2024M2M通信適配技術(shù)

M2M通信適配技術(shù)專題：專題：智慧城市1 M2M通信與網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)作為智慧城市的關(guān)鍵技術(shù)之一，物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了物理空間和數(shù)字空間的映射，使得通過信息空間理解和控制物理空間成為可能。為適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的獨特需求，廣域M2M（machinetomachine）通信技術(shù)也在不斷演進(jìn)，LTE作為當(dāng)前及未來的主要移動通信技術(shù)，也在持續(xù)演進(jìn)，滿足M2M通信的需求。作為通信運營商切入物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的核心，與M2M通。GSMAIntelligence2014年2月的一份報告［1］統(tǒng)計，截至

2013年，全球無線M2M連接數(shù)已經(jīng)接近2億。在一些國家，M2M通道數(shù)量占總的移動通信用戶數(shù)的比例已經(jīng)超過了20%。M2M通信已經(jīng)逐漸成為移動通信網(wǎng)絡(luò)承載的重要業(yè)務(wù)之一。M2M通道連接數(shù)及部分國家M2M通道數(shù)占比如圖1所示。LTE，（humantohuman，H2H）的通信，無論是從業(yè)務(wù)信道設(shè)計、信令交互設(shè)計，還是容量和覆蓋規(guī)劃等多個層面，主要考慮的是前向流量，即以手機終端和上網(wǎng)卡為主的業(yè)務(wù)M2M通信中的大流量模式，例如實時流媒體視頻監(jiān)控應(yīng)用，對于移動通信網(wǎng)絡(luò)的需求主要體現(xiàn)在反向帶寬；而大（a）M2M通道連接數(shù) （b）部分國家M2M通道數(shù)占圖1M2M通道連接數(shù)及部分國家M2M通道數(shù)占比M2M終端的通信流量模式是以反向的小流量為主，擁有其鮮明的通信特征和業(yè)務(wù)特征。為更好地支持M2M通信M2M通信的需求，蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)逐漸引入一系列新的能力或功能。例如，3GPPMTC（machine-typecommunication信）需求的研究R10開始逐漸在已有LTE標(biāo)準(zhǔn)中加入支持M2M通信的功能，同時力圖提升LTEM2M通信的效率。3GPP22012年年底推出cdma20001xRevF版本，M2M進(jìn)行了協(xié)議優(yōu)化。M2M業(yè)務(wù)除了帶來新的通信特征之外，也帶來了新的業(yè)務(wù)特征。所謂業(yè)務(wù)特征，是指和底層的數(shù)據(jù)傳輸無關(guān)，而和業(yè)務(wù)運營及客戶服務(wù)相關(guān)的特征。例如，與手機通信B2B2x（B2B2B或B2B2C）類型的業(yè)務(wù)在通信運營商M2M業(yè)務(wù)中占比較高。面對M2M服務(wù)提供商和大客戶出于端到端業(yè)務(wù)全自動運M2M通信網(wǎng)M2M級工作之外M2M營商系統(tǒng)的適配工作。本文將從這兩個方面分別進(jìn)行分析和討論。M2M通信特征的適配技術(shù)3GPPTS22.368［］將2M通信稱為TC，并描述了MTC的業(yè)務(wù)場景及業(yè)務(wù)特征3GPP所定義的MTC的通信特征主要包括低移動性（lowmobility）、通信時間受控（timecontrolled）（timetolerant）（packetswitched（PS）-only）、小數(shù)據(jù)傳送（smalldatatransmission）、終端單向觸發(fā)（mobileoriginatedonly）通信場景模式、終端

觸發(fā)為主平臺偶爾觸發(fā)（infrequentmobileterminated）場景模式、終端監(jiān)控（MTCmonitoring）、優(yōu)先報警（priorityalarm）（secureconnection）（locationspecifictrigger）、（infrequenttransmission）以及群組通信（groupbasedMTCfeature）等。3GPP的相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)制訂工作3GPP從R10開始，以上述研究為基礎(chǔ)，陸續(xù)啟動了相關(guān)支持M2M通信特征的功能和協(xié)議的研究制定工作。R10完成了信令擁塞及過載控制相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化。R11進(jìn)行了編址和標(biāo)識、終端觸發(fā)機制以及PS-only終端的標(biāo)準(zhǔn)研究。R12針對小數(shù)據(jù)傳輸效率進(jìn)行優(yōu)化、增強監(jiān)控能力、實現(xiàn)基于組的策略管理、編址、觸發(fā)和計費以及降低終端耗電等。3GPP2的相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)制訂工作3GPP22012年年底推出cdma20001xRevF版本，M2M進(jìn)行了協(xié)議優(yōu)化，希望簡化M2M通信相關(guān)的信，降低終端的耗電量除了協(xié)議的整體優(yōu)化外新的版本M2M終端的通信和其他終端的通信。例如cdma20001x網(wǎng)絡(luò)里將M2M終端的訪ACCOLC14（ACCOLC值13～15中分配）。協(xié)議的主要優(yōu)化內(nèi)容包括：M2M終端優(yōu)先級控制；信道分配流程中使用單條消息快速建立數(shù)據(jù)連接、降低模塊功耗；改進(jìn)發(fā)送數(shù)據(jù)時的信道使用方式，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)增容和模塊功耗降低；45 簡化信令機制，降低信令流量，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)增容和模塊功耗降低；實現(xiàn)基于R-EACH的DoS（denialofservice，拒絕服務(wù)）機制，實現(xiàn)快速接入和數(shù)據(jù)快速發(fā)送。如何適配不同M2M終端的不同通信模式M2M通信的承載技術(shù)的處理難點之一在于不M2MM2M3GPPTS22.368中就明確描述了終端單向觸發(fā)通信模式和終端觸發(fā)為主平臺偶爾觸發(fā)通信模式網(wǎng)絡(luò)如何區(qū)分這些不同的通信模式，從而能夠采取不同的承載方式？存在兩種思路。一種是為每種特征建立標(biāo)簽，事先作為用戶簽約數(shù)據(jù)的一部分存儲在HLR／HSS（歸屬位置寄存器／歸屬用戶服務(wù)器）中；另一種思路是終端側(cè)配置標(biāo)簽的值，在終端附著時通知到網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)實體，并在后續(xù)切換等操作時，通過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的信息同步機制維護網(wǎng)絡(luò)相關(guān)實體和終端側(cè)關(guān)于此參數(shù)的一致性。兩種方法各有其優(yōu)勢，簽約數(shù)據(jù)法沿用了傳統(tǒng)的“中央控制”模式，而終端配置法則體現(xiàn)了“分散控制”的思路。筆者認(rèn)為在以中央控制模式為主的基礎(chǔ)上，適當(dāng)引入分散控制有助于降低業(yè)務(wù)開通復(fù)雜度和簽約數(shù)據(jù)管理復(fù)雜度也能通過用戶的參與讓網(wǎng)絡(luò)的使用能夠根據(jù)不同M2M應(yīng)用的特點盡可能地接近最優(yōu)。下面以一個簡單的例子進(jìn)行進(jìn)一步的說明。對于一些只是執(zhí)行普通數(shù)據(jù)采集，不進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作，且數(shù)據(jù)采集的時效性要求不高的M2M終端，實際采用較低的尋呼周期就可以了。采用較低的尋呼周期的好處之一是能夠降低終端的功耗，實現(xiàn)終端省電的目標(biāo)。尋呼算法中，終端的實際尋呼周期由下述計算式確定：T=min（T，T）。其中，Tc是小區(qū)特定的默認(rèn)尋呼周期，由網(wǎng)絡(luò)通過廣播消息發(fā)送UESIB2PCCH-Config中的尋呼消息（pagingmessage）RRC（radioresourcecontrol，無線資源控制）配置的defaultpagingcycle（即Tc）；TE是UE特定尋呼周期，是UE在附著（attach）過程中的附著請求中攜帶，傳輸給核心網(wǎng)MME（mobilemanagemententity理實體）MMEeNBUEDRX周期的值。終端和基站都是根據(jù)T=min（T，T）確定實際尋呼周期T的大小。一般情況下，Tc一般較短。因此，即使終端側(cè)配置的TUE值較高，生效的也是Tc。為應(yīng)對M2M終端的不同通信模式對較優(yōu)尋呼周期的需求，可以考慮如下思路：在終端實際尋呼周期協(xié)商流程

中增加參數(shù)“尋呼周期確定模式”進(jìn)行算法協(xié)商，由此參數(shù)通知終端和網(wǎng)絡(luò)采用何種方法確定終端實際尋呼周期終端和網(wǎng)絡(luò)采用新的算法分別確定終端的實際尋呼周期對于強調(diào)省電的M2M終端，在終端側(cè)設(shè)置較大的“終端特定尋呼周期”值，同時設(shè)置“尋呼周期確定模式”指示采用兩個值中的較大值，經(jīng)過終端接入網(wǎng)絡(luò)時的協(xié)商，最終網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)都對這個終端使用“終端特定尋呼周期”和“網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)尋呼周期”兩者之中的較大值。由于“網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)尋呼周期”一般設(shè)置得較小，因而實際生效參數(shù)是“終端特定尋呼周期”值。而對于普通手機，終端側(cè)設(shè)置較小的“終端特定尋呼周期”值，同時設(shè)置“尋呼周期確定模式”指示采用兩個值中的較小值，經(jīng)過終端接入網(wǎng)絡(luò)時的協(xié)商，最終網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)都對這個終端使用“終端特定尋呼周期”和“網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)尋呼周期”兩者之中的較小值，滿足普通手機快速呼通的需求。采用上述機制后，可以讓客戶／SI（systemintegrator，系統(tǒng)集成商）等根據(jù)實際業(yè)務(wù)需要在終端側(cè)進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)配置（配置“終端特定尋呼周期”和“尋呼周期確定模式”），讓不同終端采取各自不同的尋呼周期，并可以由客戶／SI等自行調(diào)整。這避免了由網(wǎng)絡(luò)側(cè)操作人員對不同終端／SIM卡逐一配置簽約參數(shù)所導(dǎo)致的管理復(fù)雜性。更重要的是，只有客戶／SI才能知道當(dāng)前M2M終端所加載的應(yīng)用采用多長的尋呼周期較為合適?？蛻簦疭I可以在無需運營商維護人員的參與下，自行更新參數(shù)，尋找合適的尋呼周期，在實現(xiàn)終端省電目標(biāo)的同時，也能夠提高網(wǎng)絡(luò)的承載效率。同時，終端如果更換SIM卡，相應(yīng)的參數(shù)仍然存在終端側(cè)，仍能保持既有的效果。2.4M2M通信的兩種網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)思路對于通信網(wǎng)絡(luò)承載M2M通信的演進(jìn)趨勢，在筆者2010年的文章［3］中曾經(jīng)提出過一個三階段發(fā)展論。即在機器通信業(yè)務(wù)規(guī)模化發(fā)展的前景下，移動通信網(wǎng)絡(luò)承載機器通信的演進(jìn)趨勢可以劃分為3個階段：混同承載階段、區(qū)別承載階段以及遠(yuǎn)期的獨立承載階段，如圖2所示。圖2 移動通信網(wǎng)絡(luò)承載機器通信的3個發(fā)展階段業(yè)務(wù)發(fā)展初期，通信網(wǎng)絡(luò)采用混同承載方式。在混同承載階段，通信網(wǎng)絡(luò)沒有將機器通信和上網(wǎng)卡等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)區(qū)分開來。這些不同類型的通信業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)采用同一種模式進(jìn)行承載。隨著機器通信業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展、業(yè)務(wù)規(guī)模的不斷增加，逐漸對包括碼號資源、傳輸信道資源等在內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)資源造成了較大的壓力為了避免這種壓力對整個通信網(wǎng)絡(luò)造成大的負(fù)面影響，必須在網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行相應(yīng)的改造來實現(xiàn)區(qū)別承載。通信網(wǎng)絡(luò)將M2M通信從其他通信中識別出來后，在協(xié)議等層面進(jìn)行區(qū)分處理這就進(jìn)入了區(qū)別承載階段當(dāng)機器通信業(yè)務(wù)規(guī)模繼續(xù)擴大，和其他共享通信信道的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)之間出現(xiàn)較大的互干擾問題，單純從技術(shù)手段解決可能過于復(fù)雜另外，可能出現(xiàn)大量對通SLA（servicelevelagreement，服務(wù)等級協(xié)議）要求較高的機器通信業(yè)務(wù)。這些因素導(dǎo)致可能需要采用物理或邏輯隔離的網(wǎng)絡(luò)承載部分機器通信業(yè)務(wù)。這可能包含了物理或邏輯獨立的接入網(wǎng)以及核心網(wǎng)中專設(shè)的互聯(lián)子網(wǎng)，也就形成了對于機器通信的獨立承載。無論是3GPP（R10～R12）3GPP2，目前針對M2M通信需求的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和改進(jìn)思路基本采取了兩個策略要么是協(xié)議本身某種能力的整體提升，M2M通信的需求，也能夠提升對非M2M通信的支持；M2M通信和其他通信區(qū)分出來，然后針對M2M通信的需求在通信協(xié)議上進(jìn)行針對性的有別于非M2M通信的處理。后者體現(xiàn)了在同一網(wǎng)絡(luò)和同一協(xié)議基礎(chǔ)上的“區(qū)別承載”策略。區(qū)別承載策略能夠有效地復(fù)用已有基礎(chǔ)設(shè)施和協(xié)議體系的成果，能夠提升現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)對于M2M通信的普遍支持程度。但同時也面臨著一些問題。例如，LTE網(wǎng)絡(luò)本身的設(shè)計目的之一就是為了大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)的傳輸，承載大量M2M通信小數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑拝f(xié)議的承載效率不夠理想M2M通信模塊在LTE現(xiàn)有體系下，功耗仍然較高；LTE的復(fù)雜通信機制導(dǎo)致M2M模塊的成本較高等。針對這些問題，目前業(yè)界已經(jīng)開始出現(xiàn)一些新的提議，即復(fù)用通信運營商的大部分蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施及頻段，在已有頻段中使用一些單獨的載波來承載M2M通信在這些單獨的載波上，使用新的專門為小流量M2M通信優(yōu)化過的空口協(xié)議通過這種方式，既能夠復(fù)用通信運營商的大部分已有基礎(chǔ)設(shè)施，又能有針對性地滿足M2M通信低功耗和海量接入等要求，同時能夠很好地提高協(xié)議的承載效率，M2M終端低成本接入的要求。上述方案體現(xiàn)的就是一種“獨立承載”的思路。M2M業(yè)務(wù)特征的適配技術(shù)M2M業(yè)務(wù)除了給蜂窩網(wǎng)帶來了新的通信特征之外，還帶來了新的業(yè)務(wù)特征。這些新的業(yè)務(wù)特征同樣需要運營商的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行功能升級，以保證這些M2M業(yè)務(wù)的順利運行。這里提及的“網(wǎng)絡(luò)”既包含傳統(tǒng)意義上的網(wǎng)絡(luò)概

念，也包含支撐系統(tǒng)部分。下面分別從針對B2B2x業(yè)務(wù)模式的適配技術(shù)和針對設(shè)備全球化部署模式的適配技術(shù)兩個方面進(jìn)行分析和討論。B2B2x業(yè)務(wù)模式的適配技術(shù)就此問題，先從3GPP支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的移動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)增強說起。3GPP完成針對MTC需求的階段分析后，針對PS-only終端和外部實體激活終端等需求，總結(jié)形成了如圖3所示的架構(gòu)［4，5］。3GPP專門定義了MTC交互功能模塊（MTCinterworkingfunction，MTC-IWF）、MTCAAA服務(wù)器和業(yè)務(wù)能力服務(wù)器（servicecapabilityserver，SCS）。MTCAAA服務(wù)器的主要目的是為了解決外部標(biāo)識符（externalidentifier，EI）和IMSI之間的映射關(guān)系的維護和查詢SCS是連接3GPP網(wǎng)絡(luò)和各個MTC應(yīng)用服務(wù)器的實體SCS向這些實體開放能力。MTC交互功能模塊的主要功能包括：SCSSCS發(fā)出的操作請求進(jìn)行認(rèn)證鑒權(quán)；SCS發(fā)起的終端激活操作；建立和SCS的安全連接。MTC交互功能模塊可以是獨立實體，或者是其他網(wǎng)元的一個模塊，其主要作用在于對外屏蔽內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，并通過Tsp接口向SCS提供信息以及響應(yīng)SCS請求，觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)操作。SCS可以由通信運營商構(gòu)建，也可以由M2M水平服務(wù)提供商構(gòu)建。結(jié)合目前正在制定的OneM2M標(biāo)準(zhǔn)分析，其基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點（infrastructurenode）就可以成為某種SCS。3GPPPS-only映射及終端激活操作并認(rèn)為提供的功能不僅僅是滿足普通意義上的MTC，因而將相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)名稱定義為“促進(jìn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用之間通信的架構(gòu)增強”。進(jìn)一步來看，通信運營商開展M2M業(yè)務(wù)，除了傳統(tǒng)的直銷模式之外，往往需要倚重大客戶、M2M服務(wù)提供商和MNVO等“企業(yè)客戶”發(fā)展M2M通道數(shù)量。通信運營商通過和這些企業(yè)客戶的合作，形成了B2B2C或B2B2B兩種業(yè)務(wù)開展模式。中國電信和安吉星合作的On-Star車載信息服務(wù)屬于B2B2C案例；而B2B2B的典型案例則是通信運營商為一些智能裝備供應(yīng)商的遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)測和維護服務(wù)提供通信服務(wù)。將上述兩種模式統(tǒng)稱為B2B2x模式。在B2B2x模式下，通信運營商服務(wù)的是大眾客戶或為其他企業(yè)提供M2M應(yīng)用服務(wù)（以下簡稱為M2M服務(wù)）的M2M應(yīng)用服務(wù)提供商（以下簡稱M2M服務(wù)商）。通信服務(wù)是這些M2M服務(wù)商向其用戶提供M2M服務(wù)的基礎(chǔ)條件，圖33GPP的MTC通信架構(gòu)也往往由他們向通信運營商直接采購，將通信服務(wù)作為服務(wù)的重要組成部分嵌入其提供的M2M服務(wù)中。在這種模式下，除了一些諸如VPN、流量隔離等傳統(tǒng)的通信需求之外，新的需求開始出現(xiàn)。M2M服務(wù)商作為服務(wù)運營者，也面臨著服務(wù)開通、服務(wù)計量和服務(wù)保障這三大業(yè)務(wù)管理功能。M2M服務(wù)商向其用戶提供的是完整的M2M服務(wù)，而將通信服務(wù)作為M2M服務(wù)的后臺組成部分。因此，出于向其用戶提供靈活便捷的服務(wù)的需要，M2M服務(wù)商也要求通信運營商向其提供通信服務(wù)的靈活便捷的服務(wù)。具體來說，就是需要通信運營商通過門戶系統(tǒng)向M2M服務(wù)商提供自助門戶，通過API開放使得M2M服務(wù)商應(yīng)用系統(tǒng)能夠集成通信通道管控能力，滿足M2M服務(wù)商對于通信管道的全自動即時管控需求。尤其在服務(wù)開通和服務(wù)保障功能方面，M2M服務(wù)商的主要訴求如下。即時的業(yè)務(wù)開通：SIM卡狀態(tài)的管理完成對SIM卡的激活、停用等操作，并即時生效；套餐的自主設(shè)置等。靈活的計費賬務(wù)：按照客戶的要求提供集中的計費賬務(wù)處理功能。

通道使用狀態(tài)信息即時查詢：提供終端附著網(wǎng)絡(luò)、下線、PS域連接、IP地址、流量、位置等信息用于診斷分析和策略管控。遠(yuǎn)程喚醒終端：滿足應(yīng)用主動發(fā)起對終端通信的需求。遠(yuǎn)程終端管理。在上述基礎(chǔ)訴求的基礎(chǔ)上，還可以派生出其他一些訴求，如基于流量門限的報警。從這些功能看，M2M服務(wù)商需要通信運營商提供“可管理的M2M通道”，可以實現(xiàn)對于通信管道的即時管控。同時，隨著通信運營商針對M2M通信的管道能力提升工作的開展，“可管理的M2M通道”的內(nèi)涵不斷擴展。通信運營商為滿足M2M服務(wù)商的上述訴求，需要對網(wǎng)元和支撐系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的改造。這種改造，在最初的層面可能涉及信息的獲取，后續(xù)可能涉及功能或業(yè)務(wù)邏輯的改造。前者只是對這些網(wǎng)元或支撐系統(tǒng)改造接口而已，后者則可能需要對網(wǎng)元或支撐系統(tǒng)本身進(jìn)行改造為了快速搭建平臺和提供相應(yīng)功能，初期可能選擇不對網(wǎng)元進(jìn)行改造或進(jìn)行少量改造，也可以從信令采集系統(tǒng)獲取涉及網(wǎng)元提供的一些信息為降低對大網(wǎng)的影響以及探索新的能力的構(gòu)建，可以考慮采用設(shè)置獨立的M2M專用核心網(wǎng)網(wǎng)元的方法來避免對大量大網(wǎng)設(shè)備的改造。針對設(shè)備全球化部署的適配技術(shù)M2M業(yè)務(wù)領(lǐng)域，兩個因素導(dǎo)致了一種針對新的全球化部署而提出的適配技術(shù)的出現(xiàn)第一個因素出現(xiàn)了和M2M終端形成機卡合一關(guān)系的SIM卡如嵌入式SIM，即eSIM。第二個因素，智能設(shè)備廠商提出了一點生產(chǎn)、全球部署情況下使用本地資費套餐的需求。前者的出現(xiàn)，是因為部M2MM2M終端以及其使用的SIM卡在生產(chǎn)時就被預(yù)裝到智能設(shè)備中。在整個設(shè)備生命周期中，SIM卡是不可更換的（為提高環(huán)境適應(yīng)性，這些SIM卡往往采用貼片模式，直接焊接在通信模塊中）。后者則是業(yè)務(wù)全球化背景下，全球化設(shè)備廠商希望降低M2M服務(wù)成本的結(jié)果。上述兩個因素導(dǎo)致