1. 引言

　　物物通信(M2M，Machine to Machine)是一種涉及一個(gè)或多個(gè)實(shí)體的不需要人為干預(yù)的數(shù)據(jù)通信，也稱為機(jī)器類型通信(MTC，Machine-Type Communication)。隨著M2M業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的MTC正日益成為一種主要的移動(dòng)通信方式，但是傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)畢竟是面向人人通信(H2H，Hu-man to human)業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的，適應(yīng)H2H的業(yè)務(wù)需求，卻不能滿足M2M業(yè)務(wù)需求。具體來說，MTC和傳統(tǒng)人人通信的不同之處包括以下方面[1]：

　　(1)基于MTC通信的應(yīng)用場(chǎng)景比H2H通信的場(chǎng)景豐富很多，而且具有差異性。根據(jù)功能特性劃分大致可歸納為位置感知和共享、環(huán)境信息感知、遠(yuǎn)程控制與執(zhí)行、數(shù)據(jù)收集發(fā)布、視頻監(jiān)控、近場(chǎng)通信等。這些應(yīng)用的差異化一方面表現(xiàn)為功能上的多樣性;另一方面也體現(xiàn)在應(yīng)用特征以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求上的差異化。

　　(2)數(shù)據(jù)通信為主，包括小流量數(shù)據(jù)包、視頻流等。

　　(3)要求MTC通信成本比H2H更低。由于M2M業(yè)務(wù)是在H2H業(yè)務(wù)之后發(fā)展起來的，最小化成本是M2M業(yè)務(wù)生存的重要考慮。不同的應(yīng)用因其重要性不同，對(duì)通信的要求也是不同的，需要結(jié)合事件發(fā)生的可能性和需要付出的通信等綜合成本來考慮進(jìn)行成本的最小化。

　　(4)M2M終端數(shù)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(wǎng)絡(luò)，而且M2M終端無論是從傳輸特性、QoS要求和移動(dòng)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(shù)據(jù)量傳輸為主。

　　如果繼續(xù)使用傳統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)來進(jìn)行MTC通信，其系統(tǒng)的效率、成本和適用性都無法達(dá)到最優(yōu)。因此，在考慮M2M業(yè)務(wù)特征的同時(shí)減少對(duì)H2H業(yè)務(wù)的影響，從而設(shè)計(jì)MTC專用的通信系統(tǒng)，是當(dāng)前物物通信不斷發(fā)展背景下的一個(gè)重要課題。

　　2. M2M業(yè)務(wù)特征分析

　　網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要以網(wǎng)絡(luò)所承載的具體業(yè)務(wù)為出發(fā)點(diǎn)[2]。也就是說，M2M網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)需要充分分析M2M業(yè)務(wù)特征和需求，結(jié)合終端上下行數(shù)據(jù)量、頻度、QoS需求等方面的業(yè)務(wù)特征，將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用分為如下五類。其中，對(duì)各類應(yīng)用的部分需求和特征進(jìn)行了分析，包括移動(dòng)性、群組通信、鑒權(quán)以及按計(jì)劃周期性處理等，不同場(chǎng)景間有較大差異。

　　(1)監(jiān)控報(bào)警類：傳感器本地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)生不符合預(yù)期的數(shù)據(jù)變化時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)通知應(yīng)用層進(jìn)行報(bào)警。

　　平均數(shù)據(jù)傳輸速率：低，僅在某些觸發(fā)條件下發(fā)送少量上行數(shù)據(jù)流量。

　　尖峰數(shù)據(jù)傳輸速率：不同場(chǎng)景間有較大差異，與應(yīng)用需求確定的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容有關(guān)。

　　QoS要求：不同場(chǎng)景間有較大差異，與應(yīng)用需求以及當(dāng)前數(shù)據(jù)所代表的含義有關(guān)。

　　數(shù)據(jù)安全要求：不同場(chǎng)景間有較大差異，與應(yīng)用需求有關(guān)。

　　數(shù)據(jù)可靠傳遞要求：不同場(chǎng)景間有較大差異，與應(yīng)用需求有關(guān)。

　　數(shù)據(jù)持續(xù)性：低，僅在發(fā)生預(yù)置的事件時(shí)存在短暫的或者持續(xù)時(shí)間較短的數(shù)據(jù)傳輸。

　　與人交互性：低，通常由系統(tǒng)根據(jù)預(yù)置處理方式自動(dòng)處理。

　　對(duì)連接性的需求：需要監(jiān)控連接性以防破壞或無效。

　　終端移動(dòng)性：因無下行流量需求，所以無移動(dòng)性需求。

　　舉例：輸血車血液環(huán)境監(jiān)測(cè);井蓋監(jiān)控;移動(dòng)資產(chǎn)跟蹤。

　　(2)數(shù)據(jù)收集類

　　平均數(shù)據(jù)傳輸速率

　　上行流量：中，數(shù)據(jù)量較大，持續(xù)的數(shù)據(jù)上報(bào)或者周期性數(shù)據(jù)上報(bào);下行流量：低，更多的是用于修改上報(bào)規(guī)則等。

　　尖峰數(shù)據(jù)傳輸速率：不同場(chǎng)景間有較大差異，與應(yīng)用需求確定的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容有關(guān)。

　　QoS要求：不同場(chǎng)景間有較大差異，與應(yīng)用需求以及當(dāng)前數(shù)據(jù)所代表的含義有關(guān)。

　　數(shù)據(jù)安全要求：不同場(chǎng)景間有較大差異，與應(yīng)用需求有關(guān)。

　　數(shù)據(jù)可靠傳遞要求：不同場(chǎng)景間有較大差異，與應(yīng)用需求有關(guān)。

　　數(shù)據(jù)持續(xù)性：取決于數(shù)據(jù)傳輸間隔和傳輸方式的選擇。[論文網(wǎng)]

　　與人交互性：低，通常由系統(tǒng)根據(jù)預(yù)置處理方式自動(dòng)處理。

　　對(duì)連接性的需求：需要監(jiān)控連接性以防破壞或無效。

　　終端移動(dòng)性：因偶爾有下行數(shù)據(jù)，所以需要優(yōu)化的移動(dòng)性管理。

　　舉例：氣象信息監(jiān)測(cè);火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集;路況信息收集。

　　(3)信息推送類

　　平均數(shù)據(jù)傳輸速率

　　上行流量：通常較低，主要用于提供應(yīng)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(xù)的、基于交互等外界條件出發(fā)的或者周期性的數(shù)據(jù)推送。

　　尖峰數(shù)據(jù)傳輸速率：具有明顯的尖峰數(shù)據(jù)特征，在條件觸發(fā)后下發(fā)匹配的信息。

　　QoS要求：不同場(chǎng)景間有較大差異，與應(yīng)用需求以及當(dāng)前數(shù)據(jù)所代表的含義有關(guān)。

　　數(shù)據(jù)安全要求：不同場(chǎng)景間有較大差異，與應(yīng)用需求有關(guān)。

　　數(shù)據(jù)可靠傳遞要求：不同場(chǎng)景間有較大差異，與應(yīng)用需求有關(guān)。

　　數(shù)據(jù)持續(xù)性：通常具有較長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)性。

　　與人交互性：高，通常用戶會(huì)做出反饋，系統(tǒng)根據(jù)反饋對(duì)推送的信息進(jìn)行調(diào)整。

　　對(duì)連接性的需求：較強(qiáng)，需要維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接以便于進(jìn)行數(shù)據(jù)的正確傳輸。

　　終端移動(dòng)性：兩極分化。部分終端有很強(qiáng)的移動(dòng)性;部分終端則通常不移動(dòng)。

　　舉例：智能博物館等。

　　(4)視頻監(jiān)控類

　　平均數(shù)據(jù)傳輸速率

　　上行流量：高，主要用于傳遞所監(jiān)控的多媒體數(shù)據(jù);下行流量：低，主要用于傳遞控制和調(diào)節(jié)命令等。

　　尖峰數(shù)據(jù)傳輸速率：無明顯的尖峰數(shù)據(jù)特征，數(shù)據(jù)傳輸通常維持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的傳輸速率。

　　QoS要求：不同場(chǎng)景間有較大差異，與應(yīng)用需求有關(guān)。

　　數(shù)據(jù)安全要求：不同場(chǎng)景間有較大差異，與應(yīng)用需求有關(guān)。

　　數(shù)據(jù)可靠傳遞要求：不同時(shí)刻有不同的要求。如在正常情況下要求適中，但一旦發(fā)生某些預(yù)置的事件則需要較高的可靠性傳遞。

　　數(shù)據(jù)持續(xù)性：通常具有長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)性。

　　與人交互性：低，用戶偶爾會(huì)對(duì)視頻監(jiān)控過程進(jìn)行干預(yù)。

　　對(duì)連接性的需求：較強(qiáng)，需要維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接以便于進(jìn)行數(shù)據(jù)的正確傳輸。

　　終端移動(dòng)性：兩極分化。部分終端有很強(qiáng)的移動(dòng)性;部分終端則通常不移動(dòng)。

　　舉例：家庭安防中的視頻監(jiān)控等。

　　(5)遠(yuǎn)程控制執(zhí)行器類

　　平均數(shù)據(jù)傳輸速率

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

　　尖峰數(shù)據(jù)傳輸速率：通常具有明顯的尖峰數(shù)據(jù)特征。

　　QoS要求：不同場(chǎng)景間有較大差異，與應(yīng)用需求有關(guān)。

　　數(shù)據(jù)安全要求：不同場(chǎng)景間有較大差異，與應(yīng)用需求有關(guān)。

　　數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)。

　　數(shù)據(jù)持續(xù)性：通常具有長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)性。

　　與人交互性：高，通常是對(duì)人操作指令的具體反映。

　　對(duì)連接性的需求：較強(qiáng)，需要維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接以便于進(jìn)行數(shù)據(jù)的正確傳輸。

　　終端移動(dòng)性：兩極分化。部分終端有很強(qiáng)的移動(dòng)性;部分終端則通常不移動(dòng)。

　　舉例：工業(yè)自動(dòng)化等。

　　3. M2M業(yè)務(wù)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)架構(gòu)的影響

　　從對(duì)現(xiàn)網(wǎng)架構(gòu)的影響來說，M2M業(yè)務(wù)可以分為兩類：A類是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不能滿足需要網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的業(yè)務(wù)，這類業(yè)務(wù)需要過載控制功能來避免網(wǎng)絡(luò)過載，以及針對(duì)客戶的業(yè)務(wù)需求提供差別化的服務(wù);B類是對(duì)于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)影響較小的業(yè)務(wù)，這類業(yè)務(wù)是對(duì)時(shí)效性要求不高的MTC業(yè)務(wù)，而且這些業(yè)務(wù)和現(xiàn)在的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)有類似的需求。從整體來說，M2M業(yè)務(wù)中大部分是A類業(yè)務(wù)，以下分析的是A類業(yè)務(wù)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)架構(gòu)的影響[3]。

　　M2M業(yè)務(wù)的多樣性、差異化，網(wǎng)絡(luò)的多種接入方式，M2M終端的海量性、差異化，以及M2M業(yè)務(wù)表現(xiàn)出來的傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)所不具有的各種特點(diǎn)，都對(duì)現(xiàn)網(wǎng)架構(gòu)和網(wǎng)元設(shè)備產(chǎn)生了很大影響，其直接后果是現(xiàn)網(wǎng)的核心網(wǎng)元如HLR/PCRF/GGSN的能力已經(jīng)不能滿足M2M業(yè)務(wù)所帶來的信令、流量沖擊和業(yè)務(wù)控制需求，主要體現(xiàn)在以下方面：

　　(1)由于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的特殊性，可能會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)大量的信令，會(huì)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵信令控制設(shè)備(STP/HLR/PCRF)造成影響而導(dǎo)致全網(wǎng)的癱瘓。因此，一方面要大規(guī)模提高相關(guān)信令控制設(shè)備的容量或設(shè)備的信令處理能力;另一方面需要進(jìn)行差異化、分優(yōu)先級(jí)的接入控制;此外，關(guān)鍵信令控制和處理設(shè)備要具備一定的設(shè)備過載保護(hù)機(jī)制以及高容災(zāi)、高流控能力，避免關(guān)鍵網(wǎng)元的過載，從而有效提升整網(wǎng)的可靠性。

　　(2)由于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的特殊性，其接入方式的多樣性，涉及行業(yè)及用戶和設(shè)備的多樣性、海量性，因此需要對(duì)用戶數(shù)據(jù)管理HLR網(wǎng)元進(jìn)行相應(yīng)增強(qiáng)，包括其數(shù)據(jù)庫的可擴(kuò)展性和靈活性，除了標(biāo)準(zhǔn)的用戶簽約信息，還有設(shè)備序列號(hào)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序信息、位置信息和配額信息等運(yùn)營(yíng)商、M2M客戶私有字段等;對(duì)多種接入類型的支持，可對(duì)由不同接入類型(2G/3G/LTE)接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進(jìn)行鑒權(quán);對(duì)用戶標(biāo)識(shí)和尋址的靈活動(dòng)態(tài)支持，支持一卡多號(hào)或一號(hào)多卡;支持對(duì)終端設(shè)備基本狀態(tài)的查詢，能通過網(wǎng)絡(luò)側(cè)下發(fā)終端“蘇醒”請(qǐng)求，發(fā)現(xiàn)設(shè)備被盜時(shí)能夠立刻鎖死等。

　　(3)由于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的特殊性及多樣性、群組性，因此有必要對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)分，包括業(yè)務(wù)分類分級(jí)、QoS分級(jí)、用戶分組、設(shè)備分組，從而進(jìn)行流量管理和業(yè)務(wù)管理，根據(jù)忙閑時(shí)、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(xiàn)網(wǎng)PCC架構(gòu)中疊加物聯(lián)網(wǎng)策略控制，因其特殊性，PCRF(Policy and Charging Rules Function，策略與計(jì)費(fèi)規(guī)則功能)進(jìn)行策略控制時(shí)需先判斷是個(gè)人用戶還是物聯(lián)網(wǎng)用戶，而且物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的瞬時(shí)爆發(fā)性會(huì)影響現(xiàn)網(wǎng)PCC架構(gòu)，所以有必要設(shè)置專用的物聯(lián)網(wǎng)M2M PCRF。

　　總之，需要對(duì)相關(guān)網(wǎng)元進(jìn)行能力的增強(qiáng)和升級(jí)，可以改造現(xiàn)有相關(guān)網(wǎng)元，也可以設(shè)置M2M的專用網(wǎng)元疊加在現(xiàn)有H2H網(wǎng)絡(luò)上來解決相應(yīng)問題。

　　4. 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織提出的M2M網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織如ITU、ETSI和3GPP等分別從不同角度提出了M2M的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[4]。

　　根據(jù)ITU-T發(fā)布的定義，物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)主要可劃分為三個(gè)層面：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。如圖1所示，該架構(gòu)基本達(dá)成業(yè)界共識(shí)，但是其體系架構(gòu)過于抽象屬于概念模型，在轉(zhuǎn)化為技術(shù)實(shí)現(xiàn)的過程中還需要細(xì)化。

　　在ITU-T物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，ETSI提出了一種可看作邏輯模型的M2M應(yīng)用頂層架構(gòu)[5]。如圖2所示，ETSI把M2M體系架構(gòu)劃分為M2M設(shè)備及網(wǎng)關(guān)和M2M網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)大域。M2M設(shè)備及網(wǎng)關(guān)域包括M2M設(shè)備、M2M網(wǎng)關(guān)和M2M局域網(wǎng)，可以基于現(xiàn)有的各類標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn);M2M網(wǎng)絡(luò)域則包括廣域網(wǎng)和M2M應(yīng)用系統(tǒng)。

　　相較于ITU的概念模型，ETSI的邏輯模型側(cè)重于M2M服務(wù)能力層，通過對(duì)服務(wù)能力和接口的定義來實(shí)現(xiàn)屏蔽網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)的M2M應(yīng)用、M2M服務(wù)能力及網(wǎng)絡(luò)三者之間的相互調(diào)用，可供在研究平臺(tái)和網(wǎng)關(guān)設(shè)備功能及接口時(shí)參考。

　　在ETSI的體系架構(gòu)基礎(chǔ)上，3GPP也提出了一種支持MTC應(yīng)用的通信架構(gòu)。如圖3所示，涉及到的實(shí)體包括MTC終端、承載網(wǎng)絡(luò)、MTC服務(wù)器和MTC應(yīng)用。其中，MTC服務(wù)器是MTC業(yè)務(wù)的管理平臺(tái);MTC應(yīng)用負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)。承載M2M通信的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)包括GPRS、EPC以及短消息和IMS網(wǎng)絡(luò)。

　　3GPP提出的MTC通信架構(gòu)側(cè)重于M2M網(wǎng)絡(luò)層，對(duì)M2M網(wǎng)絡(luò)中各通信網(wǎng)元的功能和接口進(jìn)行了定義，其適用于研究MTC業(yè)務(wù)的管理平臺(tái)以及M2M核心網(wǎng)絡(luò)的功能和接口時(shí)參考。

　　以上標(biāo)準(zhǔn)組織雖然都提出了M2M的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，但是有其局限性。ITU和ETSI的架構(gòu)過于框架性，對(duì)于實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)部署沒有較好的指導(dǎo)意義;3GPP雖然對(duì)于網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元功能增強(qiáng)有一定的研究，但是由于目前部署的H2H網(wǎng)絡(luò)大多處于R7或R8版本，而MTC網(wǎng)絡(luò)體系的研究是在R10以上版本的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。因此，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中按照標(biāo)準(zhǔn)來部署MTC網(wǎng)絡(luò)還為時(shí)尚早，需要研究一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)既具有在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上投資和部署的可行性，又能滿足現(xiàn)階段MTC業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求。

　　5. 3G網(wǎng)絡(luò)階段的M2M網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　在現(xiàn)有的3G網(wǎng)絡(luò)階段，為解決發(fā)展M2M業(yè)務(wù)面臨的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)和網(wǎng)絡(luò)資源問題，運(yùn)營(yíng)商可以通過采用物理上隔離的網(wǎng)絡(luò)來單獨(dú)承載機(jī)器通信業(yè)務(wù)，在初期可以通過核心網(wǎng)中專設(shè)的網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的隔離，在后期演進(jìn)也可以延伸到采用專用的接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的接入隔離。此外，物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)也是物聯(lián)網(wǎng)解決方案中必不可少的組成部分。物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)與物聯(lián)網(wǎng)獨(dú)立網(wǎng)元配合，在物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展的初期階段主要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)獨(dú)立碼號(hào)集中管理和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)有效管控等功能。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，平臺(tái)的功能也會(huì)逐步支撐更多資源管控與更多的業(yè)務(wù)流程，并開放更多資源及能力?？梢愿鶕?jù)M2M業(yè)務(wù)的特性，實(shí)現(xiàn)基于位置、時(shí)間段、接入類型的QoS控制和相應(yīng)的計(jì)費(fèi)策略;還可以根據(jù)用戶的屬性及行為進(jìn)行相應(yīng)的分組，實(shí)行基于群組的流量統(tǒng)計(jì)、事件分發(fā)和策略執(zhí)行等，這體現(xiàn)在核心網(wǎng)中PCRF/SPR/M2MSP的功能實(shí)現(xiàn)。綜上所述，在3G發(fā)展階段，M2M網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特征具體體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：