試論M2M移動通信網絡架構研究(3)

　　3 M2M業務對現網架構的影響

　　從對現網架構的影響來說，M2M業務可以分為兩類：A類是現有網絡不能滿足需要網絡優化的業務，這類業務需要過載控制功能來避免網絡過載，以及針對客戶的業務需求提供差別化的服務;B類是對于現有網絡影響較小的業務，這類業務是對時效性要求不高的MTC業務，而且這些業務和現在的移動網絡業務有類似的需求。從整體來說，M2M業務中大部分是A類業務，以下分析的是A類業務對現網架構的影響[3]。

　　M2M業務的多樣性、差異化，網絡的多種接入方式，M2M終端的海量性、差異化，以及M2M業務表現出來的傳統電信業務所不具有的各種特點，都對現網架構和網元設備產生了很大影響，其直接后果是現網的核心網元如HLR/PCRF/GGSN的能力已經不能滿足M2M業務所帶來的信令、流量沖擊和業務控制需求，主要體現在以下方面：

　　(1)由于物聯網業務的特殊性，可能會產生瞬時大量的信令，會對無線網絡的關鍵信令控制設備(STP/HLR/PCRF)造成影響而導致全網的癱瘓。因此，一方面要大規模提高相關信令控制設備的容量或設備的信令處理能力;另一方面需要進行差異化、分優先級的接入控制;此外，關鍵信令控制和處理設備要具備一定的設備過載保護機制以及高容災、高流控能力，避免關鍵網元的過載，從而有效提升整網的可靠性。

　　(2)由于物聯網業務的特殊性，其接入方式的多樣性，涉及行業及用戶和設備的多樣性、海量性，因此需要對用戶數據管理HLR網元進行相應增強，包括其數據庫的可擴展性和靈活性，除了標準的用戶簽約信息，還有設備序列號、設備驅動程序信息、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)接入網絡的設備進行鑒權;對用戶標識和尋址的靈活動態支持，支持一卡多號或一號多卡;支持對終端設備基本狀態的查詢，能通過網絡側下發終端“蘇醒”請求，發現設備被盜時能夠立刻鎖死等。

　　(3)由于物聯網業務的特殊性及多樣性、群組性，因此有必要對業務進行區分，包括業務分類分級、QoS分級、用戶分組、設備分組，從而進行流量管理和業務管理，根據忙閑時、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，在現網PCC架構中疊加物聯網策略控制，因其特殊性，PCRF(Policy and Charging Rules Function，策略與計費規則功能)進行策略控制時需先判斷是個人用戶還是物聯網用戶，而且物聯網數據的瞬時爆發性會影響現網PCC架構，所以有必要設置專用的物聯網M2M PCRF。

　　總之，需要對相關網元進行能力的增強和升級，可以改造現有相關網元，也可以設置M2M的專用網元疊加在現有H2H網絡上來解決相應問題。

　　4 國際標準組織提出的M2M網絡架構

　　國際標準組織如ITU、ETSI和3GPP等分別從不同角度提出了M2M的網絡架構[4]。

　　根據ITU-T發布的定義，物聯網體系架構主要可劃分為三個層面：感知層、網絡層和應用層。如圖1所示，該架構基本達成業界共識，但是其體系架構過于抽象屬于概念模型，在轉化為技術實現的過程中還需要細化。

　　在ITU-T物聯網體系架構的基礎上，ETSI提出了一種可看作邏輯模型的M2M應用頂層架構[5]。如圖2所示，ETSI把M2M體系架構劃分為M2M設備及網關和M2M網絡兩個大域。M2M設備及網關域包括M2M設備、M2M網關和M2M局域網，可以基于現有的各類標準實現;M2M網絡域則包括廣域網和M2M應用系統。

　　相較于ITU的概念模型，ETSI的邏輯模型側重于M2M服務能力層，通過對服務能力和接口的定義來實現屏蔽網絡細節的M2M應用、M2M服務能力及網絡三者之間的相互調用，可供在研究平臺和網關設備功能及接口時參考。

　　在ETSI的體系架構基礎上，3GPP也提出了一種支持MTC應用的通信架構。如圖3所示，涉及到的實體包括MTC終端、承載網絡、MTC服務器和MTC應用。其中，MTC服務器是MTC業務的管理平臺;MTC應用負責業務邏輯的實現。承載M2M通信的移動網絡包括GPRS、EPC以及短消息和IMS網絡。

　　3GPP提出的MTC通信架構側重于M2M網絡層，對M2M網絡中各通信網元的功能和接口進行了定義，其適用于研究MTC業務的管理平臺以及M2M核心網絡的功能和接口時參考。

　　以上標準組織雖然都提出了M2M的網絡體系架構，但是有其局限性。ITU和ETSI的架構過于框架性，對于實際的網絡部署沒有較好的指導意義;3GPP雖然對于網絡網元功能增強有一定的研究，但是由于目前部署的H2H網絡大多處于R7或R8版本，而MTC網絡體系的研究是在R10以上版本的網絡基礎上進行的。因此，在現有網絡中按照標準來部署MTC網絡還為時尚早，需要研究一種網絡架構既具有在現有網絡基礎上投資和部署的可行性，又能滿足現階段MTC業務應用的需求。

　　5 3G網絡階段的M2M網絡架構

　　在現有的3G網絡階段，為解決發展M2M業務面臨的網絡運營和網絡資源問題，運營商可以通過采用物理上隔離的網絡來單獨承載機器通信業務，在初期可以通過核心網中專設的網元實現業務的隔離，在后期演進也可以延伸到采用專用的接入網實現物聯網業務的接入隔離。此外，物聯網管理平臺也是物聯網解決方案中必不可少的組成部分。物聯網管理平臺與物聯網獨立網元配合，在物聯網業務發展的初期階段主要實現物聯網獨立碼號集中管理和物聯網業務有效管控等功能。隨著物聯網的發展，平臺的功能也會逐步支撐更多資源管控與更多的業務流程，并開放更多資源及能力。可以根據M2M業務的特性，實現基于位置、時間段、接入類型的QoS控制和相應的計費策略;還可以根據用戶的屬性及行為進行相應的分組，實行基于群組的流量統計、事件分發和策略執行等，這體現在核心網中PCRF/SPR/M2MSP的功能實現。綜上所述，在3G發展階段，M2M網絡架構的特征具體體現在以下四個方面：

　　(1)在無線接入側對Wi-Fi、2G、3G、無線傳感網絡等多種方式的整合，實現移動通信網絡對行業應用領域的廣覆蓋，構建面向行業的M2M移動網絡。

　　(2)在核心側構建M2M專用的HLR、GGSN、SMSC等網元，實現對M2M等物聯網業務的集中運維和管理，并能夠實現與“現網”的有效隔離，有利于網絡的安全、穩定、擴容及升級。