電信運營商M2M運營管理平臺探討

何曉明

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630）

1 引言

物聯網就是針對任何物品，通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議與傳統的通信網絡連接起來，進行信息交換和共享，以實現遠程數據采集和測量、智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網應用非常廣泛，遍及工業控制、智能電網、智能交通、智能家居、環境檢測、醫療監護、行政管理、公共安全等眾多領域，與我們的日常生活和工作息息相關。

物聯網的特征表現為“全面感知、可靠傳遞、智能處理”，分別對應為物聯網架構的3個層次：感知延伸層、網絡傳送層和物聯網應用層。感知延伸層實現對物理世界的全面感知，是物聯網發展和應用的基礎，RFID技術、傳感和控制技術、短距離無線通信技術是感知延伸層涉及的主要技術；網絡傳送層是在現有通信網和互聯網的基礎上建立起來的，綜合使用各種2G/3G無線及固定寬帶接入技術，實現有線與無線的結合、寬帶與窄帶的結合、傳感網與通信網的結合，達到感知數據和控制信息可靠傳遞的目的；物聯網應用層是實現以數據為中心的物聯網的核心技術，包括感知數據的存儲、查詢、分析、挖掘以及基于感知數據的決策和實施。物聯網應用層利用經過分析處理的感知數據，為行業應用和用戶提供豐富的服務，最終實現人與自然和諧發展的美好愿景。

物聯網應用蘊藏著巨大的潛在需求已為人們所共識，但是由于當前物聯網產業鏈不成熟、業務模式不清晰、關鍵技術還有待突破以及標準體系的缺失，物聯網發展目前還處于起步階段。電信運營商當前的核心價值在于為物聯網應用提供更好的通信保障服務。電信運營商已經意識到，當前的工作重心應放在感知終端的標準化和物聯網運營管理平臺的建設上來。通過對物聯網終端進行標準化，以實現終端的開放性和低成本，讓更多廠家的感知終端按標準的接口和通信協議接入電信網絡，并通過物聯網運營管理平臺對物聯網應用進行統一管理和控制，為行業應用提供優質的通信服務，實現“可運營、可管理”的物聯網規模化經營。

本文從M2M業務需求及功能架構出發，對現階段電信運營商的M2M運營管理平臺進行探討。

2 M2M業務需求及功能架構

2.1 M2M基本業務需求

M2M是Machine-to-Machine的簡稱，指一方或雙方是機器，且在無需或很少需要人工干預的情況下，機器通過程序控制能自動完成整個通信過程的通信形式。M2M是現階段物聯網應用的主要形式。M2M應用非常廣泛，涉及電力、水利、農業、工業監控和自動化、醫療、家庭生活等各個行業，已經進入了人們工作、生活、學習和娛樂休閑的各個方面。不同的M2M業務對網絡帶寬、實時性、數據安全性、終端設備移動性以及連接時長等有不同的需求，歐洲電信標準化組織（ETSI）和第三代合作伙伴計劃（3GPP）專門針對M2M業務需求制訂了相應的技術規范（具體可見參考文獻[1，2]），以下是M2M應用的典型需求[3]。

·提供可以承諾服務質量的通信保障，根據不同的M2M應用需求提供不同級別的QoS保證。

·提供端到端的業務安全,移動業務現有安全系統建立在基于用戶卡的鑒權，而基于機器類業務的主要區別在于采集數據和控制外部環境的核心是機器，在現有業務網絡、終端設備和用戶卡不具有同等的安全保障，因此機器通信的安全是M2M業務需要重點支持的功能。

·M2M系統可以尋址到各種M2M終端設備。

·支持群組管理，多個具有相同功能的M2M終端設備節點可以組成一個群組，支持對同一群組中的終端設備同時進行相同的操作。

·終端設備遠程管理，由于M2M終端設備通常情況下是無人值守的，因此M2M終端設備的遠程管理需求是M2M業務最基本的特征，需要支持對M2M終端設備進行遠程參數配置和遠程軟件升級等遠程管理功能。

·支持不同流量的數據傳輸，如在視頻監控業務中有大量的視頻數據需要傳輸，而在智能抄表業務中只需要傳輸少量的數據信息。

·支持多種接入方式，能夠支持固定和移動形態的終端設備通過各種方式接入。

·支持終端設備數量的擴展，新加入的終端設備可以方便地加入到網絡中。

· 支持多種信息傳遞方式，包括單播、組播、任播和廣播。

·支持具有不同移動性的終端設備，有些終端設備是固定的，而另一些終端設備則可能是低速移動或高速移動，對于移動終端設備可以支持終端設備的漫游與切換，為用戶提供一致的業務體驗。

·支持終端設備的休眠模式。由于很多M2M終端設備是沒有電源供電的，節約能量的消耗對這樣的M2M終端設備很重要，所以有些終端設備會在工作一段時間后根據一定的策略轉入休眠狀態，M2M終端設備在休眠之后要能接收到在休眠過程中的數據信息。

2.2 M2M功能架構

ETSI在M2M功能架構草案[4]中提出了M2M系統架構，如圖1所示。

在M2M系統架構中，M2M設備域由以下幾個部分組成。

（1）M2M 設備

使用M2M能力和網絡域功能運行M2M的各種應用，它可以直連接入網或通過M2M區域網絡同M2M網關進行接口。

（2）M2M區域網絡

提供M2M設備和M2M網關的連通性，如基于IEEE 802.15 的個域網、Zigbee、Bluetooth、Wi-Fi、PLC、RS232/285、各種工業現場總線等。

（3）M2M 網關

使用M2M能力確保M2M設備同網絡和應用域實現互連互操作，也可運行M2M的各種應用。

網絡和應用域由以下幾個部分組成。

（1）接入網

允許M2M設備域同核心網進行通信，其M2M能力可能需要增強以適應M2M消息的送達，如 xDSL、xPON、HFC、UTRAN、Wi-Fi、WiMAX 等。

（2）傳送網

負責M2M消息在網絡和應用域中的傳送，其M2M能力可能需要增強以適應M2M消息的送達。

（3）M2M 核心

由核心網和業務能力兩部分構成。核心網提供IP連通性、業務和網絡的控制、與其他網絡互連互通、漫游等功能，其M2M能力可能需要增強以適應M2M消息的送達。業務能力提供的功能為各種應用所共享，通過統一的接口向各種應用開放其業務能力。業務能力使用核心網功能，通過向各種應用隱藏網絡的具體技術，以簡化和優化應用開發和部署。

（4）M2M 應用

基于統一開放接口運行業務相關邏輯及使用業務能力。

（5）網絡管理功能

對接入網、傳送網和核心網的各種M2M能力進行管理，包括M2M能力的配置、監測、故障管理等。

（6）M2M 管理功能

對各種M2M應用、業務能力以及M2M設備與網關進行管理，M2M設備與網關管理也可使用業務能力。

為了便于后續對M2M運營管理平臺的討論，這里著重介紹M2M業務能力的功能架構。

如圖2所示，M2M業務能力提供兩個外部接口：mIa接口和Igdi接口，通過mIa接口連接M2M應用，通過Igdi接口連接M2M設備/網關。M2M應用通過mIa接口獲得各種業務能力以及對M2M設備/網關的操作、維護和管理（OAM）功能。Igdi接口提供一種業務能力域與相應M2M設備/網關之間能力通信的接口。

M2M業務能力功能包括下列能力：

· 通用M2M應用使能（GMAE）；

· 通用消息送達（GM）；

· 可達性、尋址及設備應用知識庫（RADAR）；

· 網絡和通信服務選擇（NCSS）；

·M2M設備及M2M網關管理（MDGM）；

· 安全能力（SC）；

· 歷史及數據保留（HDR），可選；

· 事務管理（TM），可選。

各能力能夠通過現有的接口使用核心網功能，也可通過GMAE調用其他能力。

下面對主要的M2M業務能力分別作簡要介紹。

（1）通用 M2M 應用使能（GMAE）能力

通用M2M應用使能（GMAE）能力是M2M應用的惟一聯絡點，通過mIa接口連接M2M應用，屏蔽業務能力拓撲，M2M應用僅僅需要GMAE地址來獲得各種不同的M2M業務能力。完成M2M應用使用業務能力前的注冊、認證、授權等接入控制功能；檢查某個特定M2M應用請求能力的有效性并執行M2M應用與各能力之間的消息路由、各種能力之間的路由；可能產生與能力使用相關的計費記錄等。

（2）通用消息送達（GM）能力

圖2 M2M業務能力功能架構

GM能力提供一種到達M2M設備、M2M網關、業務能力、駐留在網絡和應用域中M2M應用的消息傳送方法。不管采用單播消息、組播消息還是任播消息方式，GM能力消息的所有接收者需要被惟一標識名標識。GM能力向M2M應用屏蔽對象標識名與可路由網絡地址的對應關系，同時也屏蔽M2M設備/網關接入網絡的差異性；當有可靠傳送需求時使用消息重傳機制，當M2M設備及M2M網關不可達時使用消息先存儲再發送的方式，提供消息送達狀態及消息安全傳送；產生如接收者標識不存在或接收者不支持的請求類型等錯誤報告；檢查某個M2M設備所產生的流量并核實它是否與給定的流量模型相匹配以及其他流量管制策略等。

（3）RADAR 能力

提供M2M設備、M2M網關或1組M2M設備/網關的標識名與1套可路由網絡地址（如在無線接入網絡中，M2M設備/網關有2個地址：1個IP地址和1個MSISDN）的映射關系、M2M設備/網關可達性狀態、下一次喚醒時間和周期等；當M2M設備/網關可達時提供一種更新映射表的機制；接收來自其他能力對M2M設備狀態變化的通知，如可達性、因移動而獲得新的地址、注冊信息發生變化等；為其他能力提供設備尋址信息及可達性狀態；允許創建、刪除一組以某個名字標識的M2M設備/網關；維護設備應用知識庫，包括設備注冊、認證、授權信息。

（4）NCSS 能力

為M2M應用屏蔽M2M設備/網關的網絡地址；當M2M設備/網關可接入多個網絡時提供接入網絡的選擇；當M2M設備/網關有多個可路由的網絡地址時提供通信服務選擇；當第一個選擇的網絡或通信服務失敗時提供其他可選擇的網絡或通信服務等。

（5）MDGM 能力

提供M2M設備/網關的配置管理、性能管理、故障管理等功能，完成M2M設備/網關的軟件及固件版本升級等功能。

（6）SC 能力

提供M2M應用接入M2M業務能力及M2M設備/網關接入網絡時的認證及會話密鑰管理功能。

3 M2M運營管理平臺探討

目前，從全球電信運營商物聯網業務發展來看，幾乎都是通過建設M2M業務平臺實現對物聯網業務的運營和管理。從中國的電信運營商來看，中國移動是較早進入物聯網業務的運營商，物聯網應用初具規模，也積累了一定的物聯網運營和管理經驗，通過自建M2M平臺實現對各個行業終端和應用系統的統一接入、控制和管理。中國電信雖然起步較晚，但是積極響應國家物聯網發展戰略，努力推進行業應用，通過規范行業終端，搭建M2M平臺，為物聯網應用的快速發展奠定基礎。從當前中國移動和中國電信所提供的M2M平臺來看，所實現的功能基本相同，主要體現為“終端接入功能、終端監測控制功能和行業應用數據路由功能”3大核心功能[5，6]。M2M平臺主要實現終端接入控制、終端監測控制、行業應用系統接入、行業應用數據轉發、業務運營管理和平臺管理等功能，基本遵循ETSI要求的M2M業務能力功能架構。本文以電信運營商實際網絡運營及M2M行業應用特點為出發點，對M2M運營管理平臺功能架構做進一步探討。

3.1 M2M終端接入控制分析

從當前M2M業務實際運營來看，大量接入電信運營商網絡的M2M行業終端跟人與人通信的電信終端一樣，需要通過PPP、PPPOE、DHCP等方式撥號接入網絡，動態獲取IP地址，或通過靜態配置IP地址以專線方式接入網絡。不管以何種方式接入網絡都需要通過網絡層的接入控制，建立并維護IP會話連接，由接入網關（如GPRS網絡的GGSN、CDMA網絡的PDSN、固定寬帶接入網絡網關BRAS/SR）跟AAA服務器配合實現M2M終端的接入認證、授權、計費功能以及終端的地址分配和管理，并根據不同的M2M應用需求提供不同級別的QoS控制。M2M終端在接受網絡層的接入控制后二次接受應用層M2M平臺的接入控制不僅有功能重復之嫌，而且還增加了終端通信控制的復雜性，使得終端的功能層次含混不清。同時，M2M終端需要通過注冊、登錄、退出、注銷等繁雜的業務流程接受M2M平臺對終端的接入控制管理，也相應地增加了終端和平臺的造價。平臺需要心跳檢測手段來維持海量終端的生命周期，由此帶來平臺處理性能上的壓力和擴展性問題。特別需要注意的是，M2M終端不僅成本受限、更因供電受限等特點決定其處理能力、存儲能力遠非智能手機或PC那么強大，必須簡化M2M終端的通信復雜度來降低功耗和成本。

M2M平臺通過把對終端的接入控制功能下放到網絡層，不僅可簡化平臺的功能復雜度，更體現出不同層次各司其責的特點，使得物聯網體系結構更為合理。網絡層設備基于硬件架構，采用先進網絡處理器技術實現對大量電信終端的接入控制和超大數據流量的轉發功能，設備成熟度高，在現網得到廣泛使用，并積累了豐富的運維和管理經驗。M2M終端雖具有區別于人與人通信電信終端的獨特性質，但其接入網絡的本質特點并未發生根本性變化，仍然需要網絡實現接入認證、授權、計費等AAA功能。因此，仍可沿用傳統的無線/有線寬帶接入控制技術及線路維護體制實現M2M終端的控制管理功能。接入網關支持豐富的斷線碼功能也極大地方便了對M2M終端通信故障診斷。

3.2 M2M行業應用特點分析

事實上，由于物聯網應用非常豐富，涉及行業眾多，存在M2M行業應用的復雜性和多樣性。不同行業使用的M2M終端及網關設備種類繁多，具有完全不同的應用目的，這與傳統的電信終端所具有的終端種類單一性和功能的統一性特點形成鮮明對比。電信運營商可以通過制訂電信終端標準和規范，實現對終端的統一管理。但是對于具有不同專業應用特點的M2M行業終端，電信運營商如果想實現對M2M行業終端的全面管理，首先要成為行業應用專家，這對運營商是不現實的。

物聯網豐富的應用主要體現在感知延伸層，由于感知延伸層涉及的無線/有線短距離通信技術十分復雜，各種技術尚無統一的標準，實際使用中多采用廠家私有協議開發各自的傳輸模塊和控制模塊，無法實現不同廠家M2M設備互通。業界一致認為M2M網關是解決感知延伸層異構網絡接入的最佳解決方案。通過M2M網關的協議適配、數據格式適配等功能屏蔽多種不同異構網絡的差異性，實現從廣域通信網到局域末梢網的互通。盡管如此，M2M局域末梢網的組網及應用仍然具有不同的行業應用特點，很多科研機構和專業公司在這方面有深入研究，形成了一定的技術積淀，電信運營商至少在目前來看對這片領域是陌生的，把對M2M局域末梢網的拓撲管理、傳輸控制、接入控制、尋址與路由等大量管理工作交給電信運營商并不合適。

有鑒于此，實現對M2M終端的全面管理需要電信運營商和行業應用分工合作。電信運營商和行業應用通過協商，對終端的操作、維護和管理進行適度分工，合理劃分管理分界線。運營商只負責與終端的通信行為密切相關的配置管理，如PPP連接撥號號碼、PPP用戶名/密碼、PPP心跳包發送間隔、撥號接連方式的選擇、撥號定時器設定、來電號碼/短信號碼、與M2M平臺/行業應用系統的接入參數等，而把大量與行業應用相關的配置管理工作交給行業應用系統來處理。通過這種適度分工的專業管理，能有效提高終端的運維效率，減少行業應用的許多麻煩。

物聯網概念提出時，就已經存在大量M2M行業應用，如視頻監控系統、電力遠程抄表系統、城市交通管理和車輛調度系統、基于RFID的物流系統等，這些煙囪式的垂直型應用系統對數據傳送的實時性、可靠性、安全性都具有不同的特點，行業應用內部已形成較為完善的利益鏈，行業壁壘深嚴，電信運營商很難介入。各個行業應用數據的處理、分析、應用是行業信息化的重要組成部分，是提高行業生產效率的重要手段和目的，因此行業對這些應用數據具有較強的敏感性，不愿意把這些重要的數據暴露在電信運營商的共性平臺上。況且，至少從目前來看，不同行業的應用數據還不存在協同和共享的必要性。由電信運營商的M2M平臺對各個行業應用數據進行匯聚、路由、分發可能只是運營商的一廂情愿。就算行業愿意這樣做，當不同行業的海量終端產生的海量數據都通過M2M平臺轉發時，需要考慮不同行業數據轉發的優先級、數據加密、安全隔離等措施，這種基于軟件架構的M2M平臺勢必存在性能瓶頸。

3.3 M2M終端/網關通信管控

綜上所述，電信運營商M2M平臺最核心的功能主要體現在對終端的管理，這與現階段運營商做“智能管道”的理念是相吻合的。不同于隨身攜帶的手機或PC等電信終端，M2M終端的一個顯著特征是無人在現場對終端進行干預和值守的情況下，通過程序來自動完成網絡通信功能。由于物聯網終端所涉及的行業用途相當廣泛，行業終端的品種繁多，所處的工作環境惡劣，容易發生故障的概率比電信終端更加頻繁，而且故障發生的情況比人與人通信的電信終端更為復雜。我們在物聯網應用的實地調研中發現，當終端發生故障，不能登錄到行業應用平臺時，行業應用的管理人員無法對故障進行定位，必須派人到現場查看，行業應用迫切需要有一種手段全面掌控終端的通信及運行狀態，以方便他們準確定位終端故障，實現對終端更加經濟、高效的操作、運維和管理。

本文通過對中國電信現有的M2M平臺進行擴展和改進，提出一種新的對M2M終端的通信狀態進行管控的方法，以彌補當前平臺不能監控終端通信狀態的缺陷。M2M平臺的接口示意如圖3所示。

圖3 擴展的M2M平臺的接口示意

在傳統的無線/有線寬帶接入控制技術中，接入網關（如GPRS網絡的GGSN、CDMA網絡的PDSN、固定寬帶接入網絡網關BRAS/SR）跟AAA服務器配合實現M2M終端的接入認證、授權、計費功能以及終端的地址分配和管理，并根據不同的M2M應用需求執行不同級別的QoS控制。M2M終端接入網絡的通信狀態信息都記錄在AAA服務器上。對于無線終端，AAA服務器記錄的終端狀態信息包括：接入控制網關IP地址、接入控制網關的端口號、PCF地址、終端接入的基站ID、終端的用戶名、終端的Session ID、終端的IMSI/MDN號、終端IP地址、上線開始時間、下線時間、上下行流量、QoS參數、接入成功/失敗狀態、接入失敗原因、連接中斷原因等。對于有線終端，AAA服務器記錄的終端狀態信息包括：接入控制網關IP地址、接入控制網關的端口號、終端的用戶名、終端的Session ID、終端的PVC/VLAN號、終端IP地址、MAC地址、上線開始時間、下線時間、上下行流量、QoS參數、接入成功/失敗狀態、接入失敗原因、連接中斷原因等。這就使得AAA服務器能夠全面掌握M2M終端最新通信狀態信息。

如果能把AAA服務器上記錄的終端最新通信狀態同步到M2M平臺，平臺就能根據實時掌控終端的通信狀態信息來決定對終端的操作、維護和管理。平臺通過維護最新的終端通信狀態數據庫，把相應終端的通信狀態信息同步到行業用于系統，行業應用系統也可據此對終端的操作、維護和管理?；谶@種思想，在原M2M平臺上擴展與AAA服務器的接口M5，用于實現終端通信狀態信息的同步，通信承載協議可以采用RADIUS協議。來自M2M終端/網關經由接入控制網關的行業應用數據可以通過M2M平臺路由轉發，也可以直接發送到行業應用系統。M2M終端/網關即支持與M2M平臺的接口，也支持與行業應用系統的接口，M2M終端/網關即可接受M2M平臺的設備操作、維護和管理，也可接受行業應用系統的操作、維護和管理，兩者對終端的管控功能采取分工與合作的形式，具體情況可通過運營商和物聯網應用行業協商而定。根據這種方法，M2M終端/網關并不需要登錄到平臺，接受平臺的接入控制，平臺就能了解到終端接入網絡的通信狀況。從而簡化終端和平臺的通信復雜度，提升對終端的運維效率。

4 結束語

物聯網能夠使地球變得更加智慧，使人類的生活變得更加美好，但是物聯網的發展也將是一個漫長的過程。在影響物聯網產業鏈發展的各個環節中，電信運營商必將發揮重要作用。電信運營商通過規范行業應用終端，搭建M2M運營管理平臺，匯聚行業應用，推動物聯網業務的快速發展。M2M運營管理平臺是M2M系統架構的核心，是運營商掌控物聯網產業鏈的關鍵?？茖W合理的M2M平臺功能架構能匯聚更多的行業應用，增強企業自身品牌的影響力和盈利能力，同時也為行業應用創造更多的價值。M2M平臺功能架構沒有一成不變的模式，需要根據電信運營商網絡運營管理的特點，同時兼顧行業應用的普遍性和特殊性原則，在物聯網不同發展階段進行適時調整和改變。

1 ETSI TS 102689.Machine-to-machine communications(M2M).M2M Service Requirements,2010

2 3GPP TS 22.368.Service requirements for machine-type communications.2010

3 3GPP TR 22.888.System improvements for machine-type communications,2010

4 ETSI TS 102690.Machine-to-machine communications(M2M).Functional Architecture,2010,1

5 中國移動M2M平臺總體技術要求，2007

6 中國電信基于E.164尋址的無線M2M業務總體技術要求，2009