物聯(lián)網(wǎng)中的M2M技術(shù)國內外標準進(jìn)展

　　1 引言

　　物聯(lián)網(wǎng)被稱(chēng)為繼計算機、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)。

　　2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）在信息社會(huì )世界峰會(huì )（WSIS）上發(fā)布的《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》報告中正式提出了“物聯(lián)網(wǎng)”概念，報告指出：“無(wú)所不在的物聯(lián)網(wǎng)通信時(shí)代即將來(lái)臨，世界上所有的物體從輪胎到牙刷，從房屋到紙巾都可以通過(guò)因特網(wǎng)主動(dòng)進(jìn)行交換”?？偟膩?lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)就是“物與物相連的網(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展到物理實(shí)體，物體之間通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現通信和信息交換；其次，通過(guò)各種無(wú)線(xiàn)和/或有線(xiàn)的、長(cháng)距離和/或短距離通訊網(wǎng)絡(luò )實(shí)現物理實(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。

　　歐洲智能系統集成技術(shù)平臺（EPoSS）在《Internet of Things in 2020》報告中分析預測，未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將經(jīng)歷4個(gè)階段，2010年之前RFID被廣泛應用于物流、零售和制藥領(lǐng)域，2010—2015年物體互聯(lián)，2015—2020年物體進(jìn)入半智能化，2020年之后物體進(jìn)入全智能化。

　　M2M是“機器對機器通信（Machine to Machine）”或者“人對機器通信（Man to Machine）”的簡(jiǎn)稱(chēng)。主要是指通過(guò)“通信網(wǎng)絡(luò )”傳遞信息從而實(shí)現機器對機器或人對機器的數據交換，也就是通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )實(shí)現機器之間的互聯(lián)、互通。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )由于其網(wǎng)絡(luò )的特殊性，終端側不需要人工布線(xiàn)、可以提供移動(dòng)性支撐，有利于節約成本，并可以滿(mǎn)足在危險環(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。

　　M2M作為物聯(lián)網(wǎng)在現階段的最普遍的應用形式，在歐洲、美國、韓國、日本等國家實(shí)現了商業(yè)化應用。主要應用在安全監測、機械服務(wù)和維修業(yè)務(wù)、公共交通系統、車(chē)隊管理、工業(yè)自動(dòng)化、城市信息化等領(lǐng)域。提供M2M業(yè)務(wù)的主流運營(yíng)商包括英國的BT和Vodafone，德國的T-Mobile，日本的NTT-DoCoMo，韓國SK等。中國的M2M應用起步較早，目前正處于快速發(fā)展階段，各大運營(yíng)商都在積極研究M2M技術(shù)，盡力拓展M2M的應用市場(chǎng)。

　　國際上各大標準化組織中M2M相關(guān)研究和標準制定工作也在不斷推進(jìn)。幾大主要標準化組織按照各自的工作職能范圍，從不同角度開(kāi)展了針對性研究。ETSI從典型物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)用例，例如智能醫療、電子商務(wù)、自動(dòng)化城市、智能抄表和智能電網(wǎng)的相關(guān)研究入手，完成對物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求的分析、支持物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的概要層體系結構設計以及相關(guān)數據模型、接口和過(guò)程的定義。3GPP/3GPP2以移動(dòng)通信技術(shù)為工作核心，重點(diǎn)研究3G，LTE/CDMA網(wǎng)絡(luò )針對物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供而需要實(shí)施的網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化相關(guān)技術(shù)，研究涉及業(yè)務(wù)需求、核心網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化、安全等領(lǐng)域。CCSA早在2009年完成了M2M的業(yè)務(wù)研究報告，與M2M相關(guān)的其他研究工作已經(jīng)展開(kāi)。

　　本文主要介紹M2M在國際和國內標準化組織中的工作進(jìn)展狀況。

　　2 M2M在ETSI的進(jìn)展概況

　　ETSI是國際上較早系統展開(kāi)M2M相關(guān)研究的標準化組織，2009年初成立了專(zhuān)門(mén)的TC來(lái)負責統籌M2M的研究，旨在制定一個(gè)水平化的、不針對特定M2M應用的端到端解決方案的標準。其研究范圍可以分為兩個(gè)層面，第一個(gè)層面是針對M2M應用用例的收集和分析；第二個(gè)層面是在用例研究的基礎上，開(kāi)展應用無(wú)關(guān)的統一M2M解決方案的業(yè)務(wù)需求分析，網(wǎng)絡(luò )體系架構定義和數據模型、接口和過(guò)程設計等工作。按照TC的計劃，研究工作分為3個(gè)階段進(jìn)行，具體參見(jiàn)表1。

表1 ETSI TC M2M研究階段表

　　ETSI 研究的M2M相關(guān)標準有十多個(gè)，具體內容包括：

　?。?）M2M 業(yè)務(wù)需求，該研究課題描述了支持M2M通信服務(wù)的、端到端系統能力的需求。報告已于2010年8月發(fā)布。

　?。?）M2M 功能體系架構，重點(diǎn)研究為M2M應用提供M2M服務(wù)的網(wǎng)絡(luò )功能體系結構，包括定義新的功能實(shí)體，與ETSI其他TB或其他標準化組織標準間的標準訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)和概要級的呼叫流程。本研究課題輸出將是第三階段工作的出發(fā)點(diǎn)，也是與其他標準組織物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研究之間進(jìn)行協(xié)調的參照點(diǎn)。圖1是該報告中提出了M2M的體系架構，從圖中可以看出，M2M技術(shù)涉及到了通信網(wǎng)絡(luò )中從終端到網(wǎng)絡(luò )再到應用的各個(gè)層面，M2M的承載網(wǎng)絡(luò )包括了3GPP，TISPAN以及IETF定義的多種類(lèi)型的通信網(wǎng)絡(luò )。

圖1 ETSI M2M通信功能體系架構

　?。?）M2M 術(shù)語(yǔ)和定義，對M2M的術(shù)語(yǔ)進(jìn)行定義，從而保證各個(gè)工作組術(shù)語(yǔ)的一致性。目前正在進(jìn)行初稿的討論，預計2011年第1季度末發(fā)布正式版本。

　?。?）Smart Metering的M2M應用實(shí)例研究，該課題對Smart Metering的用例進(jìn)行描述。包括角色和信息流的定義，將作為智能抄表業(yè)務(wù)需求定義的基礎。

　?。?）eHealth的M2M應用實(shí)例研究，該課題通過(guò)對智能醫療這一重點(diǎn)物聯(lián)網(wǎng)應用用例的研究，來(lái)展示通信網(wǎng)絡(luò )為支持M2M服務(wù)在功能和能力方面的增強。該課題與ETSI TC eHEALTH中的相關(guān)研究保持協(xié)調，預計2011年7月發(fā)布正式版本。

　?。?）用戶(hù)互聯(lián)的M2M應用實(shí)例研究，該研究報告定義了用戶(hù)互聯(lián)這一M2M應用的用例，預計2011年7月發(fā)布正式版本。

　?。?）城市自動(dòng)化的M2M應用實(shí)例研究，本課題通過(guò)收集自動(dòng)化城市用例和相關(guān)特點(diǎn)，來(lái)描述未來(lái)具備M2M能力網(wǎng)絡(luò )支持該應用的需求和網(wǎng)絡(luò )功能與能力方面的增強。目前正在進(jìn)行初稿的討論，預計于2011年7月發(fā)布正式版本。

　?。?）基于汽車(chē)應用的M2M應用實(shí)例研究，課題通過(guò)收集自動(dòng)化應用用例和相關(guān)特點(diǎn)，來(lái)描述未來(lái)具備M2M能力網(wǎng)絡(luò )支持該應用的需求和網(wǎng)絡(luò )功能與能力方面的增強。目前正在進(jìn)行初稿的討論，預計2011年7月發(fā)布正式版本。

　?。?）ETSI關(guān)于 M/441的工作計劃和輸出總結，這一研究屬于歐盟Smart Meter項目（EU Mandate M/441）的組成部分，本課題將向EU Mandate M/441提交研究報告，報告包括支撐Smart Meter應用的規劃和其他技術(shù)委員會(huì )輸出成果。目前正在進(jìn)行初稿的討論，預計于2011年7月發(fā)布正式版本。

　?。?0）智能電網(wǎng)對M2M平臺的影響，該課題基于ETSI定義的M2M概要級的體系結構框架，研究M2M平臺針對智能電網(wǎng)的適用性并分析現有標準與實(shí)際應用間的差異。目前正在啟動(dòng)前準備階段，預計2011年5月發(fā)布正式版本。

　?。?1）M2M 接口，該課題在網(wǎng)絡(luò )體系結構研究的基礎上，主要完成協(xié)議/API、數據模型和編碼等工作。目前上述內容合在一個(gè)標準中，未來(lái)等標準進(jìn)入穩定階段，可能會(huì )按不同的接口拆分成多個(gè)標準文稿發(fā)布。目前正在處于初稿起草階段，預計2011年2月發(fā)布正式版版本。

　　3 M2M在3GPP標準進(jìn)展概況

　　3GPP早在2005年9月就開(kāi)展了移動(dòng)通信系統支持物聯(lián)網(wǎng)應用的可行性研究，正式研究于R10階段啟動(dòng)。M2M在3GPP內對應的名稱(chēng)為機器類(lèi)型通信（MTC，Machine-Type Communication）。3GPP并行設立了多個(gè)工作項目（Work Item）或研究項目（Study Item），由不同工作組按照其領(lǐng)域，并行展開(kāi)針對MTC的研究，下面按照項目的分類(lèi)簡(jiǎn)述3GPP在MTC領(lǐng)域相關(guān)研究工作的進(jìn)展情況。

　?。?）FS_M2M：這個(gè)項目是3GPP針對M2M通信進(jìn)行的可行性研究報告，由SA1負責相關(guān)研究工作。研究報告《3GPP系統中支持M2M通信的可行性研究》于2005年9月立項，2007年3月完成。

　?。?）NIMTC相關(guān)課題，重點(diǎn)研究支持機器類(lèi)型通信對移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )的增強要求，包括對GSM、UTRAN、EUTRAN的增強要求，以及對GPRS，EPC等核心網(wǎng)絡(luò )的增強要求，主要的項目包括：

　　●FS_NIMTC_GERAN：該項目于2010年5月啟動(dòng)，重點(diǎn)研究GERAN系統針對機器類(lèi)型通信的增強。

　　●FS_NIMTC_RAN：該項目于2009年8月啟動(dòng)，重點(diǎn)研究支持機器類(lèi)型通信對3G的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和LTE無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的增強要求。

　　●NIMTC：這一研究項目是機器類(lèi)型通信的重點(diǎn)研究課題，負責研究支持機器類(lèi)型終端與位于運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )內、專(zhuān)網(wǎng)內或互聯(lián)網(wǎng)上的物聯(lián)網(wǎng)應用服務(wù)器之間通信的網(wǎng)絡(luò )增強技術(shù)。由SA1，SA2，SA3和CT1，CT3，CT4工作組負責其所屬部分的工作。

　　——3GPP SA1工作組負責機器類(lèi)型通信業(yè)務(wù)需求方面的研究。于2009年初啟動(dòng)技術(shù)規范，將MTC對通信網(wǎng)絡(luò )的功能需求劃分為共性和特性?xún)深?lèi)可優(yōu)化的方向。

　　——SA2工作組負責支持機器類(lèi)型通信的移動(dòng)核心網(wǎng)絡(luò )體系結構和優(yōu)化技術(shù)的研究。于2009年底正式啟動(dòng)研究報告《支持機器類(lèi)型通信的系統增強》。報告針對第一階段需求中給出共性技術(shù)點(diǎn)和特性技術(shù)點(diǎn)給出解決方案。

　　——SA3工作組負責安全性相關(guān)研究。于2007年啟動(dòng)了《遠程控制及修改M2M終端簽約信息的可行性研究》報告，研究M2M應用在UICC中存儲時(shí)，M2M設備的遠程簽約管理，包括遠程簽約的可信任模式、安全要求極其對應的解決方案等。2009年啟動(dòng)的《M2M通信的安全特征》研究報告，計劃在 SA2工作的基礎上，研究支持MTC通信對移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的安全特征和要求。

　?。?）FS_MTCe：支持機器類(lèi)型通信的增強研究是計劃在R11階段立項的新研究項目。主要負責研究支持位于不同PLMN域的MTC設備之間的通信的網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化技術(shù)。此項目的研究需要與ETSI TC M2M中的相關(guān)研究保持協(xié)同。

　?。?）FS_AMTC：本研究項目旨在尋找E.164的替代，用于標識機器類(lèi)型終端以及終端之間的路由消息，是R11階段新立項的研究課題，已于2010年2月啟動(dòng)。

　?。?）SIMTC： 支持機器類(lèi)型通信的系統增強研究，此為R11階段的新研究課題。在FS_MTCe項目的基礎上，研究R10階段NIMTC的解決方案的增強型版本。

　　3GPP支持機器類(lèi)型通信的網(wǎng)絡(luò )增強研究課題在R10階段的核心工作為SA2工作組正在進(jìn)行的MTC體系結構增強的研究，其中重點(diǎn)述及的支持MTC通信的網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化技術(shù)包括：

　　●體系架構

　　研究報告提出了對NIMTC體系結構的修改，其中包括增加MTC IWF功能實(shí)體以實(shí)現運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )與位于專(zhuān)網(wǎng)或公網(wǎng)上的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行數據和控制信令的交互，同時(shí)要求修改后的體系結構需要提供MTC終端漫游場(chǎng)景的支持。

　　●擁塞和過(guò)載控制

　　由于MTC終端數量可能達到現有手機終端數量的幾個(gè)數量級以上，所以由于大量MTC終端同時(shí)附著(zhù)或發(fā)起業(yè)務(wù)請求造成的網(wǎng)絡(luò )擁塞和過(guò)載時(shí)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商面對的最急迫的問(wèn)題。研究報告在這一方面進(jìn)行了重點(diǎn)研究，討論了多種的擁塞和過(guò)載場(chǎng)景要求網(wǎng)絡(luò )能夠精確定位擁塞發(fā)生的位置和造成擁塞的物聯(lián)網(wǎng)應用，針對不同的擁塞場(chǎng)景和類(lèi)型，給出了接入層阻止廣播，低接入優(yōu)先級指示，重置周期性位置更新時(shí)間等多種解決方案。

　　●簽約控制

　　研究報告分析了MTC簽約控制的相關(guān)問(wèn)題，提出SGSN/MME具備根據MTC設備能力，網(wǎng)絡(luò )能力，運營(yíng)商策略和MTC簽約信息來(lái)決定啟用或禁用某些MTC特性的能力。同時(shí)也指出了需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題，例如網(wǎng)絡(luò )獲取MTC設備能力的方法，MTC 設備的漫游場(chǎng)景下等。

　　●標識和尋址

　　MTC通信的標識問(wèn)題已經(jīng)另外立項進(jìn)行詳細研究。本報告主要研究了MT過(guò)程中MTC終端的尋址方法，按照MTC服務(wù)器部署位置的不同，報告詳細分析了尋址功能的需求，給出了NATTT和微端口轉發(fā)技術(shù)尋址兩種解決方案。

　　●時(shí)間控制特性

　　時(shí)間受控特性適用于那些可以在預設時(shí)間段內完成數據收發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)應用。報告指出，歸屬網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商應分別預設MTC終端的許可時(shí)間段和服務(wù)禁止時(shí)間段。服務(wù)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商可以根據本地策略修改許可時(shí)間段，設置MTC終端的通信窗口等。

　　●MTC監控特性

　　MTC監控是運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )為物聯(lián)網(wǎng)簽約用戶(hù)提供的針對MTC終端行為的監控服務(wù)。包括監控事件簽約、監控事件偵測、事件報告和后續行動(dòng)觸發(fā)等完整的解決方案。

　　4 M2M在3GPP2的標準進(jìn)展概況

　　為推動(dòng)CDAM系統M2M支撐技術(shù)的研究，3GPP2在2010年1月曼谷會(huì )議上通過(guò)了M2M的立項。建議從以下方面加快M2M的研究進(jìn)程。

　?。?）當運營(yíng)商部署M2M 應用時(shí)，應給運營(yíng)商帶來(lái)較低的運營(yíng)復雜度。

　?。?）降低處理大量M2M設備群組對網(wǎng)絡(luò )的影響和處理工作量。

　?。?）優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )工作模式，以降低對M2M終端功耗的影響等研究領(lǐng)域。

　?。?）通過(guò)運營(yíng)商提供滿(mǎn)足M2M需要的業(yè)務(wù)，鼓勵部署更多的M2M應用。

　　3GPP2中M2M的研究參考了3GPP中定義的業(yè)務(wù)需求，研究的重點(diǎn)在于cdma2000網(wǎng)絡(luò )如何支持M2M通信，具體內容包括3GPP2體系結構增強、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )增強和分組數據核心網(wǎng)絡(luò )增強。

　　5 M2M在CCSA的進(jìn)展概況

　　M2M相關(guān)的標準化工作在中國通信標準化協(xié)會(huì )中主要在移動(dòng)通信工作委員會(huì )（TC5）和泛在網(wǎng)技術(shù)工作委員會(huì )（TC10）進(jìn)行。主要工作內容如下：

　?。?）TC5 WG7完成了移動(dòng)M2M業(yè)務(wù)研究報告，描述了M2M的典型應用、分析了M2M的商業(yè)模式、業(yè)務(wù)特征以及流量模型，給出了M2M業(yè)務(wù)標準化的建議。

　?。?）TC5 WG9于2010年立項的支持M2M通信的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)研究，任務(wù)是跟蹤3GPP的研究進(jìn)展，結合國內需求，研究M2M通信對RAN和核心網(wǎng)絡(luò )的影響及其優(yōu)化方案等。

　?。?）TC10 WG2 M2M業(yè)務(wù)總體技術(shù)要求，定義M2M業(yè)務(wù)概念、描述M2M場(chǎng)景和業(yè)務(wù)需求、系統架構、接口以及計費認證等要求。

　?。?）TC10 WG2 M2M通信應用協(xié)議技術(shù)要求，規定M2M通信系統中端到端的協(xié)議技術(shù)要求。

　　6 結束語(yǔ)

　　M2M研究是ETSI和3GPP以及3GPP2標準化組織的研究重點(diǎn)之一，研究相對更加系統，進(jìn)展也比較快，在完成需求階段工作基礎上，第二階段網(wǎng)絡(luò )系統架構也已獲得初步成果。3GPP的研究重點(diǎn)在于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化技術(shù)，目前已經(jīng)有了階段性的研究成果；ETSI研究了多種行業(yè)應用需求，成果向應用的移植過(guò)程比較平穩，同時(shí)這兩個(gè)標準化組織注意保持兩個(gè)研究體系間的協(xié)同和兼容，國內的標準化工作正在如火如荼的進(jìn)行。標準化是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中的重要一環(huán)，研究和制定M2M的標準化工作有對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有著(zhù)重要的意義，對我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，乃至對通信業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)應用行業(yè)間的融合有著(zhù)重要的借鑒價(jià)值和指導意義。