3 M2M業(yè)務(wù)對現(xiàn)網(wǎng)架構(gòu)的影響

　　從對現(xiàn)網(wǎng)架構(gòu)的影響來說，M2M業(yè)務(wù)可以分為兩類：A類是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不能滿足需要網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的業(yè)務(wù)，這類業(yè)務(wù)需要過載控制功能來避免網(wǎng)絡(luò)過載，以及針對客戶的業(yè)務(wù)需求提供差別化的服務(wù);B類是對于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)影響較小的業(yè)務(wù)，這類業(yè)務(wù)是對時效性要求不高的MTC業(yè)務(wù)，而且這些業(yè)務(wù)和現(xiàn)在的移動網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)有類似的需求。從整體來說，M2M業(yè)務(wù)中大部分是A類業(yè)務(wù)，以下分析的是A類業(yè)務(wù)對現(xiàn)網(wǎng)架構(gòu)的影響[3]。

　　M2M業(yè)務(wù)的多樣性、差異化，網(wǎng)絡(luò)的多種接入方式，M2M終端的海量性、差異化，以及M2M業(yè)務(wù)表現(xiàn)出來的傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)所不具有的各種特點，都對現(xiàn)網(wǎng)架構(gòu)和網(wǎng)元設(shè)備產(chǎn)生了很大影響，其直接后果是現(xiàn)網(wǎng)的核心網(wǎng)元如HLR/PCRF/GGSN的能力已經(jīng)不能滿足M2M業(yè)務(wù)所帶來的信令、流量沖擊和業(yè)務(wù)控制需求，主要體現(xiàn)在以下方面：

　　(1)由于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的特殊性，可能會產(chǎn)生瞬時大量的信令，會對無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵信令控制設(shè)備(STP/HLR/PCRF)造成影響而導致全網(wǎng)的癱瘓。因此，一方面要大規(guī)模提高相關(guān)信令控制設(shè)備的容量或設(shè)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(guān)鍵信令控制和處理設(shè)備要具備一定的設(shè)備過載保護機制以及高容災、高流控能力，避免關(guān)鍵網(wǎng)元的過載，從而有效提升整網(wǎng)的可靠性。

　　(2)由于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的特殊性，其接入方式的多樣性，涉及行業(yè)及用戶和設(shè)備的多樣性、海量性，因此需要對用戶數(shù)據(jù)管理HLR網(wǎng)元進行相應(yīng)增強，包括其數(shù)據(jù)庫的可擴展性和靈活性，除了標準的用戶簽約信息，還有設(shè)備序列號、設(shè)備驅(qū)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(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進行鑒權(quán);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(shè)備基本狀態(tài)的查詢，能通過網(wǎng)絡(luò)側(cè)下發(fā)終端“蘇醒”請求，發(fā)現(xiàn)設(shè)備被盜時能夠立刻鎖死等。

　　(3)由于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的特殊性及多樣性、群組性，因此有必要對業(yè)務(wù)進行區(qū)分，包括業(yè)務(wù)分類分級、QoS分級、用戶分組、設(shè)備分組，從而進行流量管理和業(yè)務(wù)管理，根據(jù)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(xiàn)網(wǎng)PCC架構(gòu)中疊加物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)用戶，而且物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的瞬時爆發(fā)性會影響現(xiàn)網(wǎng)PCC架構(gòu)，所以有必要設(shè)置專用的物聯(lián)網(wǎng)M2M PCRF。

　　總之，需要對相關(guān)網(wǎng)元進行能力的增強和升級，可以改造現(xiàn)有相關(guān)網(wǎng)元，也可以設(shè)置M2M的專用網(wǎng)元疊加在現(xiàn)有H2H網(wǎng)絡(luò)上來解決相應(yīng)問題。

　　4 國際標準組織提出的M2M網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[4]。

　　根據(jù)ITU-T發(fā)布的定義，物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)主要可劃分為三個層面：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。如圖1所示，該架構(gòu)基本達成業(yè)界共識，但是其體系架構(gòu)過于抽象屬于概念模型，在轉(zhuǎn)化為技術(shù)實現(xiàn)的過程中還需要細化。

　　在ITU-T物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，ETSI提出了一種可看作邏輯模型的M2M應(yīng)用頂層架構(gòu)[5]。如圖2所示，ETSI把M2M體系架構(gòu)劃分為M2M設(shè)備及網(wǎng)關(guān)和M2M網(wǎng)絡(luò)兩個大域。M2M設(shè)備及網(wǎng)關(guān)域包括M2M設(shè)備、M2M網(wǎng)關(guān)和M2M局域網(wǎng)，可以基于現(xiàn)有的各類標準實現(xiàn);M2M網(wǎng)絡(luò)域則包括廣域網(wǎng)和M2M應(yīng)用系統(tǒng)。

　　相較于ITU的概念模型，ETSI的邏輯模型側(cè)重于M2M服務(wù)能力層，通過對服務(wù)能力和接口的定義來實現(xiàn)屏蔽網(wǎng)絡(luò)細節(jié)的M2M應(yīng)用、M2M服務(wù)能力及網(wǎng)絡(luò)三者之間的相互調(diào)用，可供在研究平臺和網(wǎng)關(guān)設(shè)備功能及接口時參考。

　　在ETSI的體系架構(gòu)基礎(chǔ)上，3GPP也提出了一種支持MTC應(yīng)用的通信架構(gòu)。如圖3所示，涉及到的實體包括MTC終端、承載網(wǎng)絡(luò)、MTC服務(wù)器和MTC應(yīng)用。其中，MTC服務(wù)器是MTC業(yè)務(wù)的管理平臺;MTC應(yīng)用負責業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)。承載M2M通信的移動網(wǎng)絡(luò)包括GPRS、EPC以及短消息和IMS網(wǎng)絡(luò)。

　　3GPP提出的MTC通信架構(gòu)側(cè)重于M2M網(wǎng)絡(luò)層，對M2M網(wǎng)絡(luò)中各通信網(wǎng)元的功能和接口進行了定義，其適用于研究MTC業(yè)務(wù)的管理平臺以及M2M核心網(wǎng)絡(luò)的功能和接口時參考。

　　以上標準組織雖然都提出了M2M的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，但是有其局限性。ITU和ETSI的架構(gòu)過于框架性，對于實際的網(wǎng)絡(luò)部署沒有較好的指導意義;3GPP雖然對于網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元功能增強有一定的研究，但是由于目前部署的H2H網(wǎng)絡(luò)大多處于R7或R8版本，而MTC網(wǎng)絡(luò)體系的研究是在R10以上版本的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進行的。因此，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中按照標準來部署MTC網(wǎng)絡(luò)還為時尚早，需要研究一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)既具有在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上投資和部署的可行性，又能滿足現(xiàn)階段MTC業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求。

　　5 3G網(wǎng)絡(luò)階段的M2M網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　在現(xiàn)有的3G網(wǎng)絡(luò)階段，為解決發(fā)展M2M業(yè)務(wù)面臨的網(wǎng)絡(luò)運營和網(wǎng)絡(luò)資源問題，運營商可以通過采用物理上隔離的網(wǎng)絡(luò)來單獨承載機器通信業(yè)務(wù)，在初期可以通過核心網(wǎng)中專設(shè)的網(wǎng)元實現(xiàn)業(yè)務(wù)的隔離，在后期演進也可以延伸到采用專用的接入網(wǎng)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的接入隔離。此外，物聯(lián)網(wǎng)管理平臺也是物聯(lián)網(wǎng)解決方案中必不可少的組成部分。物聯(lián)網(wǎng)管理平臺與物聯(lián)網(wǎng)獨立網(wǎng)元配合，在物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展的初期階段主要實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)獨立碼號集中管理和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)有效管控等功能。隨著物聯(lián)網(wǎng)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(wù)流程，并開放更多資源及能力?？梢愿鶕?jù)M2M業(yè)務(wù)的特性，實現(xiàn)基于位置、時間段、接入類型的QoS控制和相應(yīng)的計費策略;還可以根據(jù)用戶的屬性及行為進行相應(yīng)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(xiàn)在核心網(wǎng)中PCRF/SPR/M2MSP的功能實現(xiàn)。綜上所述，在3G發(fā)展階段，M2M網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特征具體體現(xiàn)在以下四個方面：

　　(1)在無線接入側(cè)對Wi-Fi、2G、3G、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等多種方式的整合，實現(xiàn)移動通信網(wǎng)絡(luò)對行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的廣覆蓋，構(gòu)建面向行業(yè)的M2M移動網(wǎng)絡(luò)。

　　(2)在核心側(cè)構(gòu)建M2M專用的HLR、GGSN、SMSC等網(wǎng)元，實現(xiàn)對M2M等物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的集中運維和管理，并能夠?qū)崿F(xiàn)與“現(xiàn)網(wǎng)”的有效隔離，有利于網(wǎng)絡(luò)的安全、穩(wěn)定、擴容及升級。