本篇文章是由《光通信技術》發表的電子通信論文，核心期刊發表多少錢? 是國內創辦時間長、影響大的計算機專業媒體，中文核心期刊。由信息產業部主管、中國電子科技集團第三十研究所主辦。主要報道傳輸、業務與系統、網絡、移動通信、信息安全等方面的先進技術、理論研究成果和最新動態。

　　【摘 要】文章對M2M業務特征和MTC通信網絡架構進行了探討。首先詳細分析M2M業務特征以及對現網架構的影響;然后借鑒國際標準組織提出的M2M網絡架構，并在此基礎上根據現階段的網絡現狀和M2M業務需求提出了3G網絡階段適用的網絡架構。

　　【關鍵詞】M2M 網絡架構 PCRF 核心網 專用網元

　　1 引言

　　物物通信(M2M，Machine to Machine)是一種涉及一個或多個實體的不需要人為干預的數據通信，也稱為機器類型通信(MTC，Machine-Type Communication)。隨著M2M業務的快速發展，基于移動通信網絡的MTC正日益成為一種主要的移動通信方式，但是傳統移動通信網絡畢竟是面向人人通信(H2H，Hu-man to human)業務設計的，適應H2H的業務需求，卻不能滿足M2M業務需求。具體來說，MTC和傳統人人通信的不同之處包括以下方面[1]：

　　(1)基于MTC通信的應用場景比H2H通信的場景豐富很多，而且具有差異性。根據功能特性劃分大致可歸納為位置感知和共享、環境信息感知、遠程控制與執行、數據收集發布、視頻監控、近場通信等。這些應用的差異化一方面表現為功能上的多樣性;另一方面也體現在應用特征以及對網絡的需求上的差異化。

　　(2)數據通信為主，包括小流量數據包、視頻流等。

　　(3)要求MTC通信成本比H2H更低。由于M2M業務是在H2H業務之后發展起來的，最小化成本是M2M業務生存的重要考慮。不同的應用因其重要性不同，對通信的要求也是不同的，需要結合事件發生的可能性和需要付出的通信等綜合成本來考慮進行成本的最小化。

　　(4)M2M終端數目巨大，需要更靈活和有策略的終端管理。潛在的海量M2M終端接入通信網絡，而且M2M終端無論是從傳輸特性、QoS要求和移動性，還是從終端的分布密度方面，都與H2H終端有很大不同。

　　(5)以小數據量傳輸為主。

　　如果繼續使用傳統移動通信系統來進行MTC通信，其系統的效率、成本和適用性都無法達到最優。因此，在考慮M2M業務特征的同時減少對H2H業務的影響，從而設計MTC專用的通信系統，是當前物物通信不斷發展背景下的一個重要課題。

　　2 M2M業務特征分析

　　網絡架構的設計，需要以網絡所承載的具體業務為出發點[2]。也就是說，M2M網絡架構的設計需要充分分析M2M業務特征和需求，結合終端上下行數據量、頻度、QoS需求等方面的業務特征，將物聯網應用分為如下五類。其中，對各類應用的部分需求和特征進行了分析，包括移動性、群組通信、鑒權以及按計劃周期性處理等，不同場景間有較大差異。

　　(1)監控報警類：傳感器本地監測數據，當發生不符合預期的數據變化時通過網絡通知應用層進行報警。

　　平均數據傳輸速率：低，僅在某些觸發條件下發送少量上行數據流量。

　　尖峰數據傳輸速率：不同場景間有較大差異，與應用需求確定的傳輸的數據內容有關。

　　QoS要求：不同場景間有較大差異，與應用需求以及當前數據所代表的含義有關。

　　數據安全要求：不同場景間有較大差異，與應用需求有關。

　　數據可靠傳遞要求：不同場景間有較大差異，與應用需求有關。

　　數據持續性：低，僅在發生預置的事件時存在短暫的或者持續時間較短的數據傳輸。

　　與人交互性：低，通常由系統根據預置處理方式自動處理。

　　對連接性的需求：需要監控連接性以防破壞或無效。

　　終端移動性：因無下行流量需求，所以無移動性需求。

　　舉例：輸血車血液環境監測;井蓋監控;移動資產跟蹤。

　　(2)數據收集類

　　平均數據傳輸速率

　　上行流量：中，數據量較大，持續的數據上報或者周期性數據上報;下行流量：低，更多的是用于修改上報規則等。

　　尖峰數據傳輸速率：不同場景間有較大差異，與應用需求確定的傳輸的數據內容有關。

　　QoS要求：不同場景間有較大差異，與應用需求以及當前數據所代表的含義有關。

　　數據安全要求：不同場景間有較大差異，與應用需求有關。

　　數據可靠傳遞要求：不同場景間有較大差異，與應用需求有關。

　　數據持續性：取決于數據傳輸間隔和傳輸方式的選擇。[論文網]

　　與人交互性：低，通常由系統根據預置處理方式自動處理。

　　對連接性的需求：需要監控連接性以防破壞或無效。

　　終端移動性：因偶爾有下行數據，所以需要優化的移動性管理。

　　舉例：氣象信息監測;火災現場數據收集;路況信息收集。

　　(3)信息推送類

　　平均數據傳輸速率

　　上行流量：通常較低，主要用于提供應用所需的過濾或輸入條件(如位置信息);下行流量：通常較大，主要用于傳遞所推送的信息(如廣告、視頻媒體等)，持續的、基于交互等外界條件出發的或者周期性的數據推送。

　　尖峰數據傳輸速率：具有明顯的尖峰數據特征，在條件觸發后下發匹配的信息。

　　QoS要求：不同場景間有較大差異，與應用需求以及當前數據所代表的含義有關。

　　數據安全要求：不同場景間有較大差異，與應用需求有關。

　　數據可靠傳遞要求：不同場景間有較大差異，與應用需求有關。

　　數據持續性：通常具有較長時間的持續性。

　　與人交互性：高，通常用戶會做出反饋，系統根據反饋對推送的信息進行調整。

　　對連接性的需求：較強，需要維護網絡連接以便于進行數據的正確傳輸。

　　終端移動性：兩極分化。部分終端有很強的移動性;部分終端則通常不移動。

　　舉例：智能博物館等。

　　(4)視頻監控類

　　平均數據傳輸速率

　　上行流量：高，主要用于傳遞所監控的多媒體數據;下行流量：低，主要用于傳遞控制和調節命令等。

　　尖峰數據傳輸速率：無明顯的尖峰數據特征，數據傳輸通常維持一個相對穩定的傳輸速率。

　　QoS要求：不同場景間有較大差異，與應用需求有關。

　　數據安全要求：不同場景間有較大差異，與應用需求有關。

　　數據可靠傳遞要求：不同時刻有不同的要求。如在正常情況下要求適中，但一旦發生某些預置的事件則需要較高的可靠性傳遞。

　　數據持續性：通常具有長時間的持續性。

　　與人交互性：低，用戶偶爾會對視頻監控過程進行干預。

　　對連接性的需求：較強，需要維護網絡連接以便于進行數據的正確傳輸。

　　終端移動性：兩極分化。部分終端有很強的移動性;部分終端則通常不移動。

　　舉例：家庭安防中的視頻監控等。

　　(5)遠程控制執行器類

　　平均數據傳輸速率

　　上行流量：通常較低，主要用于提供應用所需的過濾或輸入條件(如預置事件的發生);下行流量：取決于控制對象和控制命令的復雜程度。

　　尖峰數據傳輸速率：通常具有明顯的尖峰數據特征。

　　QoS要求：不同場景間有較大差異，與應用需求有關。

　　數據安全要求：不同場景間有較大差異，與應用需求有關。

　　數據可靠傳遞要求：要求較高，因涉及到控制過程是否能夠正常實現。

　　數據持續性：通常具有長時間的持續性。

　　與人交互性：高，通常是對人操作指令的具體反映。

　　對連接性的需求：較強，需要維護網絡連接以便于進行數據的正確傳輸。

　　終端移動性：兩極分化。部分終端有很強的移動性;部分終端則通常不移動。

　　舉例：工業自動化等。

　　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。