Na última vez, falamos sobre os recursos do novo padrão NB-IoT em termos de arquitetura da rede de acesso por rádio. Hoje discutiremos o que mudou na rede principal (Rede Principal) com o NB-IoT. Então vamos lá.
Mudanças significativas ocorreram no núcleo da rede. Para começar, apareceu um novo elemento, bem como vários mecanismos definidos pelo padrão como "Otimização do CIoT EPS" ou otimização da rede principal para a Internet celular das coisas.
Como você sabe, nas redes móveis, existem dois canais de comunicação principais chamados Control Plane (CP) e User Plane (UP). O Control Plane foi projetado para a troca de mensagens de serviço entre vários elementos da rede e serve para fornecer dispositivos de mobilidade (Gerenciamento de mobilidade) (UE) e estabelecer / manter uma sessão de transferência de dados (Gerenciamento de sessão). O User Plane é, de fato, um canal para transmitir tráfego de usuários. No LTE clássico, a distribuição de CP e UP nas interfaces é a seguinte:
Os mecanismos de otimização de CP e UP para NB-IoT são implementados nos nós MME, SGW e PGW, que são combinados condicionalmente em um único elemento chamado C-SGN (Nó de gateway de servidor de IoT celular). Além disso, o padrão pressupõe o surgimento de um novo elemento de rede - SCEF (Service Capability Exposure Function). A interface entre o MME e o SCEF é chamada T6a e é implementada com base no protocolo DIAMETER. Apesar do DIAMETER ser um protocolo de sinalização, o NB-IoT é adaptado para a transferência de pequenas quantidades de dados não IP.
Com base no nome, o SCEF é um site para expor recursos de serviço. Em outras palavras, o SCEF oculta a complexidade da rede da operadora e também elimina a necessidade de identificação e autenticação de dispositivos móveis (UE) dos desenvolvedores de aplicativos, permitindo que os servidores de aplicativos (Application Server, AS a seguir) recebam dados e gerenciem dispositivos por meio de uma única API.
O identificador do UE não é um número de telefone (MSISDN) ou endereço IP, como era na rede 2G / 3G / LTE clássica, mas o chamado "ID externo", definido pelo padrão no formato <Identificador Local> @ <Domínio familiar aos desenvolvedores de aplicativos Identificador> ". Este é um grande tópico separado, que merece material separado; portanto, não falaremos sobre isso em detalhes agora.
Agora vamos lidar com as inovações mais significativas. “CIoT EPS Optimization” é uma otimização de mecanismos de transferência de tráfego e gerenciamento de sessões de assinantes. Aqui estão os principais:
- DoNAS
- Nidd
- Mecanismos de economia de energia PSM e eDRX
- Hlcom
DoNAS (dados sobre NAS):Este é um mecanismo projetado para otimizar a transferência de pequenas quantidades de dados.
No LTE clássico, uma unidade de assinante, ao se registrar na rede, estabelece uma conexão PDN (doravante PDN) via eNodeB para MME-SGW-PGW. A conexão UE-eNodeB-MME é o chamado "Portador de Rádio de Sinalização" (SRB). Se for necessário transmitir / receber dados, o UE estabelece outra conexão com o eNodeB - "Data Radio Bearer" (DRB), para transmitir o tráfego do usuário para a SGW e depois para a PGW (interfaces S1-U e S5, respectivamente). No final da troca e na ausência de tráfego por algum tempo (geralmente de 5 a 20 segundos), essas conexões são desconectadas e o dispositivo entra no modo de espera ou "Modo inativo". Se necessário, a troca de um novo dado SRB e DRB é reinstalada.
No NB-IoT, o tráfego do usuário pode ser transmitido através de um canal de sinalização (SRB) nas mensagens do protocolo NAS (
http://www.3gpp.org/more/96-nas ). A instalação do DRB não é mais necessária. Isso reduz significativamente a carga do sinal, economiza recursos de rádio da rede e, mais importante, aumenta a vida útil da bateria do dispositivo.
Na seção eNodeB - MME, os dados do usuário começam a ser transmitidos pela interface S1-MME, o que não era o caso da tecnologia LTE clássica, e o protocolo NAS é usado para isso, no qual o "contêiner de dados do usuário" aparece.
Para transferir o "User Plane" do MME para o SGW, uma nova interface S11-U é exibida, projetada para transferir pequenos volumes de dados de usuários de melão. O protocolo S11-U é baseado no GTP-U v1, usado para transmitir o User Plane em outras interfaces da rede de arquitetura 3GPP.
NIDD (entrega de dados não IP):Como parte da otimização adicional dos mecanismos de transferência de pequenas quantidades de dados, além dos tipos de PDNs existentes, como IPv4, IPv6 e IPv4v6, outro tipo apareceu - não IP. Neste caso, o UE não recebe um endereço IP e os dados são transmitidos sem o uso do protocolo IP. Existem várias razões para isso:
- Os dispositivos de IoT, como sensores, podem transmitir quantidades muito pequenas de dados, 20 bytes ou até menos. Dado que o tamanho mínimo de um cabeçalho IP é de 20 bytes, o encapsulamento no IP às vezes pode ser bastante caro;
- Não há necessidade de implementar uma pilha IP no chip, o que leva à sua redução de custos (questão para discussão nos comentários).
Em geral, os dispositivos IoT precisam de um endereço IP para transmitir dados pela Internet. No conceito de NB-IoT, o SCEF atua como um único ponto de conexão para o AS, e a troca de dados entre dispositivos e servidores de aplicativos ocorre através da API. Na ausência de dados não IP do SCEF, o AS pode ser transmitido através do túnel ponto a ponto (PtP) do PGW e o encapsulamento no IP já será realizado nele.
Tudo isso se encaixa no paradigma NB-IoT - a máxima simplificação e baixo custo dos dispositivos.
Mecanismos de economia de energia PSM e eDRX:Um dos principais benefícios das redes LPWAN é a eficiência energética. Declara até 10 anos de duração da bateria em uma única bateria. Vamos ver como esses valores são alcançados.
Quando um dispositivo consome menos energia? Corrija quando estiver desligado. E se for impossível desenergizar completamente o dispositivo, desenergize o módulo de rádio, enquanto ele não for necessário. Somente primeiro você precisa coordenar isso com a rede.
PSM (modo de economia de energia):O modo de economia de energia PSM permite que o dispositivo desligue o módulo de rádio por um longo tempo, enquanto permanece registrado na rede, e não reinstale o PDN toda vez que precisar transferir dados.
Para que a rede saiba que o dispositivo ainda está disponível, inicia periodicamente o procedimento de atualização - Atualização da Área de Rastreamento (TAU). A frequência deste procedimento é definida pela rede usando o timer T3412, cujo valor é transmitido ao dispositivo durante o procedimento de conexão ou a próxima TAU. No LTE clássico, o valor padrão desse timer é 54 minutos e o máximo é 186 minutos. No entanto, para garantir alta eficiência energética, a necessidade de ir ao ar a cada 186 minutos é um prazer muito caro. Para resolver esse problema, o mecanismo PSM foi desenvolvido.
O dispositivo ativa o modo PSM transmitindo os valores dos dois temporizadores T3324 e T3412-Extended nas mensagens “Attach Request” ou “Tracking Area Request”. O primeiro determina o tempo que o dispositivo estará disponível após alternar para o "Modo ocioso". O segundo é o tempo após o qual a TAU deve ser produzida, mas agora seu valor pode chegar a 35712000 segundos ou 413 dias. Dependendo das configurações, o MME pode aceitar os valores do timer recebidos do dispositivo ou alterá-los enviando novos valores nas mensagens “Anexar Aceitar” ou “Rastrear Atualização da Área Aceitar”. Agora, o dispositivo pode não ligar o módulo de rádio por 413 dias e permanecer registrado na rede. Como resultado, obtemos enormes economias em recursos de rede e eficiência energética do dispositivo!
No entanto, nesse modo, o dispositivo não está disponível apenas para comunicações recebidas. Se necessário, transfira algo para o lado do servidor de aplicativos, o dispositivo pode sair do PSM a qualquer momento e enviar os dados, após o que permanece ativo para o timer T3324 receber mensagens de informações do AS (se houver).
eDRX (recepção descontínua prolongada):eDRX, recepção intermitente avançada. Para transferir dados para um dispositivo que está no "modo de espera", a rede executa um procedimento de notificação - "Paginação". Após o recebimento do dispositivo de paginação, inicia-se o estabelecimento do SRB para posterior comunicação com a rede. Mas, para não perder a mensagem de Paging endereçada a ele, o dispositivo deve monitorar constantemente a transmissão de rádio, que também consome bastante energia.
O eDRX é um modo no qual o dispositivo recebe mensagens da rede não constantemente, mas periodicamente. Durante os procedimentos de conexão ou TAU, o dispositivo negocia com a rede os intervalos de tempo durante os quais “escuta” o ar. Por conseguinte, o procedimento de paginação será realizado nos mesmos intervalos. No modo eDRX, o dispositivo é dividido em ciclos (ciclo eDRX). No início de cada ciclo está a chamada "Janela de tempo de paginação" (PTW) - este é o tempo que o dispositivo escuta o canal de rádio. No final do PTW, o dispositivo desliga o módulo de rádio até o final do ciclo.
HLCOM (comunicação de alta latência):Se for necessário transferir dados para o Uplink, o dispositivo poderá sair de qualquer um desses dois modos de economia de energia sem aguardar o final do ciclo PSM ou eDRX. Mas aqui é possível transferir dados para o dispositivo apenas quando estiver ativo.
A funcionalidade HLCOM ou comunicação com alta latência é o buffer dos pacotes de Downlink no SGW enquanto o dispositivo está no modo de economia de energia e não está acessível para comunicação. Pacotes em buffer serão entregues assim que o dispositivo sair do PSM, criando um TAU ou transmitindo tráfego de uplink ou quando o PTW chegar.
Obviamente, isso requer conscientização por parte dos desenvolvedores de produtos de IoT, pois a comunicação com o dispositivo não é obtida em tempo real e requer uma certa abordagem para projetar a lógica de negócios para aplicativos.
Concluindo, digamos: a introdução do novo é sempre empolgante, e agora estamos lidando com um padrão que ainda não foi totalmente testado pelos “bisões” mundiais como Vodafone e Telefonica - portanto, é duplamente empolgante. Nossa apresentação do material não reivindica integridade absoluta, mas esperamos que ele forneça um entendimento suficiente da tecnologia. O feedback seria apreciado.
Autor: Alexey Lapshin, especialista em soluções convergentes e serviços de multimídia