基于电信运营商视角的物联网连接平台方案研究

姚黎强

上海信产管理咨询有限公司 上海 200083

引言

物联网的发展现已渗透到各行各业，它被认为是继计算机、互联网和移动通信网之后的第三次信息技术革命，成为信息产业新一轮增长的有效推动力。近年来，美国、欧盟、日本等发达国家和地区纷纷出台物联网发展规划，进行相关技术和产业的前瞻布局，我国也将物联网作为战略性的新兴产业予以重点关注和推进，并在国家十二五规划纲要中明确提出：“推动物联网关键技术研发和在重点领域的应用示范”。物联网业务不仅是我国信息化和工业化融合的切入点，也是我国电信运营商信息服务转型的方向之一。在物联网的产业链中，电信运营商扮演着不可或缺的角色。物联网要实现物与物、物与人互联，必须借助移动宽带网络支撑，而运营商作为移动宽带网络的运营者，就成为了物联网产业链中的重要一环[1]。总体而言，目前无论国内还是国外，物联网的研究和应用还处于起步阶段，各国主要围绕独立的M2M业务开展，业务应用和物联网平台仍处于孤立和垂直的状态，本文针对运营商物联网连接管理平台的概念、定位、体系架构、网络方案等的研究，为物联网产业生态的搭建起到抛砖引玉的作用。

1 物联网的概念

物联网是物物相连的网络，是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的网络[2]。在这个网络中，物品与物品之间能够彼此进行“交流”，而无需人的干预，它是新一代信息技术的重要组成部分，也是信息化时代的重要发展阶段。物联网有3个基本要素，即信息感知、信息传递和信息处理。相应地，物联网的基础架构也包含感知层、传输层和应用层3个基本层次：第一是传感系统，即通过各种技术手段来实现和物相关的信息采集与标识；第二是通信网络，包括现在的互联网、通信网、广电网以及各种接入网和专用网，目的是对采集来的信息进行传输和处理；第三是应用和业务，即在对所感知的信息进行智能处理后，通过手机、PC或各类专用终端设备实现应用服务[3]。

2 运营商在物联网产业链中的价值

电信运营商除了能够提供基础网络服务，还可以提供应用集成服务、IT设施服务、运营支撑服务，并利用其完善的服务手段、技术手段、公信力和客户群在物联网发展中扮演关键角色。

1)基础网络服务：安全可靠的接入与承载网络是运营商的核心价值所在[4]。物联网的信息传递需要依赖移动网与互联网，需要实现无缝网络覆盖和异构网络融合，构建异构的泛在网络为运营商提供了新的发展机会。目前，很多所谓的物联网应用还是孤立的系统，并未实现规模联网，要真正实现大规模的物联网应用，所有的感知设备应该接入互联网或移动网。大量的感知终端或机器接入移动网与互联网，必将引发对IP地址的巨大需求，而IPv6是解决地址问题的根本途径，同时物联网对安全和QoS等的要求比人人通信要严格得多，物联网的发展呼唤下一代互联网，也将是下一代互联网的重要应用领域，与下一代互联网的发展相辅相成。

2)应用集成服务：移动互联网的发展与物联网的发展紧密相关，以移动互联网为基础的聚合服务市场将是物联网的重要发展空间。为此，运营商可基于4G技术优势和产业发展趋势，发挥用户规模和移动终端的优势，打造基于移动互联网的物联网应用，将已有的诸多基础电信业务能力(如短信能力、WAP/Web网关能力、定位能力等)[5]开放出来与物联网应用相结合，通过应用集成促进业务的创新，从信息流的传输者演变为应用服务的聚合者。同时，运营商可以引入和协同物联网的产业链各方，形成整个业务应用畅通的通道，构建完整的物联网产业链。

3)运营支撑服务：运营商的一大核心优势是其业务管理和运营支撑能力，包括终端接入管理、信息安全管理、网络管理和业务管理等。而物联网架构中在传输层和应用层之间还应增加一个运营管理层，提供计费网关、认证网关、信息处理和API接口等基本运营服务。运营商建设和管理物联网运营支撑平台具有先天优势，利用物联网运营支撑平台可以将内部支撑能力、关键资源管理能力及专网进行统一封装，从而降低学习成本，还可以提高网络安全性，提升产品质量和管理效率，降低管理成本；传感设备与终端还可以通过物联网运营支撑平台与运营商业务平台和行业应用平台沟通，为应用集成提供更便捷的手段。总之，物联网运营支撑平台应用模式的确定将极大地推动和促进物联网业务的发展，并且为各行各业的网络和业务资源互联互通奠定基础[6]。

4)IT设施服务：电信运营商因其能够提供有质量保障的计算和超强的存储能力服务，将在物联网发展中扮演非常重要的角色。随着物联网应用中大量物体的接入，需要捕捉、收集和分析处理的数据量越来越大，因此对信息通信网络以及计算与存储能力的需求量将进一步呈爆炸式增长。云计算模式是海量智能信息处理的重要手段，电信运营商能够基于现有的强大的计算和存储能力，进一步发展成为智能平台的建设者以及云计算服务的提供者[7]。

3 物联网连接平台现状及定位

3.1 物联网连接平台现状

随着物联网市场的蓬勃发展，物联网平台的重要性地位越来越受到重视，近几年，各大厂商都在加大物联网平台的投入，物联网正经历从硬件、传感等基础设备向软件平台和垂直行业应用升级。预计2020年全球将有500亿连接，是当前连接数的6～7倍，我国物联网市场规模将超过2万亿元[8]。驱动物联网生态发展的因素逐渐成熟，如硬件成本下降、云计算大数据与行业结合、5G和NB-IoT等技术推进等。物联网生态圈所处的阶段正值爆发前夜，平台将是产业生态的核心[9]。

物联网连接管理平台主要针对终端(SIM卡)的通讯通道提供连接性管理、诊断以及终端管理方面的功能，目前比较典型的连接管理平台有思科的Jasper平台、爱立信的DCP、Telit的M2M平台等。电信运营商在物联网发展中具备一些天生优势，如：通信管道、计费支付、业务运营、品牌号召力等方面。国内其他运营商也在加快物联网平台布局，着力点在连接管理平台[10-11]。

目前国外在业界比较先进的物联网连接管理平台包括亚马逊AWS IoT、微软Azure IoT、IBM Watson IoT等。1)AWS IoT是一款托管的云平台，使互联设备可以轻松安全地与云应用程序及其他设备交互，可支持数十亿台设备和数万亿条消息，并且可以对这些消息进行处理并将其安全可靠地路由至AWS终端节点和其他设备。应用程序可以随时跟踪所有设备并与其通信，即使这些设备未处于连接状态。可以使用AWS Lambda、 Amazon Kinesis、Amazon S3、Amazon Machine Learning、AmazonDynamoDB、Amazon CloudWatch、AWS CloudTrail和内置Kibana集成的Amazon Elasticsearch Service等AWS服务来构建IoT应用程序，以便收集、处理和分析互连设备生成的数据并对其执行操作，且无需管理任何基础设施。AWS IoT设备SDK使用MQTT、HTTP或WebSockets协议将硬件设备连接到AWS IoT。设备SDK支持C、JavaScript、Arduino、Java和Python。2)微软Azure IoT用于连接设备、其它M2M资产和人员，以便在业务和操作中更好地利用数据，包含连接IoT设备、实时监控两大部分。Azure IoT中心是一项完全托管的服务，可在数百万个IoT设备和一个解决方案后端之间实现安全可靠的双向通信。提供可靠的设备到云和云到设备的大规模消息传送；使用每个设备的安全凭据和访问控制来实现安全通信；可广泛监视设备连接性和设备标识管理事件；包含最流行语言和平台的设备库。Azure IoT中心拥有设备级别的身份验证、设备连接操作监控、丰富的设备库、可扩展的IoT协议。支持可扩展高并发的事件处理、基于事件的设备数据处理、可靠的云到设备消息传送、存储/分析文件和缓存的传感器数据。3)IBM Watson IoT提供全面管理的云托管服务，旨在简化并从IoT设备中获得价值。平台提供对IoT设备和数据的强大应用程序访问，可快速编写分析应用程序、可视化仪表板和移动IoT应用程序。以执行强大的设备管理操作，并存储和访问设备数据，连接各种设备和网关。平台通过使用MQTT和TLS，提供与设备之间的安全通信。Watson IoT平台使应用程序与已连接的设备、传感器和网关进行通信并使用由它们收集的数据。应用程序可以使用实时API和REST API来与设备进行通信。

3.2 物联网连接平台定位

连接管理服务是指运营商整合自身的通信网络能力与IT运营能力，通过专业团队专业运营，面向大客户、服务商、集成商，提供以通信连接管理为核心的一站式专业服务。如图1所示，连接管理平台是连接管理服务的物理载体，是电信运营商打造物联网差异化通道服务的必备要素，是集约运营质量管控的主要工具，也是客户直接可感知的关键服务界面[12]。

图1 物联网连接管理平台定位图

4 物联网连接管理平台建设方案

4.1 物联网连接管理平台总体架构

运营商物联网连接管理平台总体架构如图2所示。

物联网连接管理平台的逻辑结构包括服务层、管理层、系统层。

服务层包括客户自服务门户、运营商门户管理及API开放。其中运营商门户支撑运营商具有不同权限的角色对平台进行管理，包括企业信息查询、账单信息查询、故障诊断、统计分析等，支持以客户渠道为对象的分权分域管理。客户自服务门户支撑企业客户具有不同权限的角色对本企业的SIM卡进行管理，包括SIM信息/SIM卡关联关系管理、自助开通、账单查询、统计分析等，支持一级企业客户对二级企业客户的管理。

管理层包括自助开通、SIM卡管理、资料管理、故障诊断、事件处理、账单管理、实名认证、位置跟踪和管控等。

系统层包括系统管理、用户管理、权限管理、日志管理、安全管理、统计分析等。

4.2 物联网连接管理平台与周边系统接口

运营商物联网连接管理平台系统对外的接口如图3所示。

物联网连接性管理平台与周边网元的接口主要包括与端到端质量保障分析系统、物联网IT、集团网管平台以及能力平台接口[13]。

1)与端到端质量保障分析系统接口；物联网连接性管理平台通过与端到端质量保障系统接口获取和终端SIM相关的信令信息，支持SIM卡网络状态查询以及诊断，包括以下3种接口。

查询接口可实时查询用户SIM卡网络状态；增量同步接口可增量同步时间颗粒度内所有SIM卡信令信息相关的网络数据变化时间，增量时间颗粒度可设，默认为15分钟；订阅事件上报接口可上报订阅事件。

2)与物联网IT接口：物联网连接性管理平台通过与物联网IT接口获取和终端SIM相关的卡订单、卡状态、用户账单/详单、套餐信息、用量及自动化规则触发等信息，支持SIM卡账务信息查询、用量查询、自动化规则事件、新开卡、卡状态变更、资费变更、客户资料/套餐信息同步等功能，包括以下4种接口。

查询接口：物联网连接管理平台通过查询接口，向IT平台查询客户资料、SIM信息、用户套餐信息等。

同步接口：同步客户资料、SIM卡信息、物联网套餐信息，自动化规则模板信息。

订单接口：物联网连接管理平台通过订单接口向IT平台发起卡订单管理操作请求，包括新开卡、停复机、套餐变更等。

自动化事件接口：物联网连接管理平台通过自动化事件接口同步自动化事件实例、IT平台捕捉自动化实例触发事件并通过自动化事件接口上报物联网连接管理平台。

3)与集团业务平台综合网管系统的接口：物联网连接管理平台纳入集团综合网管系统管理，通过与集团综合网管系统接口，按照集团综合网管系统的监控要求，上报相关平台信息。接口遵循集团业务平台综合网管系统的相关接口要求。

图2 某运营商物联网连接管理平台总体架构图

图3 某运营商物联网连接管理平台对外接口图

4)与终端自注册平台接口：通过终端自注册平台与物联网连接管理平台接口，上报终端模组与SIM卡绑定等信息至物联网连接管理平台。平台对接时，全量同步终端模组与SIM卡绑定等信息，之后实时上报终端模组与SIM卡绑定等信息。

5)与充值平台接口：物联网连接管理平台通过集团充值平台接口，支持向企业账号及SIM卡号进行充值。

6)短信平台接口：物联网连接管理平台调用集中建设的短信平台接口(SMPP)向客户或用户终端发送短信通知。

7)与定位平台接口：物联网连接管理平台通过商务领航平台的汇聚网关位接口调用粗定位能力提供位置服务。

8)与实名制云服务平台接口：物联网连接管理平台调用实名制云服务平台接口，做实名制信息请求及响应。

4.3 物联网连接平台建设方案

本期工程全部硬件和第三方软件均由云资源池提供，系统硬件需求汇总见表1。

表1 某运营商连接管理平台硬件需求配置表

本期系统硬件需求由云资源池统一提供，新增Web服务器部署于DMZ区，其余服务器(数据库服务器、业务处理服务器、接口服务器、统计分析服务器)部署于生产区域1，新增设备及组网方案如图4所示。

5 总结

图4 某运营商物联网连接管理平台方案拓扑图

目前全球工业物联网平台有50%左右由美国企业提供，我国工业物联网平台刚刚起步。我国企业在2015年之后积极开展布局，目前国内的物联网平台与国外物联网平台亚马逊AWS IoT、微软Azure IoT、IBM Watson IoT等相比已经搭建了连接管理平台，解决通信连接、设备管理、数据服务等基础问题；完成了业务能力标准化，适配主流的运营商、模组、设备、协议等；具备将业务服务云服务化，通过SaaS的手段，解决服务的快速提供；可提供自定义的数据决策系统、运营支持系统。但是数以亿计的设备将产生海量的数据，与此同时，数据暴露的可能性也将持续增大，将威胁工业系统的生产和应用过程。数据所有权和安全性问题仍是国内物联网平台未来推广应用急需解决的问题。

当前全球物联网技术体系、商业模式、产业生态仍在不断演变和探索中，针对物联网连接管理平台的研究仍然处于起步阶段，虽然国内外各家运营商均在各自进行不同程度的探索，但是在整个平台的需求、规范、标准以及关键技术等方面仍有很多问题亟待产业链各方合作共同解决。在这样的产业环境下，拥有丰富资源的电信运营商，在提供物联网基础信息服务的基础上，在积累了丰富的运营传统和互联网业务经验的条件下，无疑可以充当物联网产业链中的核心环节。运营商连接管理平台是连接管理服务的系统载体，首先是客户直接可感知的关键服务界面，是运营商集约运营质量管控的主要工具，是打造物联网差异化通道服务的必备要素，是未来数据运营的基础平台。本平台的建设将提升运营商的综合竞争力，其建成后在为运营商带来更多业务收入和显著增强综合竞争力的同时，也为产业生态构建掌握了物联网生态的主动权，为推动我国物联网的发展做出更大的贡献[14]。