M2M應用背景下移動網(wǎng)網(wǎng)絡架構研究

孫成虎 北京電信規(guī)劃設計院有限公司工程師

陳艷敏 北京電信規(guī)劃設計院有限公司工程師

M2M應用背景下移動網(wǎng)網(wǎng)絡架構研究

孫成虎 北京電信規(guī)劃設計院有限公司工程師

陳艷敏 北京電信規(guī)劃設計院有限公司工程師

通過M2M業(yè)務特性，M2M應用背景下運營商的贏利模式以及對網(wǎng)絡的要求為出發(fā)點，結合M2M標準化成果和國內外運營商經(jīng)驗，提出M2M的整體網(wǎng)絡架構，并對M2M核心網(wǎng)絡與周邊系統(tǒng)的集成關系進行分析總結。

M2M應用 M2M網(wǎng)絡架構 HLR SGSN GGSN PCRF

1 引言

M2M（Machine toMachine）是現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)最普遍的應用形式；國際標準對M2M應用整體架構已形成共識，分為終端感知層、網(wǎng)絡連接層、業(yè)務能力層和應用服務層，各層間通過標準API進行能力調用。

M2M的發(fā)展契合了運營商轉型的需求，國內外主流運營商作為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的積極響應者，紛紛開始積極布局M2M網(wǎng)絡。目前，國內外運營商M2M網(wǎng)絡側多采用和H2H核心網(wǎng)部分網(wǎng)元共享的部署形式，M2M平臺方面根據(jù)不同應用商用模式的差異，多通過自建或合作的方式建設獨立支撐平臺的部署方式。

電信運營商在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)從啟動期逐步演變?yōu)楦偁幮园l(fā)展格局的過程中，如何構建M2M網(wǎng)絡架構，同時能依托現(xiàn)有龐大的網(wǎng)絡規(guī)模和網(wǎng)絡覆蓋范圍，廣泛的用戶基礎，強大的計費平臺，長期以來和設備商、軟件商、系統(tǒng)集成商等緊急的合作，在整個物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中保持優(yōu)勢是當前M2M應用背景下的一個重要課題。

2 M2M應用特性及商業(yè)模式分析

M2M網(wǎng)絡架構的設計，需要以網(wǎng)絡所承載的具體業(yè)務為出發(fā)點，需要充分分析M2M業(yè)務特征和需求，M2M應用分類歸納為6類應用組成，各類M2M應用特性如表1所示。

表1 M2M應用分類及特性分析

可以看出，對比傳統(tǒng)移動業(yè)務，M2M應用突出的特點是：M2M業(yè)務豐富且應用場景具有較大差異性，以數(shù)據(jù)通信和小數(shù)據(jù)量傳輸為主，尖峰數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)持續(xù)性、終端移動性等均具有較大差異；M2M應用終端數(shù)量龐大，多不需要人的參與，主要面向行業(yè)用戶，單一終端對應業(yè)務專一化主要專注于某一行業(yè)應用；M2M應用對運營商網(wǎng)絡建設提出了新的要求。

圖1 MTC監(jiān)測方案分析示意圖

3 M2M核心網(wǎng)絡架構研究

3.1 構建M2M網(wǎng)絡架構需求分析

相對傳統(tǒng)移動業(yè)務，M2M應用及商業(yè)模式具體落實中，對網(wǎng)絡部署及資源需求提出如下特殊要求：

●終端監(jiān)測方面：如何監(jiān)測M2M終端行為特性是否符合簽約內容？如何監(jiān)測M2M終端被非正常入侵或移動？如何檢測M2M終端鏈路的故障？

●低移動性：如何降低不移動或很少移動的設備對系統(tǒng)資源的占用？

●群組性：如何實現(xiàn)對于群組類型的用戶和業(yè)務進行管理、控制與計費？

●時段控制：對于只在規(guī)定時間有數(shù)據(jù)傳送要求的業(yè)務，如何降低其在不傳送數(shù)據(jù)期間對系統(tǒng)資源的占用？如何在系統(tǒng)負荷重時，延時傳送對實時性要求不高的業(yè)務數(shù)據(jù)以降低對系統(tǒng)的沖擊？

針對上述特殊要求，具體網(wǎng)絡層面對各網(wǎng)元功能需求及解決方案如下：

（1）MTC監(jiān)測需求及方案分析（見圖1）

●基于M2M業(yè)務類型，簽約是否啟用終端狀態(tài)和位置實時監(jiān)控，對于簽約了實時監(jiān)控的Machine，PCRF指示GGSN啟用位置變更和狀態(tài)上報。

●GGSN在PDP激活或者PDP更新響應中指示SGSN位置變更通知。

●GGSN收到SGSN的控制面消息后，通過Radius接口通知M2M業(yè)務平臺、當前Machine的位置和狀態(tài)信息，或者通過PCRF向M2M管理平臺上報用戶信息。

（2）低移動性需求及方案分析（見圖2）

低移動性是運營商可定制的簽約特性，當終端屬于低移動類時，HLR簽約時明確其是否移動、移動的范圍、移動的頻率；運營商能夠按照組、用戶的粒度定義不同的低移動性特性。

●終端接入時HLR將用戶簽約的移動性數(shù)據(jù)下發(fā)給SGSN/MME。

●SGSN對于2G/3G用戶通過Cell列表限制終端的移動范圍，MME對于LTE終端通過簽約TALIST來實現(xiàn)對終端低移動性的控制，終端超越允許接入范圍或進入限制區(qū)域，網(wǎng)絡拒絕其請求。

●SGSN/MME實現(xiàn)基于用戶組獨立配置周期性路由更新定時器時長，降低低移動性用戶周期性路由更新的頻次，減少系統(tǒng)的信令開銷。

PCRF/SPR簽約M2M用戶的移動特性和位置列表：

●用戶激活時SGSN將用戶的位置信息攜帶給GGSN，GGSN將位置信息作為輸入向PCRF獲取策略，PCRF基于SPR的簽約決定M2M用戶在該位置是否準許接入，如果不允許，則通知GGSN拒絕M2M用戶激活，若允許用戶激活，GGSN在響應中通知SGSN后續(xù)用戶位置更新時需要上報GGSN用戶的位置信息。

●當用戶位置信息發(fā)生改變時，SGSN通知GGSN，GGSN通知PCRF，PCRF可以更新M2M用戶的接入策略；GGSN還可以通過Radius消息將用戶的位置信息上報給M2M管理平臺。

（3）基于群組的管控需求及方案分析（見圖3）

基于HLR、SGSN：HLR靈活簽約用戶歸屬的組屬性，可以基于地域、簽約、用戶歸屬來組成不同的Group：

●用戶接入時，HLR在給SGSN的簽約信息中攜帶組標識。

●SGSN按組計費，產(chǎn)生組CDR，減少系統(tǒng)開銷，話單中體現(xiàn)Group ID。

●定義用戶/組的帶寬，超過組允許接入的最大比特率時拒絕用戶或組中其它組成員接入。

基于SPR/PCRF/GGSN：SPR靈活簽約用戶歸屬的組屬性，可以基于地域、簽約、用戶歸屬來組成不同的Group：

圖2 低移動性方案分析示意圖

圖3 基于群組的管控方案分析示意圖

●用戶激活時，GGSN從SPR/PCRF獲取基于組的計費或貸款等標識。

●GGSN按組計費，產(chǎn)生組CDR，減少系統(tǒng)開銷，話單中體現(xiàn)Group ID。

●GGSN根據(jù)用戶/組執(zhí)行帶寬控制，超過組允許接入的最大比特率時拒絕用戶或組中其它組成員接入。

（4）時段控制需求及方案分析（見圖4）

當終端應用類型對實時性要求不高時，簽約其允許接入的時間，由HLR/HSS下發(fā)給控制面SGSN/ MME：

●終端在非允許接入時段請求接入時，網(wǎng)絡拒絕其請求。

●在系統(tǒng)負荷重時，對于非實時性終端控制拒絕其請求并隨機下發(fā)延遲接入時間。

對于定時傳送數(shù)據(jù)的終端在不傳送數(shù)據(jù)的時段中采用低移動性的方案：

●當終端應用類型對實時性要求不高時，SPR簽約其允許接入的時間。

●終端在非允許接入時段PDP激活時，GGSN拒絕其請求。

（5）方案匯總及比對分析（見圖5）

根據(jù)上述分析總結，構建M2M核心網(wǎng)存在如下3種方案可能：

圖4 時段控制方案分析示意圖

圖5 方案比對分析示意圖

●方案1：M2M和H2H核心網(wǎng)全共享。

●方案2：M2M和H2H核心網(wǎng)部分網(wǎng)元共享，SGSN與H2H網(wǎng)絡共用。

●方案3：M2M核心網(wǎng)完全獨立新建。

如圖5所示，3種方案比對分析具體如下：

——方案1：全網(wǎng)現(xiàn)有設備需要升級和擴容，對現(xiàn)網(wǎng)影響較大，特別是對現(xiàn)有H2H的應用有影響；基于M2M的定制開發(fā)不靈活，開發(fā)周期長；網(wǎng)絡耦合度高，維護難度增大。

——方案2：可以滿足現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務要求；只部署GGSN、HLR、PCRF，共用H2H網(wǎng)絡SGSN網(wǎng)元，通過開放能力接口給物聯(lián)網(wǎng)平臺，可彌補H2H網(wǎng)絡中SGSN部分網(wǎng)絡優(yōu)化無法實施的問題。

——方案3：建設獨立的SGSN、GGSN、PCRF、HLR；可以方便地部署M2M核心網(wǎng)整體優(yōu)化機制，如M2M終端移動性管理優(yōu)化、時間控制等；該方案需要無線網(wǎng)絡進行升級，要求較高。

綜上所述，從保護現(xiàn)網(wǎng)H2H業(yè)務不受影響，且滿足未來M2M發(fā)展出發(fā)，同時保證最小成本業(yè)務隔離，充分利用現(xiàn)網(wǎng)資源統(tǒng)籌、網(wǎng)絡布局，建設合理、高效的網(wǎng)絡等方面考慮，M2M網(wǎng)絡架構部署建議采用方案2。

3.2 M2M網(wǎng)絡架構

根據(jù)上述構建M2M網(wǎng)絡架構需求分析及方案建議，結合國際標準及國內外運營商經(jīng)驗，M2M網(wǎng)絡架構由終端感知層、網(wǎng)絡連接層、業(yè)務能力層、應用服務層組成。

（1）終端感知層

共用H2H無線網(wǎng)，是一種在現(xiàn)網(wǎng)上邏輯疊加專用M2M核心網(wǎng)絡的架構。

（2）網(wǎng)絡連接層

具體MSC/VLR、MGW、SGSN基本可以滿足初期階段物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務需求，建議由現(xiàn)網(wǎng)H2H網(wǎng)元兼做；考慮到物聯(lián)網(wǎng)的碼號、功能擴展、業(yè)務類型、運維管理等與現(xiàn)網(wǎng)不同，建議單獨建設物聯(lián)網(wǎng)專屬網(wǎng)元，即M-HLR、M-GGSN、M-SMSC、M-PCRF。

（3）業(yè)務能力層

構建全網(wǎng)集中統(tǒng)一運營支撐管理平臺，與應用和終端松耦合，實現(xiàn)全網(wǎng)業(yè)務的統(tǒng)一運營、統(tǒng)一管控、統(tǒng)一受理、統(tǒng)一計費、統(tǒng)一結算等。具體建設獨立的M2M管控平、M2M業(yè)務網(wǎng)關、M2M BSS。

（4）應用服務層

聚焦客戶集中、需求集中、行業(yè)壁壘低的物聯(lián)網(wǎng)典型行業(yè)，重點發(fā)展規(guī)模較大、模式成熟的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，實現(xiàn)快速規(guī)?；，F(xiàn)階段構建以純通道產(chǎn)品為基礎，以智能通道產(chǎn)品為主打，集成應用產(chǎn)品為提升分層次的產(chǎn)品體系。

M2M網(wǎng)絡架構如圖6所示。

其中，主要網(wǎng)元的功能如下：

●專用HLR

圖6 M2M網(wǎng)絡架構圖

實現(xiàn)M2M專用碼號管理、專用號段管理，支持機器卡智能管道的機卡綁定、狀態(tài)獲取、位置獲取等特色功能。支持群組簽約數(shù)據(jù)能力；支持終端監(jiān)控（如位置監(jiān)控、IMEI監(jiān)控等）能力，支持某個時間段接入控制，支持擴展ID到MSISDN、IMSI的映射能力，支持終端特征簽約（如終端的低優(yōu)先級、是否為PSonly等），供SGSN控制UE的行為；支持多Profile的簽約，降低終端漫游時的資費，支持一卡多號和一號多卡的M2M業(yè)務。

●專用GGSN

提供M2M PS通道統(tǒng)一出口、統(tǒng)一計費，基于內容感知進行基于時間、位置、業(yè)務等維度的PCC策略調度執(zhí)行。需要增強支持基于群組流量統(tǒng)計、基于流的計費信息、QoS策略執(zhí)行和基于群的事件上報等。當大量的MTC設備同時發(fā)起數(shù)據(jù)和信令交互時，網(wǎng)絡能夠提供一種機制降低數(shù)據(jù)和信令的峰值；在過載的情況下，網(wǎng)絡應該能夠提供一個限制下行數(shù)據(jù)和信令的機制，也應該能夠提供一個限制接入特定APN的機制。

●專用PCRF

與物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務平臺對接，基于終端感知進行基于時間、位置、業(yè)務等維度的PCC策略控制，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)QoS管理和差異化管理；與業(yè)務支撐系統(tǒng)互通，實現(xiàn)客戶資料和業(yè)務訂購信息的管理。支持群組的策略數(shù)據(jù)動態(tài)下發(fā)GGSN/PCEF、更新和刪除，支持群組用戶的流量監(jiān)控。

●專用SMSC

避免與現(xiàn)有短信互通存在的一系列問題（如垃圾短信），物聯(lián)網(wǎng)專用SMSC，作為機器通信碼號的短消息服務中心，為機器提供一個封閉的短信空間。除了現(xiàn)有的短消息的功能外，需要支持短消息完成設備觸發(fā)的功能，支持在一號多卡的M2M業(yè)務中短消息的群發(fā)功能。

●M2M管控平臺

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的運營管理中心，提供物聯(lián)網(wǎng)管理運營的核心能力部件，負責終端資源管理、業(yè)務管理、能力管理、終端和業(yè)務平臺的QoS管理；通過對接核心網(wǎng)元、業(yè)務網(wǎng)關，獲得通信質量信息，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的服務支撐和高效運營，實現(xiàn)客戶的價值增值。

●M2M業(yè)務網(wǎng)關

實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用平臺和物聯(lián)網(wǎng)終端通信的橋梁，提供信息采集、接入、路由、協(xié)議轉換等服務。

●M2M BSS

部署獨立的M2M BSS，與M2M核心網(wǎng)對接，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品管理、服務開通、號卡資源管理、用戶信息管理、計費管理、綜合結算等功能，并逐步實現(xiàn)與B-BSS的對接。

3.3 M2M核心網(wǎng)絡對周邊網(wǎng)元的要求

●MSC：需對現(xiàn)網(wǎng)MSC配置物聯(lián)網(wǎng)IMSI、MSISDN號段。

●SGSN：需對現(xiàn)網(wǎng)SGSN配置物聯(lián)網(wǎng)IMSI、MSISDN、APN、GGSN地址信息。

●H/LSTP/DRA：需對現(xiàn)網(wǎng)H/LSTP/DRA配置物聯(lián)網(wǎng)新號段路由信息。

●DNS：需對省內DNS配置物聯(lián)網(wǎng)APN信息。

●網(wǎng)管：新建網(wǎng)元通過專業(yè)網(wǎng)管接入大區(qū)綜合網(wǎng)管，需綜合網(wǎng)管支撐。

4 結束語

本文對M2M業(yè)務特征及商業(yè)模式、M2M對網(wǎng)絡的特殊要求等方面進行分析，結合國際標準以及國內外運營商部署經(jīng)驗，提出了在現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡上部署具有可行性且滿足M2M業(yè)務應用需求的網(wǎng)絡架構，并針對該網(wǎng)絡架構對現(xiàn)網(wǎng)周邊系統(tǒng)提出了功能要求。后續(xù)將結合物聯(lián)網(wǎng)應用特點，建議在現(xiàn)有架構的基礎上優(yōu)化核心網(wǎng)業(yè)務流程與處理機制，最終打造一個H2H/M2M融合共存的自適應、開放式通訊網(wǎng)絡。但由于現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈上各環(huán)節(jié)發(fā)展不均衡，要實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)?；l(fā)展，需要廣電、電信、交通等各行業(yè)主管部門的合作與配合，產(chǎn)業(yè)鏈上各主體的合作需要一個多方共贏的模式，然而在各方利益機制尚未成型的背景下，物聯(lián)網(wǎng)的普及還有漫長的路要走。

1 馬書惠,田新雪,博格利.M2M移動通信網(wǎng)絡架構研究.移動通信.2012

2 王菁,薛海強,彭晉等.一種新型的分布式IMS實現(xiàn)方法.電信科學.2008,2

3 鄭欣.物聯(lián)網(wǎng)未來十類商業(yè)模式探析.移動通信.2011,7

4 周曉瓊.中國移動物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式研究.北京郵電大學碩士論文

2014-11-09）