction des coûts des appareils.
Mécanismes d'économie d'énergie PSM et eDRX:L'un des principaux avantages des réseaux LPWAN est l'efficacité énergétique. Déclare jusqu'à 10 ans d'autonomie sur une seule batterie. Voyons comment ces valeurs sont atteintes.
Quand un appareil consomme-t-il le moins d'énergie? Corrigez quand il est éteint. Et s'il est impossible de mettre complètement hors tension l'appareil, désactivons le module radio, alors qu'il n'est pas nécessaire. Vous devez d'abord coordonner cela avec le réseau.
PSM (mode d'économie d'énergie):Le mode d'économie d'énergie PSM permet à l'appareil d'éteindre le module radio pendant une longue période, tout en restant enregistré sur le réseau, et de ne pas réinstaller le PDN chaque fois que vous devez transférer des données.
Pour que le réseau sache que le périphérique est toujours disponible, il lance périodiquement la procédure de mise à jour - Tracking Area Update (TAU). La fréquence de cette procédure est définie par le réseau à l'aide du temporisateur T3412, dont la valeur est transmise à l'appareil lors de la procédure d'attachement ou du TAU suivant. Dans le LTE classique, la valeur par défaut de cette minuterie est de 54 minutes et le maximum est de 186 minutes. Cependant, pour assurer une efficacité énergétique élevée, la nécessité de passer à l'antenne toutes les 186 minutes est un plaisir trop cher. Pour résoudre ce problème, le mécanisme PSM a été développé.
L'appareil active le mode PSM en transmettant les valeurs de deux temporisateurs T3324 et T3412-Extended dans les messages «Attach Request» ou «Tracking Area Request». Le premier détermine la durée de disponibilité de l'appareil après le passage en "Mode veille". Le second est le temps après lequel le TAU doit être produit, seulement maintenant sa valeur peut atteindre 35712000 secondes ou 413 jours. En fonction des paramètres, le MME peut accepter les valeurs de minuterie reçues de l'appareil ou les modifier en envoyant de nouvelles valeurs dans les messages «Attach Accept» ou «Tracking Area Update Accept». Maintenant, l'appareil ne peut pas allumer le module radio pendant 413 jours et rester enregistré sur le réseau. En conséquence, nous réalisons d'énormes économies de ressources réseau et d'efficacité énergétique des appareils!
Cependant, dans ce mode, l'appareil n'est pas disponible uniquement pour les communications entrantes. Si nécessaire, transférez quelque chose du côté du serveur d'applications, l'appareil peut quitter le PSM à tout moment et envoyer les données, après quoi il reste actif pour que le temporisateur T3324 reçoive des messages d'information de l'AS (le cas échéant).
eDRX (réception discontinue étendue):eDRX, réception intermittente avancée. Pour transférer des données vers un appareil en "mode veille", le réseau effectue une procédure de notification - "Paging". Dès réception du dispositif de radiomessagerie, l'établissement de SRB est établi pour une communication ultérieure avec le réseau. Mais pour ne pas rater le message Paging qui lui est adressé, l'appareil doit surveiller en permanence la diffusion radio, qui est également très consommatrice d'énergie.
eDRX est un mode dans lequel l'appareil reçoit des messages du réseau non pas constamment, mais périodiquement. Pendant les procédures Attach ou TAU, l'appareil négocie avec le réseau les intervalles de temps pendant lesquels il «écoutera» l'air. En conséquence, la procédure de pagination sera effectuée aux mêmes intervalles. En mode eDRX, l'appareil est divisé en cycles (cycle eDRX). Au début de chaque cycle se trouve la «fenêtre de temps de pagination» (PTW) - c'est le temps pendant lequel l'appareil écoute le canal radio. À la fin du PTW, l'appareil éteint le module radio jusqu'à la fin du cycle.
HLCOM (communication à latence élevée):S'il est nécessaire de transférer des données vers Uplink, l'appareil peut quitter l'un de ces deux modes d'économie d'énergie sans attendre la fin du cycle PSM ou eDRX. Mais ici, il est possible de transférer des données vers l'appareil uniquement lorsqu'il est actif.
La fonctionnalité HLCOM ou la communication avec une latence élevée est la mise en mémoire tampon des paquets de liaison descendante sur SGW lorsque l'appareil est en mode d'économie d'énergie et n'est pas accessible pour la communication. Les paquets en mémoire tampon seront livrés dès que le périphérique quitte le PSM en créant une TAU ou en transmettant le trafic de liaison montante, ou lorsque le PTW arrive.
Cela, bien sûr, nécessite une prise de conscience de la part des développeurs de produits IoT, car la communication avec l'appareil n'est pas obtenue en temps réel et nécessite une certaine approche de la conception de la logique métier pour les applications.
En conclusion, disons: l'introduction du nouveau est toujours excitante, et maintenant nous avons affaire à une norme qui n'a pas été entièrement testée même par les «bisons» du monde comme Vodafone et Telefonica - par conséquent, elle est doublement excitante. Notre présentation du matériel ne prétend pas à l'exhaustivité absolue, mais nous espérons qu'il fournira une compréhension suffisante de la technologie. Des commentaires seraient appréciés.
Auteur: Alexey Lapshin aslapsh, expert en solutions convergentes et services multimédias