謝寶國(guó)

（中興通訊股份有限公司中研院系統(tǒng)架構(gòu)部 南京210012）

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮，將給IT和通信帶來(lái)廣闊的新市場(chǎng)。

在全球，越來(lái)越多的用戶需求是希望對(duì)信息的無(wú)窮汲取，無(wú)論您身處何處，都可以及時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)了解各方的資訊，您的愛(ài)車、您的家、您的快遞、您發(fā)的貨物，這些物品的信息都可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)及時(shí)查詢。人們?yōu)閷?shí)現(xiàn)物品信息的獲取，提出了物聯(lián)網(wǎng)與泛在網(wǎng)的概念，以期望設(shè)備智能化，能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞信息。

物聯(lián)網(wǎng)可以通過(guò)電子標(biāo)簽，把所有物品通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。泛在網(wǎng)更進(jìn)一步，所有物品可以通過(guò)各類網(wǎng)絡(luò)互相交互信息，體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無(wú)所不在、無(wú)所不能的優(yōu)勢(shì)。

物聯(lián)網(wǎng)是“物物相連的網(wǎng)絡(luò)”。這里有兩層含義：首先，信息的提供者和使用者從人逐步擴(kuò)展到物理實(shí)體，物體之間通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信和信息交換；其次，通過(guò)各種無(wú)線和/或有線的、長(zhǎng)距離和/或短距離通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體間的互聯(lián)互通，通信和傳輸過(guò)程不需要或僅需要有限的人工干預(yù)。

通俗上講，物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)傳感設(shè)備按照約定的協(xié)議，把各種網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

從廣義上理解，物聯(lián)網(wǎng)不是網(wǎng)絡(luò)而是應(yīng)用和業(yè)務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)的主要特征是每一個(gè)物件都具有標(biāo)識(shí)，可以被尋址，每一個(gè)物件都可以控制，每一個(gè)物件都可以通信。

M2M是machine to machine的簡(jiǎn)稱，專指機(jī)器與機(jī)器間通信的業(yè)務(wù)類型。M2M終端通過(guò)“通信網(wǎng)絡(luò)”傳遞信息從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器對(duì)機(jī)器或人對(duì)機(jī)器的數(shù)據(jù)交換，也就是通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)器之間的互聯(lián)、互通。狹義的物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，IOT）則是指M2M在廣域網(wǎng)、特別是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，即以移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái)，采用多種傳輸方式（CDMA/GSM/SMS等），通過(guò)特種行業(yè)終端，服務(wù)于行業(yè)用戶機(jī)器到機(jī)器的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。

M2M/IOT業(yè)務(wù)在全球具有潛在的市場(chǎng)，地理分布廣泛，可以部署在任何網(wǎng)絡(luò)可達(dá)的位置，取代高成本的有人值守，實(shí)現(xiàn)真正意義上的無(wú)人值守，對(duì)于電力、水利、采油、采礦、環(huán)保、氣象、煙草、金融等行業(yè)的信息采集意義巨大，有巨大的市場(chǎng)價(jià)值。

2 物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)前景與存在的問(wèn)題

自從2002年在美國(guó)首次商用以來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用便以星火燎原之勢(shì)在全球迅速蔓延。在國(guó)外，Verizon、AT&T、Telenor、NTT docomo等紛紛推出了M2M和IOT應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，在工業(yè)化和信息化融合以及尋求市場(chǎng)新增點(diǎn)的雙重驅(qū)動(dòng)下，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司、中國(guó)電信集團(tuán)公司等運(yùn)營(yíng)商這幾年也開(kāi)始了排兵布陣。最近，中國(guó)政府將物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)正式納入國(guó)家《信息產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展“十一五”規(guī)劃及2020年中長(zhǎng)期規(guī)劃綱要》重點(diǎn)扶持項(xiàng)目。M2M和IOT產(chǎn)業(yè)將為社會(huì)民生帶來(lái)的深遠(yuǎn)影響已經(jīng)得到了政府的高度重視。

M2M作為物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)階段的最普遍的應(yīng)用形式，在歐洲、美國(guó)、韓國(guó)、日本等國(guó)家已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。主要應(yīng)用在安全監(jiān)測(cè)、機(jī)械服務(wù)和維修業(yè)務(wù)、公共交通系統(tǒng)、車隊(duì)管理、工業(yè)自動(dòng)化、城市信息化等領(lǐng)域。提供M2M業(yè)務(wù)的主流運(yùn)營(yíng)商包括英國(guó)的BT和Vodafone，德國(guó)的T-Mobile，日本的NTT-DoCoMo，韓國(guó)的SK等。中國(guó)的M2M應(yīng)用起步較早，目前正處于快速發(fā)展階段，各大運(yùn)營(yíng)商都在積極研究M2M技術(shù)，盡力拓展M2M的應(yīng)用市場(chǎng)。

要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與泛在網(wǎng)提出的物與物通信遠(yuǎn)景，首先需要實(shí)現(xiàn)如何通過(guò)無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)交互物品之間的信息，也就是M2M業(yè)務(wù)如何通過(guò)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于廣泛分布的M2M終端，采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信是優(yōu)選方案之一。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)由于其網(wǎng)絡(luò)的特殊性，終端側(cè)不需要人工布線，可以提供移動(dòng)性支撐，有利于節(jié)約成本，并可以滿足在危險(xiǎn)環(huán)境下的通信需求，使得以移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)作為承載的M2M服務(wù)得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前運(yùn)營(yíng)商已嘗試開(kāi)展行業(yè)相關(guān)的M2M業(yè)務(wù)，現(xiàn)有的一些行業(yè)應(yīng)用，如遠(yuǎn)程抄表、水位監(jiān)控等，都是采用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸傳感器采集的數(shù)據(jù)信息。隨著M2M應(yīng)用的發(fā)展，采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為通信網(wǎng)絡(luò)存在著迫切的需求。但現(xiàn)有的M2M業(yè)務(wù)具有認(rèn)知度低、商業(yè)模式單一等問(wèn)題，未有效形成從終端制造商、應(yīng)用開(kāi)發(fā)商、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、系統(tǒng)集成商、最終用戶等多個(gè)環(huán)節(jié)的共贏的、規(guī)模化的產(chǎn)業(yè)鏈。

由于M2M應(yīng)用相關(guān)技術(shù)規(guī)范不統(tǒng)一，在國(guó)際國(guó)內(nèi)都尚未形成統(tǒng)一的M2M相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，成為M2M應(yīng)用發(fā)展的最大障礙?，F(xiàn)階段，大部分網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商對(duì)于M2M終端也僅作為H2H終端處理，沒(méi)有對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與流程進(jìn)行優(yōu)化，因大量的M2M終端接入網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)資源缺乏、管理成本提升與擴(kuò)容的壓力，同時(shí)因不同類別的M2M終端接入計(jì)費(fèi)沒(méi)有差異化策略，對(duì)客戶缺乏吸引力。而服務(wù)提供商需要面對(duì)不同的終端廠商與運(yùn)營(yíng)商、不同的開(kāi)發(fā)接口，極大地提高了開(kāi)發(fā)成本。可以看出，物聯(lián)網(wǎng)規(guī)范不統(tǒng)一使物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)化面臨極大的發(fā)展障礙。

3 M2M對(duì)移動(dòng)核心網(wǎng)的影響

M2M應(yīng)用對(duì)移動(dòng)核心網(wǎng)的影響，需要考慮超過(guò)手機(jī)類終端數(shù)倍的M2M終端接入到核心網(wǎng)，對(duì)核心網(wǎng)的資源分配、標(biāo)識(shí)、尋址、計(jì)費(fèi)、安全等現(xiàn)有流程造成的沖擊，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化使其對(duì)現(xiàn)網(wǎng)影響降低到最低程度。

3.1 設(shè)備標(biāo)識(shí)資源不足問(wèn)題

現(xiàn)在H2H終端在3GPP核心網(wǎng)可以采用IMEI、IMSI、MSISDN、IPv4地址作為設(shè)備標(biāo)識(shí)的資源，以IMSI為例，IMSI號(hào)碼為15位，由3位MCC國(guó)家碼、3位MNC網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)碼，9位設(shè)備標(biāo)識(shí)碼組成。其資源對(duì)于H2H終端應(yīng)該是足夠的，全球的手機(jī)用戶包括各類軟終端目前還遠(yuǎn)不到10億用戶。但如果資源與M2M終端共用，就非常緊張。據(jù)預(yù)測(cè)，M2M終端在未來(lái)將是H2H終端的5～10倍，如此龐大的數(shù)量采用現(xiàn)有的資源肯定是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

M2M設(shè)備標(biāo)識(shí)應(yīng)能惟一標(biāo)識(shí)一個(gè)M2M終端，可采用IMSI、MSISDN、IP 地址、IMPU/IMPI等。隨著 M2M 應(yīng)用日益廣泛，設(shè)備標(biāo)識(shí)資源短缺問(wèn)題必將日益突出，國(guó)際各標(biāo)準(zhǔn)組織如ITU、3GPP也在積極尋求解決方案，設(shè)備標(biāo)識(shí)資源不足的問(wèn)題對(duì)核心網(wǎng)的影響需要引起足夠的關(guān)注。

3.2 核心網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過(guò)載問(wèn)題

當(dāng)大量終端在同一時(shí)段比較集中地接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，對(duì)無(wú)線網(wǎng)、核心網(wǎng)都將造成比較大的負(fù)荷，擁塞難免會(huì)發(fā)生，也會(huì)增加人與人之間通信的故障率。

核心網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷包括控制面負(fù)荷與媒體面負(fù)荷，可以想象，當(dāng)大規(guī)模的M2M設(shè)備同時(shí)接入到核心網(wǎng)，同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到M2M應(yīng)用平臺(tái)，核心網(wǎng)會(huì)遭受非常大的負(fù)荷沖擊。一方面，核心網(wǎng)的移動(dòng)性管理網(wǎng)元需要同時(shí)處理終端的接入控制，頻繁地進(jìn)行附著、激活、業(yè)務(wù)請(qǐng)求、創(chuàng)建承載等信令交互，會(huì)造成控制面負(fù)荷過(guò)載的發(fā)生。同時(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)交互同時(shí)發(fā)生時(shí)，大量的M2M終端通過(guò)核心網(wǎng)的媒體網(wǎng)關(guān)與同一個(gè)遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，這就可能造成媒體網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)擁塞，特別是媒體網(wǎng)關(guān)到遠(yuǎn)程服務(wù)器的IP通道會(huì)造成數(shù)據(jù)阻塞，引起媒體面負(fù)荷過(guò)載的發(fā)生。

舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)長(zhǎng)江水位上漲到警戒水位時(shí)，大量水位監(jiān)控器會(huì)向長(zhǎng)江防洪指揮中心的遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，部分檢測(cè)點(diǎn)可能還會(huì)上傳實(shí)時(shí)圖像，這類突發(fā)的接入與數(shù)據(jù)傳輸是M2M應(yīng)用的特點(diǎn)之一，這對(duì)核心網(wǎng)的信令面與媒體面的負(fù)荷沖擊是瞬間的，對(duì)核心網(wǎng)通信的可靠性及健壯性造成相當(dāng)?shù)挠绊?，需要從技術(shù)層面規(guī)避這種瞬間負(fù)荷對(duì)網(wǎng)絡(luò)的沖擊。

3.3 核心網(wǎng)絡(luò)尋址問(wèn)題

M2M應(yīng)用服務(wù)器因集中控制等需求需要與M2M終端直接通信，如及時(shí)上報(bào)測(cè)量及監(jiān)控信息。由于IPv4公有地址缺乏，如果為M2M終端分配公有IP地址，勢(shì)必占用大量IP地址資源，IPv4地址無(wú)法滿足需求。因此M2M終端通常位于IPv4私網(wǎng)區(qū)域，在3GPP網(wǎng)絡(luò)分配了在公網(wǎng)不可路由的私網(wǎng)IP地址，并隱藏在NAT后面，如圖1所示。這種場(chǎng)景下，因M2M終端沒(méi)有公有的IPv4/IPv6地址，M2M應(yīng)用服務(wù)器無(wú)法直接與終端通信，造成M2M終端無(wú)法直接被尋址，下行數(shù)據(jù)無(wú)法通知給終端。

3.4 核心網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題

隨著M2M終端的日益增多，M2M終端通信安全問(wèn)題也引起各運(yùn)營(yíng)商的重視。M2M系統(tǒng)優(yōu)化的通信安全性應(yīng)不低于非M2M通信的安全性，如端到端連接安全、組認(rèn)證安全等。M2M通信安全是多方面的，有終端接入鑒權(quán)安全、端到端通信安全、數(shù)據(jù)安全等多方面。在終端接入鑒權(quán)安全方面，需要防止M2M終端接入認(rèn)證信息被惡意盜用，如H2H終端盜用M2M終端的USIM接入到核心網(wǎng)，影響與遠(yuǎn)程M2M應(yīng)用服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信安全。

端到端通信鏈路安全方面，現(xiàn)有的機(jī)制很多，如采用類似VPN的機(jī)制建立IPSec隧道等方式。在歸屬域，M2M終端與M2M應(yīng)用服務(wù)器之間的端到端安全通過(guò)歸屬網(wǎng)絡(luò)信任域進(jìn)行保證，但當(dāng)M2M終端漫游到其他運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，終端與服務(wù)器通過(guò)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的非信任域進(jìn)行通信，端到端安全無(wú)法保證，需要制定相應(yīng)的安全機(jī)制。

3.5 終端計(jì)費(fèi)

計(jì)費(fèi)的優(yōu)化，主要是避免大規(guī)模M2M終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生大量CDR對(duì)網(wǎng)絡(luò)的沖擊。計(jì)費(fèi)可以考慮按M2M終端分組進(jìn)行組計(jì)費(fèi)，為屬于同一組的M2M設(shè)備提供更簡(jiǎn)單的計(jì)費(fèi)機(jī)制或采用某種策略而不生成設(shè)備的計(jì)費(fèi)話單等各類靈活的計(jì)費(fèi)方式。

3.6 M2M終端激活對(duì)核心網(wǎng)影響

M2M終端的數(shù)量非常廣，分布也非常廣泛，如果要求M2M終端永久在線，對(duì)核心網(wǎng)絡(luò)資源消耗巨大。因此M2M終端接入到網(wǎng)絡(luò)可能存在有多種方式，不需要永久在線，但需要能被M2M應(yīng)用服務(wù)器隨時(shí)喚醒。M2M終端在3GPP核心網(wǎng)絡(luò)可以有在線與離線兩種模式，在線又分為休眠與連接兩種狀態(tài)，不同模式不同狀態(tài)對(duì)核心網(wǎng)的影響是不一樣的。

離線或在線激活需求源于如下的場(chǎng)景實(shí)例：一個(gè)電力公司跟運(yùn)營(yíng)商簽訂了服務(wù)合約，智能抄表終端（電表）正常情況下一個(gè)月上報(bào)一次數(shù)據(jù)給電力公司后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)，用于對(duì)終端用戶的計(jì)費(fèi)與電表管理。但是電力公司會(huì)在一些特殊的情況下主動(dòng)激活電表。如以下幾種情形：

·用戶付費(fèi)超期，需要切斷電力供應(yīng)；

·原用戶搬家，需要結(jié)清電費(fèi)，以便新用戶搬入計(jì)費(fèi)；

·軟件升級(jí)需要及時(shí)更新終端。

因此，在特定的場(chǎng)景下，M2M應(yīng)用服務(wù)器需要能激活終端，對(duì)終端進(jìn)行控制或數(shù)據(jù)交互。M2M終端激活對(duì)核心網(wǎng)需要進(jìn)行增強(qiáng)與優(yōu)化，將M2M應(yīng)用服務(wù)器的激活信息通過(guò)核心網(wǎng)通知給終端，使終端重新與M2M應(yīng)用服務(wù)器建立連接。

4 核心網(wǎng)優(yōu)化方案與解決思路

M2M應(yīng)用有很多的場(chǎng)景與需求，為滿足不同的應(yīng)用需求，核心網(wǎng)首先需要對(duì)架構(gòu)增強(qiáng)、擁塞控制、尋址、標(biāo)識(shí)、激活等共性需求進(jìn)行優(yōu)化，以滿足M2M應(yīng)用的大規(guī)模商用。下面重點(diǎn)介紹共性需求的方案實(shí)現(xiàn)。

4.1 3GPP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)增強(qiáng)方案

現(xiàn)有的M2M應(yīng)用對(duì)3GPP核心網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化場(chǎng)景，都需要M2M應(yīng)用服務(wù)器與3GPP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行必要的信令交互，并且無(wú)線網(wǎng)絡(luò)也需要提供M2M終端與M2M應(yīng)用服務(wù)器的數(shù)據(jù)及信息交互媒體通道。因此原有的3GPP核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要增強(qiáng)，增加相關(guān)的接口與邏輯網(wǎng)元功能需求。

通常情況下，M2M應(yīng)用服務(wù)器位于外部網(wǎng)絡(luò)，因此需要在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)邊緣增加一個(gè)邏輯網(wǎng)元：邊緣網(wǎng)關(guān)M2M GW。通過(guò)M2M GW，對(duì)外部網(wǎng)絡(luò)可以屏蔽無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部接口與拓?fù)洌⑥D(zhuǎn)換M2M應(yīng)用服務(wù)器的應(yīng)用層與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的承載層的之間接口協(xié)議。M2M GW對(duì)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)網(wǎng)元可采用標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部接口進(jìn)行交互。

M2M GW具有如下功能：

·查詢終端位置、狀態(tài)等信息，匯報(bào)監(jiān)控事件，用于終端監(jiān)控；

·控制面實(shí)現(xiàn)小數(shù)據(jù)量傳輸，用于小數(shù)據(jù)傳輸；

·反向接入控制、激活終端，用于終端激活控制；

·應(yīng)用層與承載層接口協(xié)議轉(zhuǎn)換；

·核心網(wǎng)拓?fù)潆[藏；

·地址發(fā)現(xiàn)，提供M2M應(yīng)用服務(wù)器/M2M終端地址。

M2M GW與M2M應(yīng)用服務(wù)器之間新增MTCs信令接口，MTCs接口用于M2M應(yīng)用服務(wù)器與3GPP網(wǎng)絡(luò)的控制面信令交互，可以是基于API的接口增強(qiáng)，也可以新定義一個(gè)接口。MTCs接口主要用于業(yè)務(wù)層與承載層的信令交互，屏蔽網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并進(jìn)行不同層的協(xié)議轉(zhuǎn)換。M2M應(yīng)用服務(wù)器可以通過(guò)該接口，向3GPP網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求終端的位置信息，根據(jù)業(yè)務(wù)黑名單通過(guò)3GPP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接入限制，也可以通過(guò)其對(duì)3GPP網(wǎng)絡(luò)的終端進(jìn)行激活/去活通知，業(yè)務(wù)控制非常靈活。

MTCi/MTCsms是M2M應(yīng)用服務(wù)器與3GPP網(wǎng)絡(luò)間的用戶面接口，用于數(shù)據(jù)傳輸。MTCsms用于與短信網(wǎng)關(guān)之間交互，通過(guò)短消息來(lái)傳遞數(shù)據(jù)，如配置數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)層對(duì)終端的命令等內(nèi)容。MTCi接口是IP用戶面接口，類似與3GPP網(wǎng)絡(luò)的Gi/SGi接口，用于與外部PDN的連接。

圖2給出了3GPP核心網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)的架構(gòu)，該架構(gòu)中，增加了M2M GW與MTC相關(guān)接口，用于M2M相關(guān)功能控制實(shí)現(xiàn)。

4.2 擁塞控制網(wǎng)絡(luò)解決方案

擁塞控制主要是解決大量的M2M終端在同一時(shí)段內(nèi)接入網(wǎng)絡(luò)，造成核心網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)性管理節(jié)點(diǎn)（如SGSN/MME）或媒體面處理節(jié)點(diǎn)（如GGSN/PDN GW）負(fù)荷過(guò)載，導(dǎo)致核心網(wǎng)無(wú)法正常工作。

有多種可能產(chǎn)生的過(guò)載會(huì)導(dǎo)致核心網(wǎng)擁塞，對(duì)于媒體面來(lái)說(shuō)，M2M應(yīng)用服務(wù)器處理能力過(guò)載，從而無(wú)法處理核心網(wǎng)發(fā)送的IP數(shù)據(jù)包，是一種可能的過(guò)載場(chǎng)景。另一方面，GGSN/PDN GW中某個(gè)APN的用戶面承載的IP流量超出了限定的范圍，是用戶面過(guò)載的一種常見(jiàn)表現(xiàn)。對(duì)于控制面來(lái)說(shuō)，當(dāng)大量M2M終端同時(shí)接入核心網(wǎng)絡(luò)，MME/SGSN無(wú)法同時(shí)處理超負(fù)荷的附著、位置更新、切換、承載建立、承載修改等信令，很多信令會(huì)被掛起無(wú)法被處理，這是控制面過(guò)載的主要表現(xiàn)形式。

大量接入請(qǐng)求會(huì)導(dǎo)致媒體面或信令面擁塞，這需要網(wǎng)絡(luò)能拒絕部分接入請(qǐng)求來(lái)避免網(wǎng)絡(luò)資源大量消耗。低優(yōu)先級(jí)終端的概念被引入到擁塞控制的解決方案中，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高，業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)比較低的終端，可以配置為低優(yōu)先級(jí)終端，該終端接入到網(wǎng)絡(luò)中需要提供低優(yōu)先級(jí)接入標(biāo)識(shí)，供核心網(wǎng)用以區(qū)分不同的終端類型。

如果有M2M設(shè)備提供的接入優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)，SGSN/MME在較早的時(shí)間（如網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷加重時(shí)）就可以決定是否拒絕低優(yōu)先級(jí)終端的接入請(qǐng)求。基于SGSN/MME內(nèi)部擁塞控制機(jī)制，SGSN/MME可對(duì)“低優(yōu)先級(jí)接入”采取與其他優(yōu)先級(jí)不同的接入控制處理方式。核心網(wǎng)對(duì)低優(yōu)先級(jí)接入的處理不會(huì)增加SGSN/MME的工作負(fù)荷，對(duì)于要求“低優(yōu)先級(jí)接入”的終端，可在拒絕連接請(qǐng)求時(shí)攜帶擴(kuò)展的延遲接入時(shí)間，使M2M終端被拒絕接入后，需要等待一段延遲接入時(shí)間才能再次請(qǐng)求接入網(wǎng)絡(luò)。采用低優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)＋延遲時(shí)間接入的方式，可以防止低優(yōu)先級(jí)終端搶占網(wǎng)絡(luò)資源，也避免了接入不成功后頻繁地再次請(qǐng)求接入的場(chǎng)景發(fā)生，是避免網(wǎng)絡(luò)信令擁塞的一種可行的解決方案。

對(duì)于媒體面的負(fù)荷過(guò)載，可優(yōu)先釋放低優(yōu)先級(jí)的媒體資源。如果仍然流量過(guò)載，可針對(duì)過(guò)負(fù)荷的特定的APN進(jìn)行流量限制，如媒體面擁塞時(shí)，GGSN/PDN GW就不再接受該APN下的新的承載建立、修改等處理，降低該APN下的IP流量，使媒體網(wǎng)關(guān)恢復(fù)正常的用戶面負(fù)荷處理。

對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的終端，也可以采用分配允許的接入時(shí)間段進(jìn)行控制。當(dāng)M2M終端附著時(shí)，網(wǎng)絡(luò)將允許接入的時(shí)間段告訴終端，終端可以通過(guò)時(shí)間控制的方式，避開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的繁忙時(shí)段，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較輕的時(shí)間段接入網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到減少網(wǎng)絡(luò)擁塞的目的。

4.3 標(biāo)識(shí)資源擴(kuò)展

大量M2M終端的引入造成網(wǎng)絡(luò)號(hào)碼資源的短缺，包括IMSI/IMEI/IPv4地址等多種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，而MSISDN標(biāo)識(shí)短缺對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的影響尤其突出。

因?yàn)镸2M終端沒(méi)有CS呼叫與語(yǔ)音功能，MSISDN號(hào)碼只用于SMS業(yè)務(wù)，因此現(xiàn)階段的MSISDN號(hào)碼擴(kuò)展方式有以下幾種方法。

第一種方法：對(duì)于同屬一個(gè)M2M應(yīng)用服務(wù)器管理的M2M終端群，可采用同一個(gè)MSISDN。M2M應(yīng)用服務(wù)器向M2M終端發(fā)SMS消息時(shí)，在SMS消息中攜帶M2M終端標(biāo)識(shí)MD_id，網(wǎng)絡(luò)將共享的MSISDN的SMS消息路由到一個(gè)專用的短消息網(wǎng)關(guān)，解析出短消息中攜帶的MD_id，并向映射服務(wù)器查詢MD_id與IMSI的映射關(guān)系，最終采用IMSI完成在網(wǎng)絡(luò)中的SMS消息傳遞。

第二種方法：采用HSS動(dòng)態(tài)分配MSISDN。在HSS維護(hù)一個(gè)M2M終端使用MSISDN使用的地址池，當(dāng)M2M終端接入到網(wǎng)絡(luò)且需要使用MSISDN業(yè)務(wù)時(shí)，就給該終端分配一個(gè)池中的MSISDN號(hào)碼，分配的MSISDN號(hào)碼就一直由該M2M終端使用，直至該M2M終端釋放分配的MSISDN號(hào)碼。該方法對(duì)于網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有影響，收發(fā)SMS消息采用現(xiàn)有技術(shù)就可以滿足。

第三種方法：不使用MSISDN號(hào)碼。在網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)的架構(gòu)中，SMS消息包可以通過(guò)MTCs接口發(fā)給M2M GW，信令中需要攜帶MD_id標(biāo)識(shí)。M2M GW附著查找MD_id對(duì)應(yīng)的IMSI，并構(gòu)建新的SMS消息發(fā)給終端。這3個(gè)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)影響最小的是第二種方法，但需要占用較多的MSISDN資源，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)實(shí)際情況可靈活運(yùn)用。在PS網(wǎng)絡(luò)中，MSISDN號(hào)碼也可考慮采用IPv4/IPv6地址來(lái)進(jìn)行取代。

為解決IMSI號(hào)碼資源不足而提出的擴(kuò)展方案：IMSI由MCC+MNC+MSIN構(gòu)成，15位BCD碼。其中MCC為國(guó)家碼，3個(gè)數(shù)字，很多號(hào)段預(yù)留未使用；MNC為網(wǎng)絡(luò)號(hào)，2～3個(gè)數(shù)字；MSIN為移動(dòng)用戶號(hào)。因此對(duì)IMSI擴(kuò)展，可以考慮采用虛擬MCC，在本地PLMN網(wǎng)絡(luò)使用未定義的MCC號(hào)段分配給M2M終端使用，其帶來(lái)的問(wèn)題是該終端無(wú)法漫游。如果是低移動(dòng)性的終端，可采用類似方案。另外也考慮采用HEX碼取代BCD碼的方式來(lái)進(jìn)行擴(kuò)展IMSI資源，但這種擴(kuò)展方案對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)改動(dòng)較大，需要全網(wǎng)統(tǒng)一升級(jí)，以完成HEX碼的識(shí)別與解析。

4.4 網(wǎng)絡(luò)尋址優(yōu)化

網(wǎng)絡(luò)尋址優(yōu)化的主要問(wèn)題在于M2M應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送下行數(shù)據(jù)時(shí)，需要知道M2M終端的公網(wǎng)或私網(wǎng)地址，以便及時(shí)將下行數(shù)據(jù)包發(fā)給M2M終端，完成數(shù)據(jù)的及時(shí)傳送。

M2M應(yīng)用服務(wù)器可能位于公網(wǎng)或私網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。若位于運(yùn)營(yíng)商私網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，可直接采用IP地址路由的方法，M2M應(yīng)用服務(wù)器可通過(guò)GGSN/PDN GW查詢M2M終端分配的私網(wǎng)IP地址。若M2M應(yīng)用服務(wù)器位于公網(wǎng)，那就首先需要實(shí)現(xiàn)NAT穿越，由NAT為該M2M終端分配公網(wǎng)的IP地址，從而實(shí)現(xiàn)來(lái)自公網(wǎng)的IP包穿越NAT到達(dá)M2M終端。

STUN提供了UDP對(duì)NAT的一種簡(jiǎn)單穿越方式，通過(guò)STUN服務(wù)器，M2M應(yīng)用服務(wù)器可以查詢M2M終端的公共地址及端口，從而建立客戶終端與M2M服務(wù)商之間的UDP通信，以便實(shí)現(xiàn)通話。在采用STUN服務(wù)器提供M2M終端地址查詢的方案中，M2M終端在3GPP網(wǎng)絡(luò)中建立連接并分配有私網(wǎng)IP地址。M2M應(yīng)用服務(wù)器請(qǐng)求終端公網(wǎng)IP地址時(shí)，需要核心網(wǎng)絡(luò)中的GGSN/PDN GW代替終端向STUN服務(wù)器請(qǐng)求IP公網(wǎng)地址，由STUN服務(wù)器代替終端向NAT發(fā)注冊(cè)包，請(qǐng)求分配公網(wǎng)的IP地址及端口，并將NAT分配的公網(wǎng)IP地址與端口返回給M2M server。

具體方案（如圖3所示），由以下步驟組成：

（1）M2M終端附著到3GPP網(wǎng)絡(luò)，請(qǐng)求建立PDN連接，被分配私網(wǎng)IP地址；

（2）M2M應(yīng)用服務(wù)器向M2M GW請(qǐng)求終端的公網(wǎng)IP地址，M2M GW需要向GGSN/PDN GW發(fā)起IP地址查詢請(qǐng)求；

（3）GGSN/PDN GW代替M2M終端，采用終端的私網(wǎng)IP地址，作為STUN client向STUN服務(wù)器發(fā)起注冊(cè)請(qǐng)求，STUN向NAT發(fā)心跳數(shù)據(jù)包，使NAT為該終端分配公網(wǎng)IP地址并進(jìn)行維護(hù)。

（4）GGSN/PDN GW 從 STUN server獲取終端的公網(wǎng)IP地址及端口，轉(zhuǎn)發(fā)給M2M GW，M2M代理網(wǎng)關(guān)將終端的公網(wǎng)IP、端口傳給M2M應(yīng)用服務(wù)器；

（5）M2M應(yīng)用服務(wù)器向M2M終端發(fā)送下行IP數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

其他實(shí)現(xiàn)尋址優(yōu)化的解決方案也很多，如在GGSN與M2M應(yīng)用服務(wù)器之間為該終端建VPN隧道，采用隧道的方式實(shí)現(xiàn)IP包的傳輸。尋址的方案都有一定的優(yōu)缺點(diǎn)與應(yīng)用場(chǎng)景，在此不一一進(jìn)行描述了。

4.5 終端激活實(shí)現(xiàn)

終端激活是M2M業(yè)務(wù)提供商非常重要的需求，無(wú)論處于任何狀態(tài)的終端，如附著狀態(tài)下的connected、idle模式，去附著狀態(tài)下的detach模式，都需要通過(guò)3GPP網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地能觸發(fā)得到，使終端建立起與M2M應(yīng)用服務(wù)器的通信。這個(gè)需求對(duì)于緊急事務(wù)的及時(shí)監(jiān)控（如水位監(jiān)測(cè)、樓宇監(jiān)控等）和需要遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行緊急事務(wù)的處理非常有實(shí)用價(jià)值。

如果終端分配有MSISDN并具有CS能力，那就直接采用SMS消息激活的方式，終端收到SMS消息后在PS網(wǎng)絡(luò)建立起與M2M服務(wù)器的連接。

當(dāng)終端只具有PS能力時(shí)，在PS網(wǎng)絡(luò)中，若終端處于connected模式，則此時(shí)終端分配有IP地址，并在3GPP網(wǎng)絡(luò)中建立了用戶面承載，M2M應(yīng)用服務(wù)器直接采用IP push的方式就可以激活M2M終端，因此對(duì)于connected模式的終端激活比較簡(jiǎn)單。

對(duì)于PS網(wǎng)絡(luò)中處于idle模式的終端，需要對(duì)3GPP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行增強(qiáng)才可以實(shí)現(xiàn)終端的激活。如圖4所示，M2M應(yīng)用服務(wù)器將激活消息下發(fā)到3GPP網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)性管理網(wǎng)元SGSN/MME，可以有以下幾個(gè)途徑：

·經(jīng)過(guò)HSS到達(dá)SGSN/MME；

·經(jīng)過(guò)GGSN/PDN GW到達(dá)SGSN/MME；

·經(jīng)過(guò)M2M GW到達(dá)SGSN/MME。

對(duì)于不同的途徑，解決方案是不一樣的。M2M應(yīng)用服務(wù)器采用與HSS接口的方式時(shí)，HSS要有支持激活終端的功能，并支持與SGSN/MME交互激活終端的信令。SGSN/MME收到激活消息，可通過(guò)paging消息及時(shí)通知終端，也可以在終端進(jìn)行位置更新時(shí)通知終端，讓終端建立連接并與M2M應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；M2M應(yīng)用服務(wù)器采用經(jīng)過(guò)GGSN/PDN GW到達(dá)SGSN/MME的方式時(shí)，需要媒體網(wǎng)關(guān)具有DPI能力，并取出數(shù)據(jù)包的MD_id標(biāo)識(shí)，映射為網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)IMSI，然后再通過(guò)DDN消息通知SGSN/MME paging終端，使終端建立與M2M應(yīng)用服務(wù)器的通信；M2M應(yīng)用服務(wù)器采用經(jīng)過(guò)M2M GW到達(dá)SGSN/MME的方式時(shí)，所有的網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)都集中在新的邏輯網(wǎng)元M2M GW上。M2M GW能解析應(yīng)用層的協(xié)議，將應(yīng)用層標(biāo)識(shí)映射為網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)識(shí)，并采用內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)接口與SGSN/MME進(jìn)行信令交互，將激活消息發(fā)給SGSN/MME，最終使終端建立與M2M應(yīng)用服務(wù)器的通信。采用經(jīng)過(guò)M2M GW的方式可避免對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較大的改動(dòng)，不影響現(xiàn)網(wǎng)用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，是一種較為可行的方式。

對(duì)于離線的終端，M2M應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行終端激活的難點(diǎn)很多，主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面：離線終端不監(jiān)聽(tīng)廣播與paging信道，無(wú)法接收網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的消息；終端的頻繁大范圍移動(dòng)使網(wǎng)絡(luò)無(wú)法知道終端的具體位置，無(wú)法針對(duì)終端所知的cell進(jìn)行尋呼。因此離線激活需要基于特定的場(chǎng)景，一是終端必須位于確定的區(qū)域范圍，一是終端必須能定期接收廣播或特定的信道。如果運(yùn)營(yíng)商在無(wú)線側(cè)部署了CBS服務(wù)器，就可以采用終端定時(shí)監(jiān)聽(tīng)cell broadcast channel信道的方式，通知CB信道將激活消息通知給離線的終端。對(duì)于沒(méi)部署CBS服務(wù)器的場(chǎng)景，終端需要定期接收網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的廣播與paging信道，網(wǎng)絡(luò)通過(guò)廣播或paging信道將激活消息通知給終端。如果終端發(fā)生了位置變化，需要及時(shí)接入到網(wǎng)絡(luò)并通知網(wǎng)絡(luò)所在的位置，這樣核心網(wǎng)就可以確定終端的位置，不需要采用全網(wǎng)paging方式來(lái)激活終端?？傊?，離線終端的激活技術(shù)對(duì)終端與網(wǎng)絡(luò)都有很大的影響，需要在特定的場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)，采用全網(wǎng)paging的方式要消耗大量的無(wú)線資源，是一種得不償失的方案。針對(duì)終端在特定區(qū)域中進(jìn)行尋呼對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響相對(duì)較小，是可以考慮在核心網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化的一種網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方案。

終端激活技術(shù)涉及應(yīng)用層標(biāo)識(shí)與網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)識(shí)的映射。M2M應(yīng)用服務(wù)器激活終端，一般會(huì)采用M2M終端的應(yīng)用標(biāo)識(shí)，可能是URI、URL或URN等相關(guān)標(biāo)識(shí)。激活消息到3GPP網(wǎng)絡(luò)后，3GPP網(wǎng)絡(luò)需要能解析該激活消息包，將URI等應(yīng)用標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)換為在3GPP承載網(wǎng)絡(luò)可用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，如MSISDN、IMSI等標(biāo)識(shí)。標(biāo)識(shí)的映射可以通過(guò)在HSS或M2M GW中進(jìn)行簽約或靜態(tài)配置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)有階段主要還是集中在M2M相關(guān)行業(yè)應(yīng)用，如遠(yuǎn)程抄表、智能家居、安防監(jiān)控都有實(shí)際的應(yīng)用實(shí)例。物聯(lián)網(wǎng)終端分布區(qū)域廣闊，地理位置復(fù)雜，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是優(yōu)先選擇的傳輸網(wǎng)絡(luò)之一。由于物聯(lián)網(wǎng)終端特定的應(yīng)用需求，對(duì)3GPP移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)也有很多的需求，如尋址、擁塞控制、標(biāo)識(shí)、激活、監(jiān)控等，需要3GPP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行增強(qiáng)與優(yōu)化，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境的需要。

3GPP核心網(wǎng)的優(yōu)化需要解決對(duì)物聯(lián)網(wǎng)各類應(yīng)用的支持，同時(shí)最小化核心網(wǎng)被占用的網(wǎng)絡(luò)資源，滿足終端的移動(dòng)性、節(jié)電、監(jiān)控、激活、數(shù)據(jù)安全等多種需求。另外也要兼顧對(duì)3GPP現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的沖擊，以不影響現(xiàn)網(wǎng)用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)為目標(biāo)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的健壯性與可用性。通過(guò)對(duì)3GPP網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)與優(yōu)化，使3GPP網(wǎng)絡(luò)既可滿足現(xiàn)有人與人的通信，同時(shí)也逐步具備人與物、物于物通信的能力，滿足物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的需求。

1 3GPP TR23.888 V1.2.0.System improvements for machine-type communications

2 3GPP TR22.368 V11.0.0.Service requirements for machine-type communications （MTC）

3 3GPP TS23.401 V10.0.0.General packet radio service（GPRS）enhancementsforevolved universalterrestrialradio access network（E-UTRAN）access