[ 導讀 ] 文章在深入分析物聯網運營支撐的新需求和現有M2M管理平臺的局限性的基礎上,提出了一種物聯網參考業務體系架構,并對該架構下各功能模塊進行解析,對物聯網業務模式的實現方案、移動通信網優化的要求及部署策略進行了剖析,對物聯網通信協議功能擴展和標準化問題進行了探討

物聯網業務體系架構演進研究

    【摘要】文章在深入分析物聯網運營支撐的新需求和現有M2M管理平臺的局限性的基礎上,提出了一種物聯網參考業務體系架構,并對該架構下各功能模塊進行解析,對物聯網業務模式的實現方案、移動通信網優化的要求及部署策略進行了剖析,對物聯網通信協議功能擴展和標準化問題進行了探討。

    【關鍵詞】M2M 物聯網 體系架構 業務體系架構

    1 引言

    M2M是Machine-to-Machine/Man的簡稱,是一種以機器終端智能交互為核心的、網絡化的應用與服務,通過在機器內部嵌入無線通信模塊,為客戶提供監控、指揮調度、數據采集和測量等方面的信息化解決方案。

    物聯網(Internet of things)是指通過信息傳感設備,按照約定的協議,把任何物品與信息網絡連接起來,進行信息交換和通訊,以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

    與M2M相比,物聯網將機器的通信延伸到物與物之間的通信,將有限的信息采集提升到信息的全面感知,將移動通信技術擴展為多種通信技術的結合,并最終將以機器通信為核心的服務發展到以物理世界信息化為核心的服務,在更多的應用領域中衍生出豐富多彩的物聯網應用。

    目前,物聯網尚處于起步階段,M2M是物聯網現階段主要的應用形式。為了實現M2M應用的標準化、規模化發展,以及端到端業務管理和運營支撐,國外的Orange、Vodafone、Telenor和國內的中國移動、中國電信等運營商已開始建設自己的M2M運營體系。但隨著物聯網應用的興起,現有M2M運營體系已越來越難以滿足物聯網全面感知、信息匯聚、用戶規模接入、端到端QoS等方面的需求。

    為了解決以上問題,構建適合物聯網應用發展的物聯網業務體系架構,已成為當前M2M運營體系未來演進的必由之路。

   2 現有M2M運營體系

    M2M運營體系主要包括M2M終端、承載網絡、運營系統和應用系統四個部分。其中M2M管理平臺屬于運營管理系統,是實現M2M業務管理和運營的核心網元,主要功能包括:

    ◆終端接入：連接通信網關和GGSN等網元,M2M終端可以采用SMS/USSD/MMS/GPRS等通信方式與管理平臺進行信息交互。

    ◆應用接入：平臺向集團客戶應用系統提供統一接入接口,實現客戶應用系統的接入、認證鑒權、監控和連接管理等功能。

    ◆終端管理[FS:PAGE]：實現M2M終端的接入、認證鑒權、遠程監控、遠程告警、遠程故障診斷、遠程軟件升級、遠程配置、遠程控制、終端接口版本差異管理的功能。

    ◆業務處理：根據M2M終端或者應用發出的請求消息的命令執行對應的邏輯處理,實現M2M終端管理和控制的業務邏輯。M2M管理平臺能夠對業務消息請求進行解析、鑒權、協議轉換、路由和轉發,并提供流量控制功能。

    ◆業務運營支撐：提供業務開通、計費、網管、業務統計分析和管理門戶等功能。

    3物聯網對運營支撐的新需求和M2M管理

    平臺的局限性，與M2M管理平臺功能相比,物聯網業務對業務運營支撐能力提出了更多新的需求,具體有以下幾個方面:

    (1)傳感器網管理需求：通過與位于感知層和網絡層之間的傳感網網關信息交互,實現對傳感器網絡及節點的管理,包括傳感網設備/服務發現、節點標識、狀態管理、節點控制、任務協同和網絡拓撲等管理功能。

    (2)終端多種通信方式接入的需求：M2M通信協議主要支持移動網接入的終端,為了滿足物聯網終端接入的多樣性需求,通信協議應擴展支持包括有線接入方式在內的多種通信技術。

    (3)增強通道管理需求：物聯網對通信網的要求已不再是單純的通道,而要求通信網能夠適應不同業務特性終端的通信需求,滿足客戶端到端QoS要求,并提供通信故障的快速定位和排除服務。

    (4)信息聚合服務需求：信息聚合服務是物聯網的未來主要服務形態,能夠在獲取海量信息的基礎上,將信息經過存儲、共享、挖掘、聚合,從而打破信息孤島,提高信息的附加值,提升對物理世界、經濟社會各種活動和變化的洞察力,實現智能化的決策和控制。

    (5)應用生成環境需求：為降低物聯網應用開發的技術門檻和成本,充分實現資源重用,推動物聯網業務的迅速部署,需要運營商為物聯網應用開發者提供可視化應用開發、編譯、測試、發布和執行的應用生成環境。

    綜上,面對物聯網業務不斷涌現出的新需求,現有M2M管理平臺在功能和架構上的局限性已愈發明顯,關于物聯網業務體系架構的研究成為了目前業內的熱點。

    4 物聯網參考業務體系架構

    4.1 系統架構：基于對物聯網業務運營支撐需求的梳理,結合現有M2M管理平臺的技術方案,本文提出了一種物聯網參考業務體系架構,如圖2所示:

    4[FS:PAGE].2 功能模塊：在物聯網參考業務體系架構中,業務網是實現物聯網業務能力和運營支撐能力的核心組成部分,本文重點對該部分進行詳細闡述。業務網位于核心網與應用層之間,由通信業務能力層、物聯網業務能力層、物聯網業務接入層和物聯網業務管理域4個功能模塊構成,提供通信業務能力、物聯網業務能力、業務能力統一封裝、業務路由分發、應用接入管理、業務鑒權和業務運營管理等核心功能。

    ◆通信業務能力層：由各類通信業務能力平臺構成,通過物聯網業務接入層提供通信業務能力的調用,包括短信、彩信、WAP、語音和位置等多種能力。

    ◆物聯網業務能力層：由各類物聯網業務能力平臺構成,通過物聯網業務接入層為應用提供物聯網業務能力的調用,包括終端管理、感知層管理、物聯網信息匯聚中心、應用開發環境等能力平臺。終端管理能力平臺除了實現M2M管理平臺的終端管理功能外,還提供對有線接入方式終端的管理功能。感知層管理能力平臺實現傳感器網絡節點標識、注冊、節點控制、狀態管理、路由尋址、網絡拓撲管理等功能。物聯網信息匯聚中心收集和存儲來自于不同地域、不同行業、不同學科的海量數據和信息,并利用數據挖掘和分析處理技術,為客戶提供新的信息增值服務。應用開發環境為開發者提供從終端到應用系統的端到端應用開發、測試和執行環境,并將物聯網通信協議、通信能力和物聯網業務能力封裝成API、組件/構件和應用開發模板。

    ◆物聯網業務接入層：原M2M管理平臺同時承擔了管理和業務處理的職能,為了使網元功能職責劃分更加清晰,保證業務流的高效處理,在物聯網參考業務體系架構中引入了物聯網業務接入層,將通信業務能力和物聯網業務能力進行封裝,供業務能力的使用者統一接入和調用,并實現協議解析、協議適配、路由轉發、業務鑒權等業務處理功能。為了實現增強通道功能,物聯網業務接入層還提供增強通道執行功能。

    ◆物聯網業務管理域：在物聯網參考業務體系架構中,物聯網業務管理域只負責物聯網業務管理和運營支撐功能,原M2M管理平臺承擔的業務處理功能和終端管理業務能力被分別劃撥到物聯網業務接入層和物聯網業務能力層。物聯網業務管理域的功能主要包括業務能力管理、應用接入管理、用戶管理、訂購關系管理、鑒權管理、增強通道管理、計費結算、業務統計和管理門戶等功能。增強通道管理由核心網、接入網和物聯網業務接入層配合完成,包括用戶業務特性管理、QoS管理和通信[FS:PAGE]故障管理等功能。

    為了實現對物聯網業務的承載,接入網和核心網也需要進行配合優化,提供適合物聯網應用的通信能力。通過識別物聯網通信業務特征,進行移動性管理、網絡擁塞控制、信令擁塞控制、群組通信管理等功能的補充和優化,并提供端到端QoS管理以及故障管理等增強通道功能。

    4.3 方案技術要點分析

    (1)物聯網業務模式的實現方案：物聯網參考業務體系架構能夠提供三類物聯網業務模式,實現方案說明如下:

    ◆純通道模式：運營商基于現有通信網絡,提供的基本的通信通道服務。在該模式下,運營商提供不區分于人人通信的基本通信業務。

    ◆增強通道模式：運營商在通信通道的基礎上,根據用戶差異化服務需求,提供端到端QoS服務、通信故障管理定位等增值服務。其實現方案如圖3所示。

    物聯網業務管理域通過管理接口,實現增強通道配置數據和故障管理指令下發功能,接入網、核心網、通信業務能力層和物聯網業務接入層負責執行增強通道功能。客戶通過業務管理域可以實現對終端通信故障的查詢、定位和排除。

    ◆應用集成模式：運營商提供的端到端物聯網應用開發、集成、運營和維護服務,終端和應用系統采用運營商定義的物聯網通信協議,接受物聯網業務管理域的運營和管理,該模式下可以同時選擇使用增強通道。其實現方案如圖4所示。

    終端、應用系統與物聯網業務接入層分別采用標準的終端-接入層接口協議、應用-接入層接口協議,實現終端管理、感知能力管理信息和業務數據承載等功能。物聯網業務接入層實現對應用系統和終端的接入,負責業務鑒權發起、協議解析、路由分發和協議適配功能。物聯網業務管理域完成業務鑒權、計費等功能。

    (2)對移動通信網優化的要求及部署策略

    物聯網對移動通信網的優化技術要求體現在增強通道特性上,具體包括:

    ◆適應不同業務特性終端通信要求：通過業務控制,能夠充分有效的利用移動通信網資源,滿足不同業務特性終端的通信服務要求,并有效緩解物聯網終端大量涌入對網絡造成的壓力。

    3GPP定義了16類物聯網業務特征,要求移動網絡根據終端簽約的業務特征,進行相應的業務控制。這些業務特征概括為以下幾方面:終端接入控制(根據時間段、延遲容忍度等,或只允許PS域接入);業務發起方式控制(僅終端[FS:PAGE]發起、僅網絡發起、位置觸發等);會話管理(永遠在線、業務結束后去激活、終端狀態感知、狀態變化告警等);移動性管理(低移動、低功耗終端的移動性管理策略);業務優先級控制;終端和服務器安全連接;用戶群組通信管理。

    這些業務特征大部分可以通過升級核心網得以實現,部分需要升級無線網。業務初期,可在物聯網業務需求較集中的區域建設功能升級后的核心網元或升級原核心網元實現。

    ◆端到端QoS保證：要求核心網和無線網支持QoS功能,能夠根據HLR中用戶QoS簽約參數,以及MS、BSS、SGSN和GGSN之間的協商決定MS的QoS特性,并通過網絡資源的分配和調度最終實現QoS。

    實際部署時,應統一建立物聯網端到端QoS服務模型,確定業務服務質量從業務網到核心網、接入網的映射關系,以保證端到端QoS策略的一致性。

    ◆通信故障管理：要求網絡維護用戶終端通信狀態,對于狀態異常的終端應向物聯網業務管理域發起告警,業務管理域能夠對用戶通信故障進行分析和排查。由于網絡主動發起告警的功能對網絡有較大改造量,可以采用業務管理域向網絡定期獲取終端移動性和會話狀態信息的方式實現,或通過信令采集和分析的方式實現。

    (3)物聯網通信協議功能擴展和標準化問題

    現有M2M通信協議主要完成M2M終端的注冊、配置、控制、數據傳輸、告警和軟件升級等功能。終端與M2M管理平臺之間通常采用二進制協議報文接口,以減少對終端硬件資源要求;應用與M2M管理平臺之間主要采用SOAP和RESTful接口。

    物聯網通信協議應該是對M2M協議功能的擴展和改進,同時應充分考慮協議的標準化問題。為了支持物聯網業務需求,物聯網通信協議主要擴展的功能包括:需支持對有線接入終端的管理,解決在有線接入條件下終端注冊、認證、路由尋址、安全和NAT等問題;支持對傳感器網關和感知外設的管理;支持對無線傳感器網絡技術的封裝,實現對傳感器網絡和節點管理功能;支持終端到終端通信,以及終端之間自組織功能。

    在標準化方面,目前業內尚未形成統一的物聯網通信協議標準。在技術選擇上,終端與業務網的接口有TR069、DM、CoAP和二進制協議報文等多種方案。TR069和DM是已有協議,不適合資源受限終端,需要對協議進行擴展,并提供到終端應用和物聯網應用的開放接口。CoAP是IETF正在研究基于REST架構的協議,由于硬件資源要求低,適合資源受限終端使用。二進制[FS:PAGE]報文則是部分運營商M2M通信協議所采用的協議,適合資源受限終端。在業務發展初期,可能存在多種協議并存的情況,因此需要兼容和適配主流的物聯網協議通信。

    5 結束語

    隨著物聯網新應用的興起,M2M運營系統演進到物聯網業務體系架構已成為業務和技術發展的必然趨勢,也是運營商實現物聯網應用規模化推廣和聚合產業鏈資源的核心手段。

    應該看到,目前業內關于物聯網業務網架構的研究尚處于起步階段,在業務需求、功能架構、關鍵技術、網絡改造等方面還有很多問題有待解決,在標準化方面短時間內還難以形成統一的物聯網標準體系。運營商應該引導建立多方共贏的商業模式,充分調用產業鏈各方的積極性,推動物聯網業務體系架構的研究、建設和運營。

參考文獻

[1]楊志強,肖青,于蓉蓉,等. 中國移動:全方位展開物聯網應用實踐[J]. 世界電信,2009(11).

[2]3GPP TS 22.368. Service Requirements for Machine-Type Communications(MTC)[S].

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