Передача данных

3GPP определяет две основные оптимизации передачи данных для технологии NB-IoT:

  • оптимизация на уровне управления – Control Plane CIoT EPS optimization,
  • оптимизация на уровне пользовательского трафика – User Plane CIoT EPS optimization.

Данные оптимизации включают ряд механизмов, направленных на улучшение характеристик передачи малого объема IP и non-IP трафика.

В рамках MME регистрации (attach procedure) MME индицирует M2M-терминалу (M2M-UE) какие виды оптимизации поддерживаются, а также получает информацию о поддержке видов оптимизации (и, опционально, - их приоритете) со стороны M2M-UE. В дальнейшем, при передаче исходящих данных (mobile originated data) M2M-UE выбирает какая из поддерживаемых опций (если поддерживаются обе) будет использована. При передаче входящих данных (mobile terminated data) используемую опцию выбирает MME (принимая во внимание предпочтения M2M-UE, полученные на этапе регистрации в сети).

Control Plane CIoT EPS optimization


При передаче данных с оптимизацией на уровне управления обмен информационными пакетами между M2M-терминалом и сетью осуществляется на RRC уровне через виртуальный сигнальный канал (SRB); трафиковый канал DRB не поднимается. В нисходящем (DL) канале информационные пакеты могут упаковываться в сообщения RRCConnectionSetup, в восходящем (UL) - в сообщения RRCConnectionSetupComplete (см. Рис. 40). После установления RRC соединения передача информационных пакетов продолжается с использованием сообщений DLInformationTransfer и ULInformationTransfer соответственно. Указанные информационные пакеты, представляющие собой NAS сообщения, прозрачно передаются базовой станцией на MME через интерфейс S1-MME, после чего возможны две схемы:

  • СХЕМА-1: блок данных через интерфейс S11 поступает в S-GW и далее - через P-GW и сеть передачи данных - на IoT платформу сервис-провайдера.
  • СХЕМА-2: блок данных через интерфейс T6a поступает в SCEF, где к этому блоку получает доступ IoT платформа сервис-провайдера через API.

Использование той или иной схемы определяется оператором-связи. При этом схема-2 (с использованием SCEF) допускается только для non-IP блоков данных.

Кроме передачи данных от IoT / к IoT устройствам SCEF может использоваться для уведомления IoT платформы о тех или иных событиях, касающихся устройств (например, о потере или восстановлении связанности), а также для аутентификации и авторизации устройств на платформе.

Рис. 40:

Данный метод передачи не предполагает использование механизмов безопасности на AS уровне. Соответственно, передача может происходить сразу после установления, либо возобновлении RRC соединения. Из стека протоколов исключается уровень PDCP. Часть RRC процедур не используются, включая процедуры приостановления (suspend) и продолжения (resume) соединения.

User Plane CIoT EPS optimization


При передаче данных с оптимизацией на уровне пользовательского трафика информационные пакеты в нисходящем (DL) канале передаются по стандартному для сетей LTE пути (через виртуальный трафиковый канал - DRB): M2M-терминал (M2M-UE) – базовая станция (eNodeB) – S/P-GW, в восходящем (UL) канале: S/P-GW – eNodeB – M2M-UE. Для уменьшения сложности M2M-терминала допускается использование не более двух виртуальных соединений (DBR) одновременно.

В классической сети LTE в случае истечения таймера неактивности (при отстуствии трафика в течение 10-20 секунд) выполняется процедура разъединения RRC соединения между M2M-UE и сетью (RRC Release). В дальнейшем, при появлении данных для передачи (или приема) выполняется процедура переустановления соединения. User Plane CIoT EPS optimization в этом случае предполагает использования процедур приостановления (suspend) и продолжения (resume) соединения - см. Рис. 41, 42.

На AS используются механизмы безопасности. При этом до момента активации механизмов безопасности уровень PDCP исключается из стека протоколов.

Рис. 41:

Рис. 42:

Конфигурация с несколькими несущими (multi carrier)


Технология NB-IoT допускает использование дополнительных (non-anchor) несущих шириной 180кГц каждая, для нисходящего (DL) или восходящего (UL) каналов.
Дополнительная несущая может выделяться M2M-терминалу только в состоянии соединения с сетью (RRC_CONNECTED) в рамках процедуры RRCConnectionReconfiguration, и используется для передачи индивидуальных логических каналов (DTCH, DCCH) и референсных сигналов (NRS, DMRS). Сигналы синхронизации (NPSS, NSSS), широковещательная информация (MIB, SIB), пейджиноговый канал и канал случайного доступа передаются только на основной (anchor) несущей. Одному M2M-терминалу (M2M-UE) может быть выделен ресурс либо на основной несущей, либо на дополнительной (отдельно, в каждом направлении – линии "вверх" и линии "вверх"), но не на двух и более несущих одновременно.

При работе в полосе сети LTE (in-band operation) для дополнительной несущей не накладываются ограничения на номера ресурсных блоков, которые могут быть выделены для NB-IoT (Табл. 3), поскольку данное ограничение обусловлено выделением ресурсов для передачи NPSS, NSSS сигналов и NPBCH канала. Таким образом, дополнительная несущая имеет больший ресурс для передачи полезного трафика по сравнению с основной. А использование нескольких несущих (multi carrier) в целом существенно увеличивает емкость сети по сравнению с одночастотной конфигурацией.

Передача данных в восходящем канале (UL)


Передача данных в восходящем канале осуществляется транспортными блоками. Для повышения помехоустойчивости системы передача транспортных блоков повторяется M2M-терминалом несколько раз. Выделение ресурсов для восходящего канала, включая идентификаторы выделенных ресурсов, кол-во повторов, схему модуляции и кодирования (MCS), обеспечивается посредством DCI format 0.

Рассмотрим пример:
- разнос поднесущих 15кГц;
- ресурсная единица (RU) имеет 3 поднесущих и 8 слотов;
- один транспортный блок передается в двух RU;
- число повторов - 8.

Структура транспортного блока показана на Рис. 43 (здесь Tn – n-ый слот первой RU, Wm – m-ый слот второй RU).
На первом шаге сначала передаются два слота T1, T2. Их передача повторяется 4 раза. Далее аналогичным образом передаются следующие два слота T3, T4 и так вплоть до W7, W8. Таким образом, передача транспортного блока повторяется 4 раза.

На втором шаге ранее описанный алгоритм повторяется, доводя тем самым общее кол-во повторов до 8-ми.

Рис. 43:

В общем случае, при разносе поднесущих 15кГц всегда выполняется попарная передача слотов с требуемым числом повторений (по аналогии с ранее приведенным примером). При разносе 3,75кГц осуществляется передача каждого слота отдельно. На первом шаге выполняется 50% повторений, но не более 1-го если ресурсная единица (RU) содержит одну поднесущую и не более 4-х в противном случае. Таким образом, если в приведенном выше примере увеличить число повторов до 32-х, это приведет к увеличению кол-ва шагов до 8-ми.

Как правило транспортный блок передается в непрерывной последовательности слотов. Однако, после передачи данных в течение 256мс вставляется защитный интервал, длительностью 40мс, что позволяет M2M-терминалу переключиться из режима передачи в режим приема и осуществить подстройку частоты внутреннего генератора от сигналов синхронизации, вещаемых сетью.

Передача данных в нисходящем канале (DL)


Принципы передачи данных в нисходящем канале схожи с описанной ранее передачей в восходящем канале. Основное отличие заключается в том, что передаваемые данные предварительно не группируются в ресурсные единицы (RU) и при отсутствии повторений последовательно маппируются в слоты и передаются в NPDSCH субфреймы (SF). В случае передачи с заданным кол-вом повторений данные двух слотов маппируются в один субфрейм, который повторяется требуемое число раз, но не более 4-х. Далее процедура повторяется для следующих двух слотов и так до завершения передачи. На следующем шаге вся структура передается повторно и так – до достижения заданного кол-ва повторений.

Вещание SIB-NB осуществляется по другому алгоритму – сначала последовательно передаются все слоты и только затем выполняется повторение всего блока данных требуемое кол-во раз.

При использовании большого кол-ва повторений сеть, посредством RRC команды RRCConnectionReconfiguration, может устанавливать защитный интервал, прерывающий передачу данных на предустановленный интервал времени, по истечении которого передача возобновляется в ближайшем доступном SF. Защитные интервалы не применимы к каналам NPDSCH, переносящим данные MIB-NB и SIB-NB.

Оценка пропускной способности сети

Учитывая, что сети NB-IoT предназначены в первую очередь для передачи пакетов данных от M2M-терминалов (M2M-UE) на сервер приложений рассчитаем пропускную способность линии "вверх" (UL).

Ресурс линии "вверх" распределяется между физическим каналом случайного доступа (NPRACH) и физическим каналом с разделением пользователей (NPUSCH "format 1"). Для простоты рассматриваем, что управляющая информации по линии "вверх" (UCI) не передается и соответственно NPUSCH "format 2" не используется (напомню, что Release 13 в качестве управляющей информации предусмотрена передача только "этикеток" подтверждения получения M2M-терминалом пакетов линии "вниз" – DL transmission acknowledgement).

Таблица ниже описывает параметры канала случайного доступа (NPRACH), условно взятые для расчета:

Табл. 11:

Параметр Описание Уровень качества
радиопокрытия
Значение
периодичность ресурса во временной области, выделенного для передачи канала NPRACH (40мс, 80мс, 160мс, 240мс, 320мс, 640мс, 1280мс, 2560мс) CE level 0 40мс
CE level 1 160мс
CE level 2 320мс
кол-во повторений передачи каждого запроса без изменения мощности (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 или 128 раз) CE level 0 2
CE level 1 8
CE level 2 32
величина NPRACH ресурса в частотной области (12, 24, 36 или 48 поднесущих) CE level 0 24
CE level 1 24
CE level 2 24
Tp Длительность преамбулы:
format 0: TCP + TSYM=1,4мс
format 1: TCP + TSYM=1,6мс
CE level 0 -
CE level 2
1.4мс

Доля ресурса линии "вверх" (UL), задействованного под канал NPRACH, при заданных параметрах составляет:

Минимальной единицей для размещения транспортного блока в физической ресурсной сетке линии "вверх" является ресурсная единица – RU. Возможные конфигурации RU для NPUSCH "format 1" приведены в Табл. 12.

В ресурсных единицах (RU), переносящих пользовательскую информацию, с данными канала UL мультиплексируется референсный сигнал для демодуляции (DMRS). Для NPUSCH "format 1" DMRS передается в каждом слоте, занимая 1 символ из 7-ми.

Табл. 12:

Разнос поднесущих Кол-во поднесущих Длит. слота Кол-во слотов Схема модуляции Емкость RU Кол-во RU за период SysFr (1)
3,75кГц 1 2мс 16 BPSK 96 бит 15 360
1 2мс 16 QPSK 192 бит 15 360
15кГц 1 0.5мс 16 BPSK 96 бит 15 360
1 0.5мс 16 QPSK 192 бит 15 360
3 0.5мс 8 QPSK 288 бит 15 360
6 0.5мс 4 QPSK 288 бит 15 360
12 0.5мс 2 QPSK 288 бит 15 360

(1) – SysFr (системный фрейм) содержит 1024 радиофрейма и имеет длительность 10,24сек.

Емкость RU рассчитывается по следующей формуле:
 – для схемы модуляции BPSK,
 – для схемы модуляции QPSK.
Здесь множитель (7-1) отражает использование одного из семи символов для передачи сигнала DMRS.

Кол-во RU за период одного системного фрейма (SysFr) рассчитывается по следующей формуле:
 – для разноса поднесущих 3,75кГц,
 – для разноса поднесущих 15кГц.

Таким образом, пропускная способность канала NPUSCH (LNPUSCH), вычисляемая как емкость линии "вверх", за вычетом доли, задействованной под канал NPRACH, составляет:
 - 120,94кбит/с – для схемы модуляции BPSK,
 - 241,88кбит/с – для схемы модуляции QPSK,

где .
 

TBD