探究M2M移動通信網絡架構
1. 引言
物物通信(M2M，Machine to Machine)是一種涉及一個或多個實體的不需要人為干預的數據通信，也稱為機器類型通信(MTC，Machine-Type Communication)。隨著M2M業(yè)務的快速發(fā)展，基于移動通信網絡的MTC正日益成為一種主要的移動通信方式，但是傳統(tǒng)移動通信網絡畢竟是面向人人通信(H2H，Hu-man to human)業(yè)務設計的，適應H2H的業(yè)務需求，卻不能滿足M2M業(yè)務需求。具體來說，MTC和傳統(tǒng)人人通信的不同之處包括以下方面[1]：
(1)基于MTC通信的應用場景比H2H通信的場景豐富很多，而且具有差異性。根據功能特性劃分大致可歸納為位置感知和共享、環(huán)境信息感知、遠程控制與執(zhí)行、數據收集發(fā)布、視頻監(jiān)控、近場通信等。這些應用的差異化一方面表現為功能上的多樣性;另一方面也體現在應用特征以及對網絡的需求上的差異化。
(2)數據通信為主，包括小流量數據包、視頻流等。
(3)要求MTC通信成本比H2H更低。由于M2M業(yè)務是在H2H業(yè)務之后發(fā)展起來的，最小化成本是M2M業(yè)務生存的重要考慮。不同的應用因其重要性不同，對通信的要求也是不同的，需要結合事件發(fā)生的可能性和需要付出的通信等綜合成本來考慮進行成本的最小化。
(4)M2M終端數目巨大，需要更靈活和有策略的終端管理。潛在的海量M2M終端接入通信網絡，而且M2M終端無論是從傳輸特性、QoS要求和移動性，還是從終端的分布密度方面，都與H2H終端有很大不同。
(5)以小數據量傳輸為主。
如果繼續(xù)使用傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)來進行MTC通信，其系統(tǒng)的效率、成本和適用性都無法達到最優(yōu)。因此，在考慮M2M業(yè)務特征的同時減少對H2H業(yè)務的影響，從而設計MTC專用的通信系統(tǒng)，是當前物物通信不斷發(fā)展背景下的一個重要課題。
2. M2M業(yè)務特征分析
網絡架構的設計，需要以網絡所承載的具體業(yè)務為出發(fā)點[2]。也就是說，M2M網絡架構的設計需要充分分析M2M業(yè)務特征和需求，結合終端上下行數據量、頻度、QoS需求等方面的業(yè)務特征，將物聯(lián)網應用分為如下五類。其中，對各類應用的部分需求和特征進行了分析，包括移動性、群組通信、鑒權以及按計劃周期性處理等，不同場景間有較大差異。
(1)監(jiān)控報警類：傳感器本地監(jiān)測數據，當發(fā)生不符合預期的數據變化時通過網絡通知應用層進行報警。
平均數據傳輸速率：低，僅在某些觸發(fā)條件下發(fā)送少量上行數據流量。
尖峰數據傳輸速率：不同場景間有較大差異，與應用需求確定的傳輸的數據內容有關。
QoS要求：不同場景間有較大差異，與應用需求以及當前數據所代表的含義有關。
數據安全要求：不同場景間有較大差異，與應用需求有關。
數據可靠傳遞要求：不同場景間有較大差異，與應用需求有關。
數據持續(xù)性：低，僅在發(fā)生預置的事件時存在短暫的或者持續(xù)時間較短的數據傳輸。
與人交互性：低，通常由系統(tǒng)根據預置處理方式自動處理。
對連接性的需求：需要監(jiān)控連接性以防破壞或無效。
終端移動性：因無下行流量需求，所以無移動性需求。
舉例：輸血車血液環(huán)境監(jiān)測;井蓋監(jiān)控;移動資產跟蹤。
(2)數據收集類
平均數據傳輸速率
上行流量：中，數據量較大，持續(xù)的數據上報或者周期性數據上報;下行流量：低，更多的是用于修改上報規(guī)則等。
尖峰數據傳輸速率：不同場景間有較大差異，與應用需求確定的傳輸的數據內容有關。
QoS要求：不同場景間有較大差異，與應用需求以及當前數據所代表的含義有關。
數據安全要求：不同場景間有較大差異，與應用需求有關。
數據可靠傳遞要求：不同場景間有較大差異，與應用需求有關。
數據持續(xù)性：取決于數據傳輸間隔和傳輸方式的選擇。[論文網]
與人交互性：低，通常由系統(tǒng)根據預置處理方式自動處理。
對連接性的需求：需要監(jiān)控連接性以防破壞或無效。
終端移動性：因偶爾有下行數據，所以需要優(yōu)化的移動性管理。
舉例：氣象信息監(jiān)測;火災現場數據收集;路況信息收集。
(3)信息推送類
平均數據傳輸速率
上行流量：通常較低，主要用于提供應用所需的過濾或輸入條件(如位置信息);下行流量：通常較大，主要用于傳遞所推送的信息(如廣告、視頻媒體等)，持續(xù)的、基于交互等外界條件出發(fā)的或者周期性的數據推送。
尖峰數據傳輸速率：具有明顯的尖峰數據特征，在條件觸發(fā)后下發(fā)匹配的信息。
QoS要求：不同場景間有較大差異，與應用需求以及當前數據所代表的含義有關。
數據安全要求：不同場景間有較大差異，與應用需求有關。
數據可靠傳遞要求：不同場景間有較大差異，與應用需求有關。
數據持續(xù)性：通常具有較長時間的持續(xù)性。
與人交互性：高，通常用戶會做出反饋，系統(tǒng)根據反饋對推送的信息進行調整。
對連接性的需求：較強，需要維護網絡連接以便于進行數據的正確傳輸。
終端移動性：兩極分化。部分終端有很強的移動性;部分終端則通常不移動。
舉例：智能博物館等。
(4)視頻監(jiān)控類
平均數據傳輸速率
上行流量：高，主要用于傳遞所監(jiān)控的多媒體數據;下行流量：低，主要用于傳遞控制和調節(jié)命令等。
尖峰數據傳輸速率：無明顯的尖峰數據特征，數據傳輸通常維持一個相對穩(wěn)定的傳輸速率。
QoS要求：不同場景間有較大差異，與應用需求有關。
數據安全要求：不同場景間有較大差異，與應用需求有關。
數據可靠傳遞要求：不同時刻有不同的要求。如在正常情況下要求適中，但一旦發(fā)生某些預置的事件則需要較高的可靠性傳遞。
數據持續(xù)性：通常具有長時間的持續(xù)性。
與人交互性：低，用戶偶爾會對視頻監(jiān)控過程進行干預。
對連接性的需求：較強，需要維護網絡連接以便于進行數據的正確傳輸。
終端移動性：兩極分化。部分終端有很強的移動性;部分終端則通常不移動。
舉例：家庭安防中的視頻監(jiān)控等。
(5)遠程控制執(zhí)行器類
平均數據傳輸速率
上行流量：通常較低，主要用于提供應用所需的過濾或輸入條件(如預置事件的發(fā)生);下行流量：取決于控制對象和控制命令的復雜程度。
尖峰數據傳輸速率：通常具有明顯的尖峰數據特征。
QoS要求：不同場景間有較大差異，與應用需求有關。
數據安全要求：不同場景間有較大差異，與應用需求有關。
數據可靠傳遞要求：要求較高，因涉及到控制過程是否能夠正常實現。
數據持續(xù)性：通常具有長時間的持續(xù)性。
與人交互性：高，通常是對人操作指令的具體反映。
對連接性的需求：較強，需要維護網絡連接以便于進行數據的正確傳輸。
終端移動性：兩極分化。部分終端有很強的移動性;部分終端則通常不移動。
舉例：工業(yè)自動化等。
3. M2M業(yè)務對現網架構的影響
從對現網架構的影響來說，M2M業(yè)務可以分為兩類：A類是現有網絡不能滿足需要網絡優(yōu)化的業(yè)務，這類業(yè)務需要過載控制功能來避免網絡過載，以及針對客戶的業(yè)務需求提供差別化的服務;B類是對于現有網絡影響較小的業(yè)務，這類業(yè)務是對時效性要求不高的MTC業(yè)務，而且這些業(yè)務和現在的移動網絡業(yè)務有類似的需求。從整體來說，M2M業(yè)務中大部分是A類業(yè)務，以下分析的是A類業(yè)務對現網架構的影響[3]。
M2M業(yè)務的多樣性、差異化，網絡的多種接入方式，M2M終端的海量性、差異化，以及M2M業(yè)務表現出來的傳統(tǒng)電信業(yè)務所不具有的各種特點，都對現網架構和網元設備產生了很大影響，其直接后果是現網的核心網元如HLR/PCRF/GGSN的能力已經不能滿足M2M業(yè)務所帶來的信令、流量沖擊和業(yè)務控制需求，主要體現在以下方面：
(1)由于物聯(lián)網業(yè)務的特殊性，可能會產生瞬時大量的信令，會對無線網絡的關鍵信令控制設備(STP/HLR/PCRF)造成影響而導致全網的癱瘓。因此，一方面要大規(guī)模提高相關信令控制設備的容量或設備的信令處理能力;另一方面需要進行差異化、分優(yōu)先級的接入控制;此外，關鍵信令控制和處理設備要具備一定的設備過載保護機制以及高容災、高流控能力，避免關鍵網元的過載，從而有效提升整網的可靠性。
(2)由于物聯(lián)網業(yè)務的特殊性，其接入方式的多樣性，涉及行業(yè)及用戶和設備的多樣性、海量性，因此需要對用戶數據管理HLR網元進行相應增強，包括其數據庫的可擴展性和靈活性，除了標準的用戶簽約信息，還有設備序列號、設備驅動程序信息、位置信息和配額信息等運營商、M2M客戶私有字段等;對多種接入類型的支持，可對由不同接入類型(2G/3G/LTE)接入網絡的設備進行鑒權;對用戶標識和尋址的靈活動態(tài)支持，支持一卡多號或一號多卡;支持對終端設備基本狀態(tài)的查詢，能通過網絡側下發(fā)終端“蘇醒”請求，發(fā)現設備被盜時能夠立刻鎖死等。
(3)由于物聯(lián)網業(yè)務的特殊性及多樣性、群組性，因此有必要對業(yè)務進行區(qū)分，包括業(yè)務分類分級、QoS分級、用戶分組、設備分組，從而進行流量管理和業(yè)務管理，根據忙閑時、地理位置等各種特性采取不同的接入和傳輸處理策略等。此外，在現網PCC架構中疊加物聯(lián)網策略控制，因其特殊性，PCRF(Policy and Charging Rules Function，策略與計費規(guī)則功能)進行策略控制時需先判斷是個人用戶還是物聯(lián)網用戶，而且物聯(lián)網數據的瞬時爆發(fā)性會影響現網PCC架構，所以有必要設置專用的物聯(lián)網M2M PCRF。
總之，需要對相關網元進行能力的增強和升級，可以改造現有相關網元，也可以設置M2M的專用網元疊加在現有H2H網絡上來解決相應問題。
4. 國際標準組織提出的M2M網絡架構
國際標準組織如ITU、ETSI和3GPP等分別從不同角度提出了M2M的網絡架構[4]。
根據ITU-T發(fā)布的定義，物聯(lián)網體系架構主要可劃分為三個層面：感知層、網絡層和應用層。如圖1所示，該架構基本達成業(yè)界共識，但是其體系架構過于抽象屬于概念模型，在轉化為技術實現的過程中還需要細化。
在ITU-T物聯(lián)網體系架構的基礎上，ETSI提出了一種可看作邏輯模型的M2M應用頂層架構[5]。如圖2所示，ETSI把M2M體系架構劃分為M2M設備及網關和M2M網絡兩個大域。M2M設備及網關域包括M2M設備、M2M網關和M2M局域網，可以基于現有的各類標準實現;M2M網絡域則包括廣域網和M2M應用系統(tǒng)。
相較于ITU的概念模型，ETSI的邏輯模型側重于M2M服務能力層，通過對服務能力和接口的定義來實現屏蔽網絡細節(jié)的M2M應用、M2M服務能力及網絡三者之間的相互調用，可供在研究平臺和網關設備功能及接口時參考。
在ETSI的體系架構基礎上，3GPP也提出了一種支持MTC應用的通信架構。如圖3所示，涉及到的實體包括MTC終端、承載網絡、MTC服務器和MTC應用。其中，MTC服務器是MTC業(yè)務的管理平臺;MTC應用負責業(yè)務邏輯的實現。承載M2M通信的移動網絡包括GPRS、EPC以及短消息和IMS網絡。
3GPP提出的MTC通信架構側重于M2M網絡層，對M2M網絡中各通信網元的功能和接口進行了定義，其適用于研究MTC業(yè)務的管理平臺以及M2M核心網絡的功能和接口時參考。
以上標準組織雖然都提出了M2M的網絡體系架構，但是有其局限性。ITU和ETSI的架構過于框架性，對于實際的網絡部署沒有較好的指導意義;3GPP雖然對于網絡網元功能增強有一定的研究，但是由于目前部署的H2H網絡大多處于R7或R8版本，而MTC網絡體系的研究是在R10以上版本的網絡基礎上進行的。因此，在現有網絡中按照標準來部署MTC網絡還為時尚早，需要研究一種網絡架構既具有在現有網絡基礎上投資和部署的可行性，又能滿足現階段MTC業(yè)務應用的需求。
5. 3G網絡階段的M2M網絡架構
在現有的3G網絡階段，為解決發(fā)展M2M業(yè)務面臨的網絡運營和網絡資源問題，運營商可以通過采用物理上隔離的網絡來單獨承載機器通信業(yè)務，在初期可以通過核心網中專設的網元實現業(yè)務的隔離，在后期演進也可以延伸到采用專用的接入網實現物聯(lián)網業(yè)務的接入隔離。此外，物聯(lián)網管理平臺也是物聯(lián)網解決方案中必不可少的組成部分。物聯(lián)網管理平臺與物聯(lián)網獨立網元配合，在物聯(lián)網業(yè)務發(fā)展的初期階段主要實現物聯(lián)網獨立碼號集中管理和物聯(lián)網業(yè)務有效管控等功能。隨著物聯(lián)網的發(fā)展，平臺的功能也會逐步支撐更多資源管控與更多的業(yè)務流程，并開放更多資源及能力。可以根據M2M業(yè)務的特性，實現基于位置、時間段、接入類型的QoS控制和相應的計費策略;還可以根據用戶的屬性及行為進行相應的分組，實行基于群組的流量統(tǒng)計、事件分發(fā)和策略執(zhí)行等，這體現在核心網中PCRF/SPR/M2MSP的功能實現。綜上所述，在3G發(fā)展階段，M2M網絡架構的特征具體體現在以下四個方面：