NB-IoT：どのように機能しますか？ パート2

前回は、無線アクセスネットワークのアーキテクチャに関して、新しいNB-IoT標準の機能について説明しました。 今日は、NB-IoTを使用したコアネットワーク（コアネットワーク）の変更点について説明します。 行きましょう。









ネットワークのコアで重要な変更が発生しました。 そもそも、新しい要素と、「CIoT EPS最適化」またはセルラーモノのインターネットのためのコアネットワーク最適化として標準で定義されている多くのメカニズムが登場しました。



ご存知のように、モバイルネットワークには、コントロールプレーン（CP）とユーザープレーン（UP）と呼ばれる2つの主要な通信チャネルがあります。 コントロールプレーンは、さまざまなネットワーク要素間でサービスメッセージを交換するために設計されており、モビリティ（モビリティ管理）デバイス（UE）の提供とデータ転送セッションの確立/維持（セッション管理）に使用されます。 実際、ユーザープレーンは、ユーザートラフィックを送信するためのチャネルです。 従来のLTEでは、インターフェイスを介したCPおよびUPの配布は次のとおりです。







NB-IoTのCPおよびUP最適化メカニズムは、MME、SGW、およびPGWノードに実装され、C-SGN（セルラーIoTサービングゲートウェイノード）と呼ばれる単一の要素に条件付きで結合されます。 また、この標準では、SCEF（Service Capability Exposure Function）という新しいネットワーク要素の出現を想定しています。 MMEとSCEF間のインターフェイスはT6aと呼ばれ、DIAMETERプロトコルに基づいています。 DIAMETERはシグナリングプロトコルであるという事実にもかかわらず、NB-IoTでは少量の非IPデータの転送に適合しています。







SCEFは、その名前に基づいて、サービス機能を公開するサイトです。 つまり、SCEFはオペレーターのネットワークの複雑さを隠し、アプリケーション開発者からモバイルデバイスの識別と認証（UE）の必要性をなくし、アプリケーションサーバー（アプリケーションサーバー、以下AS）が単一のAPIを通じてデータを受信して​​デバイスを管理できるようにします。



UE識別子は、従来の2G / 3G / LTEネットワークのように電話番号（MSISDN）またはIPアドレスではなく、<ローカル識別子> @ <アプリケーション開発者に馴染みのある形式で規格によって定義されているいわゆる「外部ID」です。識別子> "。 これは別の大きなトピックであり、別の資料に値するため、ここでは詳細に説明しません。



次に、最も重要な技術革新に取り組みます。 「CIoT EPS最適化」は、トラフィック転送メカニズムの最適化と加入者セッションの管理です。 主なものは次のとおりです。

• DoNAS
• ニッド
• PSMおよびeDRXの省電力メカニズム
• Hlcom

DoNAS（NAS上のデータ）：



これは、少量のデータの転送を最適化するために設計されたメカニズムです。



従来のLTEでは、加入者デバイスは、ネットワークに登録するときに、eNodeBを介してMME-SGW-PGWへのPDN接続（以降PDN）を確立します。 UE-eNodeB-MME接続は、いわゆる「Signaling Radio Bearer」（SRB）です。 データの送信/受信が必要な場合、UEはユーザートラフィックをSGWに、さらにPGWに送信するために、eNodeBへの別の接続-「データ無線ベアラー」（DRB）を確立します（それぞれインターフェイスS1-UおよびS5）。 交換の終了時およびトラフィックがしばらく（通常5〜20秒）存在しない場合、これらの接続は切断され、デバイスはスタンバイモードまたは「アイドルモード」になります。 必要に応じて、新しいデータを交換し、SRBとDRBを再インストールします。



NB-IoTでは、ユーザートラフィックはNASプロトコルメッセージ（ http://www.3gpp.org/more/96-nas ）のシグナリングチャネル（SRB）を介して送信できます。 DRBをインストールする必要はなくなりました。 これにより、信号負荷が大幅に削減され、ネットワーク無線リソースが節約され、最も重要なことには、デバイスのバッテリー寿命が延びます。



eNodeB-MMEセクションでは、ユーザーデータはS1-MMEインターフェイスを介して送信され始めますが、これは従来のLTEテクノロジーの場合ではなく、NASプロトコルが使用され、「ユーザーデータコンテナー」が表示されます。







「ユーザープレーン」をMMEからSGWに転送するために、新しいS11-Uインターフェイスが表示されます。これは、少量のユーザーメロンデータを転送するように設計されています。 S11-UプロトコルはGTP-U v1に基づいており、3GPPネットワークアーキテクチャの他のインターフェイスでユーザープレーンを送信するために使用されます。



NIDD（非IPデータ配信）：



少量のデータを転送するメカニズムのさらなる最適化の一環として、IPv4、IPv6、IPv4v6などの既存のタイプのPDNに加えて、別のタイプ-非IPが登場しました。 この場合、UEにはIPアドレスが割り当てられず、IPプロトコルを使用せずにデータが送信されます。 これにはいくつかの理由があります。

1. センサーなどのIoTデバイスは、20バイト以下の非常に少量のデータを送信できます。 IPヘッダーの最小サイズが20バイトであることを考えると、IPでのカプセル化は非常に高価になることがあります。
2. チップにIPスタックを実装する必要がないため、コストを削減できます（コメントでの議論の質問）。

概して、IoTデバイスには、インターネット経由でデータを送信するためのIPアドレスが必要です。 NB-IoTの概念では、SCEFはASの単一の接続ポイントとして機能し、デバイスとアプリケーションサーバー間のデータ交換はAPIを介して行われます。 SCEFがない場合、ASへの非IPデータは、PGWからポイントツーポイント（PtP）トンネルを介して送信でき、IPでのカプセル化はすでにその上で行われます。



これらはすべてNB-IoTパラダイムに適合し、最大限の簡素化と安価なデバイスです。



PSMおよびeDRXの省電力メカニズム：



LPWANネットワークの主な利点の1つは、エネルギー効率です。 単一のバッテリーで最大10年間のバッテリー寿命を宣言します。 そのような価値がどのように達成されるかを見てみましょう。



デバイスの消費電力が最小になるのはいつですか？ オフのときに修正します。 また、デバイスの電源を完全に切ることができない場合は、無線モジュールの電源を切りましょう。 最初にこれをネットワークと調整する必要があります。



PSM（省電力モード）：



PSM省電力モードを使用すると、デバイスはネットワークに登録されたままで無線モジュールを長時間オフにし、データを転送する必要があるたびにPDNを再インストールする必要がなくなります。



ネットワークがデバイスがまだ利用可能であることを知るために、定期的にアップデート手順-Tracking Area Update（TAU）を開始します。 この手順の頻度は、T3412タイマーを使用してネットワークによって設定されます。タイマーの値は、接続手順または次のTAUの間にデバイスに送信されます。 従来のLTEでは、このタイマーのデフォルト値は54分で、最大値は186分です。 ただし、高いエネルギー効率を確保するために、186分ごとに空中に出かける必要はあまりにも高価です。 この問題を解決するために、PSMメカニズムが開発されました。



デバイスは、メッセージ「Attach Request」または「Tracking Area Request」で2つのタイマーT3324およびT3412-Extendedの値を送信することにより、PSMモードをアクティブにします。 最初は、「アイドルモード」に切り替えた後にデバイスが使用可能になる時間を決定します。 2番目は、TAUを作成する必要がある時間であり、その値のみが35712000秒または413日に達することができます。 設定に応じて、MMEはデバイスから受信したタイマー値を受け入れるか、「Attach Accept」または「Tracking Area Update Accept」メッセージで新しい値を送信して変更します。 これで、デバイスは413日間無線モジュールをオンにせず、ネットワークに登録されたままになる場合があります。 その結果、ネットワークリソースとデバイスのエネルギー効率が大幅に節約されます。







ただし、このモードでは、デバイスは着信通信のみに使用できません。 必要に応じて、アプリケーションサーバー側に何かを転送すると、デバイスはいつでもPSMを終了してデータを送信できます。その後、T3324タイマーがAS（存在する場合）から情報メッセージを受信するためにアクティブのままになります。



eDRX（拡張不連続受信）：



eDRX、高度な間欠受信。 「アイドルモード」にあるデバイスにデータを転送するために、ネットワークは通知手順「ページング」を実行します。 ページングデバイスを受信すると、ネットワークとのさらなる通信のためにSRBの確立を開始します。 しかし、彼に宛てられたページングメッセージを見逃さないために、デバイスはラジオ放送を絶えず監視する必要があり、これも非常にエネルギーを消費します。



eDRXは、デバイスがネットワークからメッセージを常時ではなく定期的に受信するモードです。 AttachまたはTAUの手順中に、デバイスは、空中に「リッスン」する時間間隔をネットワークとネゴシエートします。 したがって、ページング手順は同じ間隔で実行されます。 eDRXモードでは、デバイスはサイクル（eDRXサイクル）に分割されます。 各サイクルの開始点は、いわゆる「ページング時間ウィンドウ」（PTW）です。これは、デバイスが無線チャネルをリッスンする時間です。 PTWの終了時に、デバイスはサイクルの終了まで無線モジュールをオフにします。



HLCOM（高遅延通信）：



アップリンクにデータを転送する必要がある場合、デバイスはPSMまたはeDRXサイクルの終了を待たずに、これら2つの省エネモードのいずれかを終了できます。 ただし、ここでは、デバイスがアクティブな場合にのみデバイスにデータを転送できます。



HLCOM機能または高遅延の通信は、デバイスが省電力モードにあり、通信のためにアクセスできないときに、SGWでダウンリンクパケットをバッファリングすることです。 バッファリングされたパケットは、デバイスがTAUを作成するか、アップリンクトラフィックを送信することによってPSMを終了するか、PTWが到着するとすぐに配信されます。



デバイスとの通信がリアルタイムで取得されず、アプリケーションのビジネスロジックを設計するための特定のアプローチが必要なため、これにはもちろん、IoT製品の開発者側の認識が必要です。



結論として、新しいものの導入は常に刺激的であり、現在、ボーダフォンやテレフォニカのような世界の「バイソン」でも完全にテストされていない標準を扱っています。したがって、それは二重に刺激的です。 この資料の提示は完全な完全性を主張するものではありませんが、技術の十分な理解を提供することを願っています。 フィードバックは大歓迎です。



作成者：Converged Solutions and Multimedia Services Expert Expert Alexei Lapshin aslapsh