移動通信網(wǎng)承載物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的研究

史敏銳

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

1 物聯(lián)網(wǎng)概念

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things）的概念于1999年由美國麻省理工大學(xué)提出，目前業(yè)界并沒有明確統(tǒng)一的定義。早期物聯(lián)網(wǎng)是依托射頻識別（RFID）技術(shù)的物流網(wǎng)絡(luò)，但是隨著技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵已經(jīng)發(fā)生了較大變化。

物聯(lián)網(wǎng)是指將RFID、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等傳感技術(shù)內(nèi)嵌到物理設(shè)備中，按約定的協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實(shí)現(xiàn)信息傳輸、協(xié)同和處理，從而實(shí)現(xiàn)物與物、物與人之間信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)并不是一種通信網(wǎng)，而是傳感技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算技術(shù)的集合。如圖1所示，物聯(lián)網(wǎng)由傳感設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成。傳感層負(fù)責(zé)信息采集；網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接管理和數(shù)據(jù)管理，將信息傳遞到應(yīng)用層；應(yīng)用層應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)對信息進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測、識別、控制等功能。網(wǎng)絡(luò)層是運(yùn)營商的關(guān)鍵控制點(diǎn)，實(shí)體通信網(wǎng)絡(luò)包括互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)層主要確保網(wǎng)絡(luò)的連通性，能夠支撐Internet的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及為語音和數(shù)據(jù)提供低費(fèi)率、高效的傳輸通道。為了接入大量物聯(lián)類型業(yè)務(wù)，終端網(wǎng)絡(luò)需要具備以下特性。

·可控性：網(wǎng)絡(luò)資源可知、帶寬可控、質(zhì)量可管。

·安全性：接入安全、信息安全。

·可擴(kuò)展性：地址擴(kuò)展性、帶寬擴(kuò)展性、性能擴(kuò)展性。

當(dāng)前階段來看，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對移動通信網(wǎng)的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對互聯(lián)網(wǎng)的影響。

2 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對移動通信網(wǎng)的影響

從物聯(lián)網(wǎng)對移動通信網(wǎng)的影響來看，移動通信網(wǎng)的發(fā)展可以分為三個(gè)階段。

初期為管道階段。該階段處于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展初期，接入終端較少，終端圍繞數(shù)據(jù)采集開展應(yīng)用，服務(wù)對象主要是一些專業(yè)行業(yè)。此階段屬于小規(guī)模設(shè)備聯(lián)網(wǎng)階段，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的閑置能力就可以滿足信息傳輸要求，移動通信網(wǎng)不需要區(qū)分人與物的不同通信需求，因此網(wǎng)絡(luò)不感知設(shè)備，物聯(lián)應(yīng)用對電信網(wǎng)絡(luò)沒有影響，電信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施只提供信息傳輸通道。

中期為網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)階段。在該階段應(yīng)用得到擴(kuò)展，從行業(yè)擴(kuò)展到個(gè)人，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備大量增加，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施已不能滿足，移動通信網(wǎng)需要為聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化（低移動性、低數(shù)據(jù)率等），感知設(shè)備，根據(jù)設(shè)備能力和要求提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)能力。

后期為融合階段。該階段主要增加了人與物、物與物通信的能力，依托數(shù)據(jù)監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)獲得的各種組合應(yīng)用大量涌現(xiàn)，大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，需要滿足人與人、人與物、物與物的融合通信和應(yīng)用需求。

當(dāng)前正處于初期和中期的轉(zhuǎn)換階段，網(wǎng)絡(luò)要適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展就必須進(jìn)行有效的增強(qiáng)。

3 現(xiàn)有移動通信網(wǎng)承載物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的主要問題

以智能交通和抄表業(yè)務(wù)為例，智能交通終端具有移動性，數(shù)據(jù)傳送實(shí)時(shí)要求高，并且要求永遠(yuǎn)在線；而抄表業(yè)務(wù)終端固定在一個(gè)位置，不具有移動性，且數(shù)據(jù)可以延時(shí)傳送，也不需要長在線，見表1。

表1 不同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的特性

從表1上可以看出，每種物聯(lián)類業(yè)務(wù)都具有其特性，同類業(yè)務(wù)有非常強(qiáng)的規(guī)律性，而不同類別的業(yè)務(wù)特性的差異性又非常大。目前針對人—人通信設(shè)計(jì)的移動通信網(wǎng)，針對不同用戶申請的語音業(yè)務(wù)可以進(jìn)行設(shè)置，從而進(jìn)行相應(yīng)的控制。而物聯(lián)類業(yè)務(wù)主要為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)只有有權(quán)和無權(quán)之分。對于有權(quán)用戶，用戶等級是一樣的，網(wǎng)絡(luò)只對信息進(jìn)行盡力而為的處理。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)不能針對業(yè)務(wù)特性進(jìn)行有效的控制，當(dāng)大量物聯(lián)終端接入后，網(wǎng)絡(luò)的效率將大為降低，這將阻礙電信運(yùn)營商發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。

4 解決思路

3GPP針對物聯(lián)類業(yè)務(wù)MTC（machinetypecommunication）的特性總結(jié)了16類網(wǎng)絡(luò)需求，見表2。

上述這些特征基本為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特征，要使網(wǎng)絡(luò)能對這些特征進(jìn)行控制，網(wǎng)絡(luò)必須具備2個(gè)條件：知悉終端所需的業(yè)務(wù)特性，具備對不同特性的控制能力。以cdma2000為例，AAA服務(wù)器中需要簽約終端的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特性，網(wǎng)絡(luò)側(cè)PDSN從AAA Server中獲取終端設(shè)備的業(yè)務(wù)特性，從而進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)控制。根據(jù)業(yè)務(wù)特性，網(wǎng)絡(luò)需要做必要的優(yōu)化。

（1）低移動性

對于低移動性終端，網(wǎng)絡(luò)可以延長移動性管理周期，以減少網(wǎng)絡(luò)開銷，降低終端功耗，提高無線資源利用率。需要對分組域移動性管理設(shè)備 （PDSN/MSC）和用戶數(shù)據(jù)庫（如AAA/HSS/HLR)進(jìn)行增強(qiáng)。

（2）業(yè)務(wù)和時(shí)間相關(guān)，例如抄表

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能夠控制終端接入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間，也能夠控制同一個(gè)用戶下的不同終端在不同時(shí)間段的接入或一個(gè)用戶下的M2M設(shè)備在時(shí)間段內(nèi)的隨機(jī)接入，避免同時(shí)接入導(dǎo)致的擁塞。超出接入時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以拒絕終端的接入請求，將M2M設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)側(cè)分離，或者拒絕M2M設(shè)備發(fā)起任何數(shù)據(jù)或者信令請求，或者網(wǎng)絡(luò)側(cè)接受M2M設(shè)備的請求，不過以單獨(dú)費(fèi)率進(jìn)行計(jì)費(fèi)。

需要對分組域移動性管理設(shè)備（PDSN/AAA)和用戶數(shù)據(jù)庫（如HSS/HLR)進(jìn)行增強(qiáng)，允許設(shè)備接入的時(shí)間段作為簽約數(shù)據(jù)存儲在AAA。

表2 MTC業(yè)務(wù)特性

（3）對時(shí)間不敏感，可以容許適當(dāng)延遲

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能夠進(jìn)行時(shí)間控制或接入速率控制。如果接入速率超過配置的速率，則拒絕接入請求。需要對用戶平面設(shè)備和用戶數(shù)據(jù)庫進(jìn)行增強(qiáng)。

（4）只通過PS域提供業(yè)務(wù)

對核心網(wǎng)無影響。

（5）永遠(yuǎn)在線的少量數(shù)據(jù)傳輸

對于經(jīng)常發(fā)送數(shù)據(jù)的終端設(shè)備，為了減少信令對網(wǎng)絡(luò)的影響，這些終端設(shè)備應(yīng)保留注冊在網(wǎng)絡(luò)中。對控制面和用戶面核心網(wǎng)設(shè)備可能都有影響。

（6）在少量數(shù)據(jù)傳輸之外的時(shí)間，終端可以去激活

對于很長時(shí)間才發(fā)送一次數(shù)據(jù)的終端設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)側(cè)應(yīng)在設(shè)備發(fā)完數(shù)據(jù)后將終端設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)側(cè)中分離。

對于小流量業(yè)務(wù)基于連接時(shí)長或流量的計(jì)費(fèi)都是不合適的，需要提供新的計(jì)費(fèi)方式，如下。

基于連接數(shù)計(jì)費(fèi)：網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商統(tǒng)計(jì)M2M用戶下的M2M連接數(shù)，基于M2M連接數(shù)進(jìn)行計(jì)費(fèi)。

基于信令計(jì)費(fèi)：網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商統(tǒng)計(jì)M2M用戶下的M2M設(shè)備發(fā)起的信令數(shù)，基于信令數(shù)進(jìn)行計(jì)費(fèi)。

基于群組計(jì)費(fèi)：網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商統(tǒng)計(jì)M2M用戶下的所有M2M設(shè)備的流量、接入時(shí)長，基于該流量、時(shí)長進(jìn)行計(jì)費(fèi)。

（7）由終端發(fā)起業(yè)務(wù)

僅終端發(fā)起業(yè)務(wù)可以去掉尋呼甚至位置更新，甚至處于斷開狀態(tài)。只當(dāng)用戶接入時(shí)才進(jìn)行移動性管理。

（8）網(wǎng)絡(luò)偶爾會發(fā)起業(yè)務(wù)（push）

需要解決尋址問題，指Server可以尋址到終端。目前有3種尋址方式：Server基于SMS機(jī)制尋址M2M設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)側(cè)為M2M設(shè)備建立IP承載，終端設(shè)備通過建立的IP承載注冊到Server，Server基于終端設(shè)備的IP地址尋址終端；Server通過廣播機(jī)制尋址終端設(shè)備。

這些要求對核心網(wǎng)控制設(shè)備有影響，對用戶數(shù)據(jù)庫也有影響。

（9）監(jiān)控終端狀態(tài)

需要網(wǎng)絡(luò)側(cè)針對終端連接狀態(tài)變化向用戶、服務(wù)器發(fā)出告警或限制終端業(yè)務(wù)。

（10）MTC Server感知終端離線

需要網(wǎng)絡(luò)側(cè)在終端脫網(wǎng)時(shí)向用戶、服務(wù)器發(fā)出告警。

（11）MTC Server感知終端被干擾

在終端已經(jīng)被干擾或正受到干擾時(shí)，網(wǎng)絡(luò)要向Server發(fā)出告警。

（12）PAM消息優(yōu)先傳送

核心設(shè)備需要配置不同消息的優(yōu)先級別，保證PAM消息的優(yōu)先傳送。實(shí)現(xiàn)此功能對終端設(shè)備也有相應(yīng)要求。

（13）終端低功耗保證

降低終端功耗可以通過簡化移動性管理、定時(shí)喚醒終端等措施實(shí)現(xiàn)。

（14）終端和服務(wù)器之間安全的連接

安全連接可以通過數(shù)據(jù)加密、認(rèn)證等機(jī)制完成，對核心網(wǎng)影響較小。

（15）網(wǎng)絡(luò)根據(jù)位置觸發(fā)終端發(fā)起業(yè)務(wù)

核心網(wǎng)設(shè)備需要配置特定位置的觸發(fā)信息，觸發(fā)終端業(yè)務(wù)或?qū)⑽恢眯畔⑼ㄖ猄erver或在沒有附著到網(wǎng)絡(luò)或移動性管理減少時(shí)觸發(fā)終端。

（16）針對群組管理的特性

群組特性包含群組QoS、群組計(jì)費(fèi)、群組尋址等，需要增加新的計(jì)費(fèi)、尋址等能力。

5 網(wǎng)絡(luò)部署

增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的控制能力需要對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行升級改造，分組域有2種組網(wǎng)方式，方式一是混合組網(wǎng)，方式二是獨(dú)立組網(wǎng)。

混合組網(wǎng)：將現(xiàn)有PDSN、AAA等分組域設(shè)備都升級成為支持增強(qiáng)功能的設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和非物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)使用同一個(gè)移動分組域核心網(wǎng)，如圖2所示。這種方式需要對現(xiàn)有分組核心網(wǎng)PDSN、AAA升級改造，對網(wǎng)絡(luò)的影響較大。

獨(dú)立組網(wǎng)方式如圖3所示，PDSN/AAA提供手機(jī)終端的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)路由，終端鑒權(quán)、認(rèn)證、計(jì)費(fèi)。AAA-M存儲物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)簽約數(shù)據(jù)，PDSN-M從AAA-M下載業(yè)務(wù)簽約數(shù)據(jù)，提供物聯(lián)終端業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)路由，進(jìn)行業(yè)務(wù)控制。手機(jī)終端接入PCF，PCF將業(yè)務(wù)接入PDSN；物聯(lián)終端接入PCF，PCF將業(yè)務(wù)接入PDSN-M，這要求PCF能將不同用戶的數(shù)據(jù)分發(fā)到不同的核心網(wǎng)設(shè)備。目前PCF可以根據(jù)IMSI接入不同PSDN，因此只需給物聯(lián)終端和手機(jī)終端分配不同IMSI號段，就可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和手機(jī)業(yè)務(wù)的分離。獨(dú)立號段不僅有利于網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)處理，也有利于一些特別針對機(jī)器終端的特殊計(jì)費(fèi)策略實(shí)施。由于物聯(lián)類業(yè)務(wù)特定的需求，為避免對現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)的影響，對物聯(lián)類業(yè)務(wù)單獨(dú)部署CDMA分組核心網(wǎng)是比較合適的。

6 結(jié)束語

2010年3月5日溫家寶總理在作政府工作報(bào)告時(shí)指出要“加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應(yīng)用，加大對戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的投入和政策支持”。這是物聯(lián)網(wǎng)首次被寫進(jìn)政府工作報(bào)告，也意味著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)入了國家層面視野，物聯(lián)業(yè)務(wù)將進(jìn)入快速發(fā)展期。物聯(lián)業(yè)務(wù)對移動通信網(wǎng)的影響將初步顯現(xiàn)，雖然業(yè)界包括3GPP、3GPP2等組織相繼啟動了移動網(wǎng)能力增強(qiáng)項(xiàng)目，但相關(guān)研究還剛起步，標(biāo)準(zhǔn)化工作到產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走。對于電信運(yùn)營商，除了需要長期的、整體的解決方案之外，更需要能經(jīng)濟(jì)、快速解決現(xiàn)網(wǎng)實(shí)際問題的解決方案。