物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展對移動核心網(wǎng)的需求

1、物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展對移動核心網(wǎng)的需求 近年來，M2M和物聯(lián)網(wǎng)成為運營商關(guān)注的熱點，基于 M2M和物聯(lián)網(wǎng)的 各種應(yīng)用為運營商帶來了新的利潤增長。本文重點分析了 M2M和物聯(lián) 網(wǎng)對運營商網(wǎng)絡(luò)尤其是核心網(wǎng)的影響和需求， 包括設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)負(fù) 荷、計費等方面。M2M和物聯(lián)網(wǎng)(IOT)應(yīng)用正逐漸崛起M2M是 Machine to Machine的簡稱，專指機(jī)器與機(jī)器間通信 的業(yè)務(wù)類型。物聯(lián)網(wǎng)(IOT： Internet of Things)則是指M2M在廣域網(wǎng)、特別是移動運營商網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用， 即以移動網(wǎng)絡(luò)運營商的無線 網(wǎng)絡(luò)為平臺，采用多種傳輸方式(CDMA/GSM/SMS)，通過特種行 業(yè)終端，服務(wù)于行業(yè)用戶機(jī)

2、器到機(jī)器的無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。M2M/IOT業(yè)務(wù)具有潛在的市場，地理分布廣泛，可以部署在 任何網(wǎng)絡(luò)可達(dá)的位置， 取代高成本的有人值守， 實現(xiàn)真正意義上的無 人值守，對于電力、水利、采油、采礦、環(huán)保、氣象、煙草、金融等 行業(yè)的信息采集意義巨大，有巨大的市場價值。對于廣泛分布的皿2曉端，采用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信是優(yōu)選方 案之一，現(xiàn)有的一些行業(yè)應(yīng)用，如遠(yuǎn)程抄表、水位監(jiān)控等，都是采用 GPR刪絡(luò)傳輸傳感器采集的數(shù)據(jù)信息。隨著 M2M應(yīng)用的發(fā)展，對無 線網(wǎng)絡(luò)存在著迫切的需求。M2M廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域M2M/I0T應(yīng)用范圍廣闊，可應(yīng)用與智能交通、遠(yuǎn)程醫(yī)療、監(jiān)控、智能電網(wǎng)、環(huán)境檢測、智能家居等多種場景，如圖1所示。工

3、rr衛(wèi)拿-型總忌 BSSVI tRwaV関圖1 M2M/IOT的應(yīng)用領(lǐng)域以智能交通為例，一個典型的智能交通系統(tǒng)由 GPS/GLONASS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、移動車載終端、無線網(wǎng)絡(luò)和ITS控制中心組成（見圖2）。圖2 M2M/IOT的智能交通應(yīng)用車載終端通過GPS模塊接收導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的測距信息，將車輛的經(jīng)度、緯度、速度、時間等信息傳給微控制器；通過視頻圖像設(shè)備采集車輛狀態(tài)信息；微控制器通過 GPRS模塊與ITS控制中心進(jìn)行雙向的信息交互，完成車輛監(jiān)控等功能。目前M2M應(yīng)用市場正進(jìn)入快速增長期，據(jù)Strategy Analyti cs預(yù)測：移動M2M市場規(guī)模在2014年將超過570億美元，這是一個 極具

4、潛力的新興市場，是無線通信行業(yè)應(yīng)用的一個藍(lán)海。M2M/IOT發(fā)展?fàn)顩r自從2002年在美國首次商用以來，M2M便以星火燎原之勢在 全球迅速蔓延。在國外， Verizon、AT&T Tele nor、NTT docomo等 紛紛推出了 M2M和IOT應(yīng)用。在國內(nèi)，在工業(yè)化和信息化融合以及尋 求市場新增點的雙重驅(qū)動下， 中國移動、 中國電信等運營商這幾年也 開始了排兵布陣。最近，中國政府將M2M和IOT相關(guān)產(chǎn)業(yè)正式納入國 家信息產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展十一五規(guī)劃及 2020 年中長期規(guī)劃綱要十一五 規(guī)劃重點扶持項目。M2M和IOT產(chǎn)業(yè)將為社會民生帶來的深遠(yuǎn)影響 已經(jīng)得到了政府的高度重視。M2M/IOT對移動核心

5、網(wǎng)的影響設(shè)備標(biāo)識資源現(xiàn)在H2H終端采用IMEI、IMSI、MSISDN IPv4地址作為設(shè)備 標(biāo)識的資源，以IMSI為例，IMSI號碼為15位，由3位MCCg家碼、 3位MNC網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識碼、9位設(shè)備標(biāo)識碼組成。其資源對于 H2H終端應(yīng) 該是足夠的，全球的手機(jī)用戶包括各類軟終端目前還遠(yuǎn)不到 10 億用 戶。但如果資源與M2M終端共用，就非常緊張。據(jù)預(yù)測，M2M終端在 未來將是H2H終端的5到10倍，如此龐大的數(shù)量采用現(xiàn)有的資源肯 定是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。MTC（Machine Type Communication ，機(jī)器類型通信）設(shè)備標(biāo) 識應(yīng)能唯一標(biāo)識一個 M2M終端，可采用IMSI、MSISDN IPa

6、ddr、IM PU/IMPI等。隨著M2M應(yīng)用日益廣泛，設(shè)備標(biāo)識資源短缺問題必將日 益突出，國際各標(biāo)準(zhǔn)組織如ITU、3GPP也在積極尋求解決方案，設(shè)備 標(biāo)識資源不足的問題對核心網(wǎng)的影響需要引起足夠的關(guān)注。核心網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷當(dāng)大量終端比較集中地接入網(wǎng)絡(luò)時，對無線、核心網(wǎng)都將構(gòu) 成比較大的負(fù)荷， 擁塞難免會發(fā)生， 也會增加人與人之間通信的故障 率。核心網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷包括控制面負(fù)荷與媒體面負(fù)荷，可以想象，當(dāng)大規(guī)模的M2M設(shè)備同時接入到核心網(wǎng)，同時發(fā)送數(shù)據(jù)到M2M應(yīng)用平臺， 核心網(wǎng)會遭受非常大的負(fù)荷沖擊。 一方面， 核心網(wǎng)的移動性管理網(wǎng)元 需要同時處理終端的接入控制，頻繁進(jìn)行附著、激活、業(yè)務(wù)請求、創(chuàng) 建承載等信令

7、交互，會造成控制面負(fù)荷過載的發(fā)生。同時，當(dāng)數(shù)據(jù)交互同時發(fā)生時，大量的M2M終端通過核心網(wǎng)的媒體網(wǎng)關(guān)與同一個遠(yuǎn)程 服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信， 這就可能造成媒體網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)擁塞， 特別是媒體 網(wǎng)關(guān)到遠(yuǎn)程服務(wù)器的 IP 通道會造成數(shù)據(jù)阻塞，引起媒體面負(fù)荷過載 的發(fā)生。舉例來說，當(dāng)長江水位上漲到警戒水位時，大量水位監(jiān)控器 會向長江防洪指揮中心的遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送監(jiān)控數(shù)據(jù)， 部分檢測點可能 還會上傳實時圖像，這類突發(fā)的接入與數(shù)據(jù)傳輸是 M2M應(yīng)用的特點之 一，這對核心網(wǎng)的信令面與媒體面的負(fù)荷沖擊是瞬間的， 對核心網(wǎng)通 信的可靠性及健壯性造成相當(dāng)?shù)挠绊懀?需要從技術(shù)層面規(guī)避這種瞬間 負(fù)荷對網(wǎng)絡(luò)的沖擊。目前標(biāo)準(zhǔn)組織也提出

8、了一些方案，如采用隨機(jī)數(shù)接入機(jī)制， 采用定時接入機(jī)制， 對組內(nèi)最大負(fù)荷進(jìn)行限制等方法等來減小瞬間負(fù) 荷對核心網(wǎng)的沖擊。核心網(wǎng)絡(luò)安全隨著M2M終端的日益增多，M2M終端通信安全問題也引起各 運營商的重視。對于MTC系統(tǒng)優(yōu)化的通信安全性應(yīng)不低于非 MTG!信 的安全性，如端到端連接安全、組認(rèn)證安全等。M2MS信安全是多方面的，有終端接入鑒權(quán)安全、端到端通信安全、數(shù)據(jù)安全等多方面。 在終端接入鑒權(quán)安全方面，需要防止皿2曉端接入認(rèn)證信息被惡意盜 用，如H2H終端盜用M2M終端的USIM接入到核心網(wǎng)，影響與遠(yuǎn)程 MT C 服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信安全。端到端通信鏈路安全方面，現(xiàn)有的機(jī)制很多，如采用類似 VPN的

9、機(jī)制建立IPsec隧道等方式。在歸屬域，M2h終端與MTC服務(wù)器 之間的端到端安全通過歸屬網(wǎng)絡(luò)信任域進(jìn)行保證， 但當(dāng)M2M終端漫游 到其他運營商的網(wǎng)絡(luò)時，M2M終端與MTC服務(wù)器通過運營商網(wǎng)絡(luò)的非 信任域進(jìn)行通信，端到端安全無法保證，需要制定相應(yīng)的安全機(jī)制。終端管理和計費MTC上下文中的標(biāo)識需要擴(kuò)展，網(wǎng)絡(luò)同時還需要識別M2MS備組的標(biāo)識?？刹捎?OMA D的機(jī)制對M2M終端進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，遠(yuǎn)程 更新軟件，配置M2M終端的初始化參數(shù)等。MTC計費需要進(jìn)行優(yōu)化， 避免大規(guī)模M2M終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生的CDF對網(wǎng)絡(luò)的沖擊。計費可 以考慮按組進(jìn)行計費，為屬于同一組的M2M設(shè)備提供更簡單的計費機(jī) 制，或采

10、用某種策略不生成設(shè)備的計費話單等各類靈活的計費方式。針對M2M終端多樣化的特點，對M2M終端也進(jìn)行必要的分類， 并針對不同類型進(jìn)行優(yōu)化。M2嚓端主要類型可分為低移動性、低數(shù) 據(jù)量、監(jiān)控類、時間控制類、組管理類等。對于低移動性與低數(shù)據(jù)量 類設(shè)備，需要提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，降低對設(shè)備的移動性管理；對于 監(jiān)控類設(shè)備， 需要網(wǎng)絡(luò)對各類監(jiān)控時間實現(xiàn)實時監(jiān)控， 若發(fā)現(xiàn)異常事 件需要及時匯報給用戶及管理后臺， 同時對設(shè)備進(jìn)行一定的網(wǎng)絡(luò)接入 限制措施；對于組管理類，需要進(jìn)一步優(yōu)化組計費、組管理、組策略 等組優(yōu)化方案。其他影響M2M不同的應(yīng)用對核心網(wǎng)都有特定的需求，如在測量監(jiān)控的 應(yīng)用中，需要對測量設(shè)備進(jìn)行實時控

11、制，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中因 IPv4 地址 限制原因，采用NAT進(jìn)行內(nèi)外網(wǎng)地址轉(zhuǎn)換，將導(dǎo)致實時控制的時間延 遲問題。一些M2M應(yīng)用中，M2M終端可能安裝在無人值守的區(qū)域，如 森林防火、水位監(jiān)控、空氣質(zhì)量檢測類終端，網(wǎng)絡(luò)需要為這類終端提 供防盜檢測， 一旦發(fā)現(xiàn)終端異常移動， 網(wǎng)絡(luò)需要對這類終端進(jìn)行必要 的限制，并及時通知到遠(yuǎn)程服務(wù)器及用戶進(jìn)行異常處理。對于一個高可用性的場景，如動物監(jiān)控，兒童走失監(jiān)控、煤 氣監(jiān)控、樓宇監(jiān)控等，需要終端是低耗能設(shè)備，對核心網(wǎng)而言，可能 需要提供低耗電移動性控制策略，如延長 Paging、TAU時間等措施， 保證皿2曉端的電池使用時間持久。其他場景還有很多， 如核心網(wǎng)需要提供對特定區(qū)域的尋呼等。中興通訊端到端的物聯(lián)網(wǎng)解決方案中興通訊目前可以提供包括核心網(wǎng)、 M2M終端和M2M業(yè)務(wù)平 臺的端到端的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，如圖 3所示，帶有M2M模組的各種M 2M終端接收無線傳感網(wǎng)絡(luò)信息，通過移動分組核心網(wǎng)傳遞到統(tǒng)一的 M 2M業(yè)務(wù)平臺，M2M業(yè)務(wù)平臺再向不同的用戶提供具體的應(yīng)用。所有 M2M終端和M2M業(yè)務(wù)平臺采用標(biāo)準(zhǔn)的M2M通信協(xié)議和設(shè)備管理協(xié)議。另