移动通信网承载物联网业务的研究

史敏锐

（中国电信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

1 物联网概念

物联网（Internet of things）的概念于1999年由美国麻省理工大学提出，目前业界并没有明确统一的定义。早期物联网是依托射频识别（RFID）技术的物流网络，但是随着技术和应用的发展，物联网的内涵已经发生了较大变化。

物联网是指将RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等传感技术内嵌到物理设备中，按约定的协议通过网络设施实现信息传输、协同和处理，从而实现物与物、物与人之间信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种技术。

物联网并不是一种通信网，而是传感技术、通信技术、计算技术的集合。如图1所示，物联网由传感设备层、网络层、应用层组成。传感层负责信息采集；网络层实现网络连接管理和数据管理，将信息传递到应用层；应用层应用现代信息技术对信息进行处理以实现监测、识别、控制等功能。网络层是运营商的关键控制点，实体通信网络包括互联网与移动通信网。网络层主要确保网络的连通性，能够支撑Internet的网络协议以及为语音和数据提供低费率、高效的传输通道。为了接入大量物联类型业务，终端网络需要具备以下特性。

·可控性：网络资源可知、带宽可控、质量可管。

·安全性：接入安全、信息安全。

·可扩展性：地址扩展性、带宽扩展性、性能扩展性。

当前阶段来看，物联网业务对移动通信网的影响要远远大于对互联网的影响。

2 物联网业务对移动通信网的影响

从物联网对移动通信网的影响来看，移动通信网的发展可以分为三个阶段。

初期为管道阶段。该阶段处于物联网业务发展初期，接入终端较少，终端围绕数据采集开展应用，服务对象主要是一些专业行业。此阶段属于小规模设备联网阶段，利用现有网络基础的闲置能力就可以满足信息传输要求，移动通信网不需要区分人与物的不同通信需求，因此网络不感知设备，物联应用对电信网络没有影响，电信网络基础设施只提供信息传输通道。

中期为网络增强阶段。在该阶段应用得到扩展，从行业扩展到个人，联网设备大量增加，现有网络基础设施已不能满足，移动通信网需要为联网设备进行优化（低移动性、低数据率等），感知设备，根据设备能力和要求提供相应的网络能力。

后期为融合阶段。该阶段主要增加了人与物、物与物通信的能力，依托数据监测、远程控制和数据获得的各种组合应用大量涌现，大规模联网设备，需要满足人与人、人与物、物与物的融合通信和应用需求。

当前正处于初期和中期的转换阶段，网络要适应物联网业务的发展就必须进行有效的增强。

3 现有移动通信网承载物联网业务的主要问题

以智能交通和抄表业务为例，智能交通终端具有移动性，数据传送实时要求高，并且要求永远在线；而抄表业务终端固定在一个位置，不具有移动性，且数据可以延时传送，也不需要长在线，见表1。

表1 不同物联网业务的特性

从表1上可以看出，每种物联类业务都具有其特性，同类业务有非常强的规律性，而不同类别的业务特性的差异性又非常大。目前针对人—人通信设计的移动通信网，针对不同用户申请的语音业务可以进行设置，从而进行相应的控制。而物联类业务主要为数据业务，而数据业务只有有权和无权之分。对于有权用户，用户等级是一样的，网络只对信息进行尽力而为的处理。因为网络不能针对业务特性进行有效的控制，当大量物联终端接入后，网络的效率将大为降低，这将阻碍电信运营商发展物联网业务。

4 解决思路

3GPP针对物联类业务MTC（machinetypecommunication）的特性总结了16类网络需求，见表2。

上述这些特征基本为数据业务特征，要使网络能对这些特征进行控制，网络必须具备2个条件：知悉终端所需的业务特性，具备对不同特性的控制能力。以cdma2000为例，AAA服务器中需要签约终端的物联网业务特性，网络侧PDSN从AAA Server中获取终端设备的业务特性，从而进行相应的业务控制。根据业务特性，网络需要做必要的优化。

（1）低移动性

对于低移动性终端，网络可以延长移动性管理周期，以减少网络开销，降低终端功耗，提高无线资源利用率。需要对分组域移动性管理设备 （PDSN/MSC）和用户数据库（如AAA/HSS/HLR)进行增强。

（2）业务和时间相关，例如抄表

网络应能够控制终端接入网络的时间，也能够控制同一个用户下的不同终端在不同时间段的接入或一个用户下的M2M设备在时间段内的随机接入，避免同时接入导致的拥塞。超出接入时间，网络侧可以拒绝终端的接入请求，将M2M设备从网络侧分离，或者拒绝M2M设备发起任何数据或者信令请求，或者网络侧接受M2M设备的请求，不过以单独费率进行计费。

需要对分组域移动性管理设备（PDSN/AAA)和用户数据库（如HSS/HLR)进行增强，允许设备接入的时间段作为签约数据存储在AAA。

表2 MTC业务特性

（3）对时间不敏感，可以容许适当延迟

网络应能够进行时间控制或接入速率控制。如果接入速率超过配置的速率，则拒绝接入请求。需要对用户平面设备和用户数据库进行增强。

（4）只通过PS域提供业务

对核心网无影响。

（5）永远在线的少量数据传输

对于经常发送数据的终端设备，为了减少信令对网络的影响，这些终端设备应保留注册在网络中。对控制面和用户面核心网设备可能都有影响。

（6）在少量数据传输之外的时间，终端可以去激活

对于很长时间才发送一次数据的终端设备，网络侧应在设备发完数据后将终端设备从网络侧中分离。

对于小流量业务基于连接时长或流量的计费都是不合适的，需要提供新的计费方式，如下。

基于连接数计费：网络运营商统计M2M用户下的M2M连接数，基于M2M连接数进行计费。

基于信令计费：网络运营商统计M2M用户下的M2M设备发起的信令数，基于信令数进行计费。

基于群组计费：网络运营商统计M2M用户下的所有M2M设备的流量、接入时长，基于该流量、时长进行计费。

（7）由终端发起业务

仅终端发起业务可以去掉寻呼甚至位置更新，甚至处于断开状态。只当用户接入时才进行移动性管理。

（8）网络偶尔会发起业务（push）

需要解决寻址问题，指Server可以寻址到终端。目前有3种寻址方式：Server基于SMS机制寻址M2M设备；网络侧为M2M设备建立IP承载，终端设备通过建立的IP承载注册到Server，Server基于终端设备的IP地址寻址终端；Server通过广播机制寻址终端设备。

这些要求对核心网控制设备有影响，对用户数据库也有影响。

（9）监控终端状态

需要网络侧针对终端连接状态变化向用户、服务器发出告警或限制终端业务。

（10）MTC Server感知终端离线

需要网络侧在终端脱网时向用户、服务器发出告警。

（11）MTC Server感知终端被干扰

在终端已经被干扰或正受到干扰时，网络要向Server发出告警。

（12）PAM消息优先传送

核心设备需要配置不同消息的优先级别，保证PAM消息的优先传送。实现此功能对终端设备也有相应要求。

（13）终端低功耗保证

降低终端功耗可以通过简化移动性管理、定时唤醒终端等措施实现。

（14）终端和服务器之间安全的连接

安全连接可以通过数据加密、认证等机制完成，对核心网影响较小。

（15）网络根据位置触发终端发起业务

核心网设备需要配置特定位置的触发信息，触发终端业务或将位置信息通知Server或在没有附着到网络或移动性管理减少时触发终端。

（16）针对群组管理的特性

群组特性包含群组QoS、群组计费、群组寻址等，需要增加新的计费、寻址等能力。

5 网络部署

增强网络的控制能力需要对网络设备进行升级改造，分组域有2种组网方式，方式一是混合组网，方式二是独立组网。

混合组网：将现有PDSN、AAA等分组域设备都升级成为支持增强功能的设备，物联网业务和非物联网业务使用同一个移动分组域核心网，如图2所示。这种方式需要对现有分组核心网PDSN、AAA升级改造，对网络的影响较大。

独立组网方式如图3所示，PDSN/AAA提供手机终端的业务数据路由，终端鉴权、认证、计费。AAA-M存储物联网业务的数据签约数据，PDSN-M从AAA-M下载业务签约数据，提供物联终端业务数据路由，进行业务控制。手机终端接入PCF，PCF将业务接入PDSN；物联终端接入PCF，PCF将业务接入PDSN-M，这要求PCF能将不同用户的数据分发到不同的核心网设备。目前PCF可以根据IMSI接入不同PSDN，因此只需给物联终端和手机终端分配不同IMSI号段，就可以实现物联网业务和手机业务的分离。独立号段不仅有利于网络的业务处理，也有利于一些特别针对机器终端的特殊计费策略实施。由于物联类业务特定的需求，为避免对现网业务的影响，对物联类业务单独部署CDMA分组核心网是比较合适的。

6 结束语

2010年3月5日温家宝总理在作政府工作报告时指出要“加快物联网的研发应用，加大对战略性新兴产业的投入和政策支持”。这是物联网首次被写进政府工作报告，也意味着物联网的发展进入了国家层面视野，物联业务将进入快速发展期。物联业务对移动通信网的影响将初步显现，虽然业界包括3GPP、3GPP2等组织相继启动了移动网能力增强项目，但相关研究还刚起步，标准化工作到产品产业化还有很长的路要走。对于电信运营商，除了需要长期的、整体的解决方案之外，更需要能经济、快速解决现网实际问题的解决方案。