试论M2M移动通信网络架构研究(3)

　　3 M2M业务对现网架构的影响

　　从对现网架构的影响来说，M2M业务可以分为两类：A类是现有网络不能满足需要网络优化的业务，这类业务需要过载控制功能来避免网络过载，以及针对客户的业务需求提供差别化的服务;B类是对于现有网络影响较小的业务，这类业务是对时效性要求不高的MTC业务，而且这些业务和现在的移动网络业务有类似的需求。从整体来说，M2M业务中大部分是A类业务，以下分析的是A类业务对现网架构的影响[3]。

　　M2M业务的多样性、差异化，网络的多种接入方式，M2M终端的海量性、差异化，以及M2M业务表现出来的传统电信业务所不具有的各种特点，都对现网架构和网元设备产生了很大影响，其直接后果是现网的核心网元如HLR/PCRF/GGSN的能力已经不能满足M2M业务所带来的信令、流量冲击和业务控制需求，主要体现在以下方面：

　　(1)由于物联网业务的特殊性，可能会产生瞬时大量的信令，会对无线网络的关键信令控制设备(STP/HLR/PCRF)造成影响而导致全网的瘫痪。因此，一方面要大规模提高相关信令控制设备的容量或设备的信令处理能力;另一方面需要进行差异化、分优先级的接入控制;此外，关键信令控制和处理设备要具备一定的设备过载保护机制以及高容灾、高流控能力，避免关键网元的过载，从而有效提升整网的可靠性。

　　(2)由于物联网业务的特殊性，其接入方式的多样性，涉及行业及用户和设备的多样性、海量性，因此需要对用户数据管理HLR网元进行相应增强，包括其数据库的可扩展性和灵活性，除了标准的用户签约信息，还有设备序列号、设备驱动程序信息、位置信息和配额信息等运营商、M2M客户私有字段等;对多种接入类型的支持，可对由不同接入类型(2G/3G/LTE)接入网络的设备进行鉴权;对用户标识和寻址的灵活动态支持，支持一卡多号或一号多卡;支持对终端设备基本状态的查询，能通过网络侧下发终端“苏醒”请求，发现设备被盗时能够立刻锁死等。

　　(3)由于物联网业务的特殊性及多样性、群组性，因此有必要对业务进行区分，包括业务分类分级、QoS分级、用户分组、设备分组，从而进行流量管理和业务管理，根据忙闲时、地理位置等各种特性采取不同的接入和传输处理策略等。此外，在现网PCC架构中叠加物联网策略控制，因其特殊性，PCRF(Policy and Charging Rules Function，策略与计费规则功能)进行策略控制时需先判断是个人用户还是物联网用户，而且物联网数据的瞬时爆发性会影响现网PCC架构，所以有必要设置专用的物联网M2M PCRF。

　　总之，需要对相关网元进行能力的增强和升级，可以改造现有相关网元，也可以设置M2M的专用网元叠加在现有H2H网络上来解决相应问题。

　　4 国际标准组织提出的M2M网络架构

　　国际标准组织如ITU、ETSI和3GPP等分别从不同角度提出了M2M的网络架构[4]。

　　根据ITU-T发布的定义，物联网体系架构主要可划分为三个层面：感知层、网络层和应用层。如图1所示，该架构基本达成业界共识，但是其体系架构过于抽象属于概念模型，在转化为技术实现的过程中还需要细化。

　　在ITU-T物联网体系架构的基础上，ETSI提出了一种可看作逻辑模型的M2M应用顶层架构[5]。如图2所示，ETSI把M2M体系架构划分为M2M设备及网关和M2M网络两个大域。M2M设备及网关域包括M2M设备、M2M网关和M2M局域网，可以基于现有的各类标准实现;M2M网络域则包括广域网和M2M应用系统。

　　相较于ITU的概念模型，ETSI的逻辑模型侧重于M2M服务能力层，通过对服务能力和接口的定义来实现屏蔽网络细节的M2M应用、M2M服务能力及网络三者之间的相互调用，可供在研究平台和网关设备功能及接口时参考。

　　在ETSI的体系架构基础上，3GPP也提出了一种支持MTC应用的通信架构。如图3所示，涉及到的实体包括MTC终端、承载网络、MTC服务器和MTC应用。其中，MTC服务器是MTC业务的管理平台;MTC应用负责业务逻辑的实现。承载M2M通信的移动网络包括GPRS、EPC以及短消息和IMS网络。

　　3GPP提出的MTC通信架构侧重于M2M网络层，对M2M网络中各通信网元的功能和接口进行了定义，其适用于研究MTC业务的管理平台以及M2M核心网络的功能和接口时参考。

　　以上标准组织虽然都提出了M2M的网络体系架构，但是有其局限性。ITU和ETSI的架构过于框架性，对于实际的网络部署没有较好的指导意义;3GPP虽然对于网络网元功能增强有一定的研究，但是由于目前部署的H2H网络大多处于R7或R8版本，而MTC网络体系的研究是在R10以上版本的网络基础上进行的。因此，在现有网络中按照标准来部署MTC网络还为时尚早，需要研究一种网络架构既具有在现有网络基础上投资和部署的可行性，又能满足现阶段MTC业务应用的需求。

　　5 3G网络阶段的M2M网络架构

　　在现有的3G网络阶段，为解决发展M2M业务面临的网络运营和网络资源问题，运营商可以通过采用物理上隔离的网络来单独承载机器通信业务，在初期可以通过核心网中专设的网元实现业务的隔离，在后期演进也可以延伸到采用专用的接入网实现物联网业务的接入隔离。此外，物联网管理平台也是物联网解决方案中必不可少的组成部分。物联网管理平台与物联网独立网元配合，在物联网业务发展的初期阶段主要实现物联网独立码号集中管理和物联网业务有效管控等功能。随着物联网的发展，平台的功能也会逐步支撑更多资源管控与更多的业务流程，并开放更多资源及能力。可以根据M2M业务的特性，实现基于位置、时间段、接入类型的QoS控制和相应的计费策略;还可以根据用户的属性及行为进行相应的分组，实行基于群组的流量统计、事件分发和策略执行等，这体现在核心网中PCRF/SPR/M2MSP的功能实现。综上所述，在3G发展阶段，M2M网络架构的特征具体体现在以下四个方面：

　　(1)在无线接入侧对Wi-Fi、2G、3G、无线传感网络等多种方式的整合，实现移动通信网络对行业应用领域的广覆盖，构建面向行业的M2M移动网络。

　　(2)在核心侧构建M2M专用的HLR、GGSN、SMSC等网元，实现对M2M等物联网业务的集中运维和管理，并能够实现与“现网”的有效隔离，有利于网络的安全、稳定、扩容及升级。