物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展對移動(dòng)核心網(wǎng)的需求

1、物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展對移動(dòng)核心網(wǎng)的需求近年來，m2m和物聯(lián)網(wǎng)成為運(yùn)營商關(guān)注的熱點(diǎn)，基于m2m和物聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用為運(yùn)營商帶來了新的利潤增長。本文重點(diǎn)分析了m2m和物聯(lián)網(wǎng)對運(yùn)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(jì)費(fèi)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(dòng)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，即以移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的無線網(wǎng)絡(luò)為平臺，采用多種傳輸方式（cdma/gsm/sms等），通過特種行業(yè)終端，服務(wù)于行業(yè)用戶機(jī)器到機(jī)器的無線數(shù)據(jù)傳

2、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(shí)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(jià)值。 對于廣泛分布的m2m終端，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gprs網(wǎng)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/iot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。圖1 m2m/iot的應(yīng)用領(lǐng)

3、域 以智能交通為例，一個(gè)典型的智能交通系統(tǒng)由gps/glonass衛(wèi)星定位系統(tǒng)、移動(dòng)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(shí)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 analytics預(yù)測：移動(dòng)m2m市場規(guī)模在2014年將超過570億美元，這是一個(gè)極具潛力的新興市場，是無線通信行業(yè)應(yīng)用的一個(gè)藍(lán)海。 m2m/iot發(fā)展?fàn)顩r

4、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、telenor、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(diǎn)的雙重驅(qū)動(dòng)下，中國移動(dòng)、中國電信等運(yùn)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(diǎn)扶持項(xiàng)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(dòng)核心網(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

5、設(shè)備標(biāo)識的資源，以imsi為例，imsi號碼為15位，由3位mcc國家碼、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(gè)m2m終端，可采用imsi、msisdn、ip addr、impu/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it

6、u、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(shí)，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(shí)接入到核心網(wǎng)，同時(shí)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(dòng)性管理網(wǎng)元需要同時(shí)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)建承載等信令交互，會造成控制面負(fù)荷過載的發(fā)生。同時(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)交互同時(shí)發(fā)生時(shí)，大量的m2m終端通過核心網(wǎng)的媒體網(wǎng)關(guān)與同一個(gè)遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通

7、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(shí)，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?cái)?shù)據(jù)，部分檢測點(diǎn)可能還會上傳實(shí)時(shí)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(diǎn)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枰獜募夹g(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)組織也提出了一些方案，如采用隨機(jī)數(shù)接入機(jī)制，采用定時(shí)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，

8、m2m終端通信安全問題也引起各運(yùn)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mtc通信的安全性，如端到端連接安全、組認(rèn)證安全等。m2m通信安全是多方面的，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m2m終端接入認(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mtc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的機(jī)制建立ipsec隧道等方式。在歸屬域，m2m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(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，m2m終端與mtc服務(wù)

9、器通過運(yùn)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(jì)費(fèi) mtc上下文中的標(biāo)識需要擴(kuò)展，網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還需要識別m2m設(shè)備組的標(biāo)識?？刹捎胦ma dm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(jì)費(fèi)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cdr對網(wǎng)絡(luò)的沖擊。計(jì)費(fèi)可以考慮按組進(jìn)行計(jì)費(fèi)，為屬于同一組的m2m設(shè)備提供更簡單的計(jì)費(fèi)機(jī)制，或采用某種策略不生成設(shè)備的計(jì)費(fèi)話單等各類靈活的計(jì)費(fèi)方式。 針對m2m終端多樣化的特點(diǎn)，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。m2m終端主要類型可分為低移動(dòng)性、低數(shù)據(jù)量、監(jiān)

10、控類、時(shí)間控制類、組管理類等。對于低移動(dòng)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(dòng)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(shí)間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)異常事件需要及時(shí)匯報(bào)給用戶及管理后臺，同時(shí)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(jì)費(fèi)、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(shí)時(shí)控制，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(shí)時(shí)控制的時(shí)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

11、，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(dòng)，網(wǎng)絡(luò)需要對這類終端進(jìn)行必要的限制，并及時(shí)通知到遠(yuǎn)程服務(wù)器及用戶進(jìn)行異常處理。 對于一個(gè)高可用性的場景，如動(dòng)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(dòng)性控制策略，如延長paging、tau時(shí)間等措施，保證m2m終端的電池使用時(shí)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m2m終端接收無線傳感網(wǎng)絡(luò)信息，通過移動(dòng)分組核心網(wǎng)傳遞到統(tǒng)一的m2m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。另外，中