機器通信與網絡演進

摘要: 物聯網是世界信息產業第三次浪潮，并已成為世界各國經濟社會發展的新興戰略性產業。機器通信作為物聯網實施的重要一環，受到越來越多的關注并已應用在很多領域。文章介紹了機器通信的模式和特點，其中最突出的特征是反向小流量業務是機器通信的主體。并將通信網絡承載機器通信的演進趨勢分為3個階段:即混同承載、區別承載和獨立承載。文章認為，機器通信業務的初始階段，是業務適應網絡;而機器通信業務如果規模化到一定程度后，網絡應該適應業務。

關鍵詞:機器通信;M2M;泛在網

Abstract: Internet of Things is the third wave of the information industry and has become a strategic industry in economic and social development worldwide. The most important part in the implementation of Internet of Things， M2M has attracted increasing attention as it continues to be applied in many fields. This paper introduces the M2M module as well as the possible future of M2M; in particular， its application in small reverse flow business. It also proposes that development of M2M networks can be considered in three stages: mix-up bearing mode， differentiated bearing mode， and independent bearing mode. In the initial stage of M2M， business should adapt to suit the network; when it increases in scale， the network should adapt to suit business.

Key words: machine-type communication; M2M; ubiquitous network

通信網絡從誕生開始，一直就以滿足人與人的語音通信為目標。Internet興起后，為了承載各種新型數據通信業務，在接入網、核心網和傳輸網等層面進行了相應的演進。而今，隨著機器通信業務的蓬勃發展和對其未來的良好預期，通信網絡的演進又獲得了重要的推動力。

1 機器通信概述

機器通信，又稱為M2M通信，指通信一方或雙方是機器，且機器通過程序控制能自動完成整個通信過程的通信形式。機器通信包含機器到機器、人到機器和機器到人3種類型的通信業務。通過機器通信，不但機器和機器之間可以進行信息交互，機器還可以響應來自人或后端系統(也是一種機器)的控制指令，或將采集到的信息傳送給人或后端系統。文章關注的機器通信業務，主要指借助電信運營商的通信網絡(以下簡稱“通信網絡”)進行廣域互連的機器通信業務。同時，論述的重點以采用移動蜂窩網接入的機器通信業務為主。

機器通信業務早已存在，只不過一方面，部分機器通信業務和公共通信網絡無關，例如在一些特定行業里，數據采集與監控系統(SCADA)早已被用作遠距離數據采集和設備控制的通信手段;另一方面，業務總體尚未到達一定規模，因而關注度相對不高。

作為物聯網體系中的重要一環，機器通信業務從2009年下半年開始，似乎突然間受到了社會的重點關注，形成了產業界的一股新浪潮。人們發現，一方面機器通信當前已經應用在很多領域里:環境感知類應用、車載信息類應用、無線金融支付類應用、Telemetry類應用和資產監控類應用;另一方面機器通信未來會有更廣泛的應用:既有應用的內涵會加深、規模會逐漸擴大，并且將會出現節能減排、遠程醫療、智能家居等更多的可以廣泛應用的領域。

對于電信運營商而言，機器通信業務還有一層重要意義:隨著傳統通信市場的逐漸飽和，機器通信業務成為運營商拓展空間的重要方向。這是因為，未來連入網絡的機器數量十分可觀，甚至超過連入網絡的人的數量。電信運營商逐漸開始重視機器通信業務，并積極投身到機器通信業務的推進工作中。例如，Orange面對M2M業務，針對不同需求類型的客戶，分別推出了通道化業務、標準業務平臺業務和行業定制化業務。而在中國，中國電信和中國移動都在機器通信領域進行了大量的探索和實踐工作。

面對龐大的應用需求，在產業各方的積極推動下，機器通信業務將向規模化、泛在化、產業化的方向加速發展。那么，相對于傳統的數據通信業務，機器通信有哪些特點?通信網絡如何承載機器通信業務?這些問題已經成為當前通信界關注的熱點。

2 機器通信特點

我們可以從多個角度來觀察并分析機器通信的特點。例如數據的流向、數據流量所需帶寬、機器終端的移動性、傳輸操作的觸發機制和時間特性等等。

(1)反向流量是機器通信的主要流量

當前的大多數機器通信業務，處于機器通信發展的第一個階段，特點是以信息采集為主。如智能測量中的抄表應用、水文監測應用、環境監測應用等。信息的流向是從采集點的機器終端通過通信網絡傳送到客戶的后端應用系統。借用移動蜂窩網的術語，當前的機器通信業務以反向流量為主。隨著機器通信發展第二個階段的出現，遠程控制功能得以加強、信息發布類應用廣泛出現，前向流量會逐漸增加。而到了第三個階段，機器通信的目標變成了其它機器，這種場景下數據流向特征可能就是基本對稱了。

總的來說，綜合機器通信類應用的特點，尤其是后端客戶應用系統的中樞智能特征等因素，反向流量將仍然長期是機器通信的主要流量。與此形成對照的是，目前手機終端的數據流量、上網卡的數據流量主要以前向流量為主。

(2)小流量業務是機器通信主體

從數據流量所需的帶寬來看，機器通信大致可以分為大流量業務和小流量業務兩大類。大流量業務主要體現在兩類應用:視頻采集類應用和數據匯聚傳輸類應用。視頻采集類應用從監視區域采集視頻信息以流媒體的形式上傳到遠端平臺。在環保監控類應用、公交監控類應用中都有實際使用。數據匯聚傳輸類應用的主要體現形式是使用無線路由器的應用場景。

大流量業務之外，更廣泛的機器通信需求集中在小流量業務中。這些小流量應用的典型特征是一次通信過程中傳輸的數據極其有限，也就在1 ~10 kbit/s之間。這樣的數據傳輸量，在通信質量較好的2.5 Gbit/s蜂窩網，如CDMA 1X網絡里，數秒之內就可以傳輸完畢。典型案例如出租車輛的軌跡跟蹤，一次通信過程主要向后端應用系統傳送定位信息。而定位信息主要包含經度、緯度、高度、速度等信息，數據流量很小。甚至一些開關量應用，每次數據傳送只是“開”或者“關”信息，數據流量就更小了。

從當前應用情況來看，小流量業務是機器通信的主體。

(3)大量終端具備低移動性的特點

從機器終端的移動性角度來看，機器通信類應用有4種情況。第一種是大范圍移動的機器終端，如車載終端，尤其是出租車車輛的車載終端;第二種是游牧型的機器終端，如無線POS;第三種是在一個很小范圍內移動的機器終端，如在家居環境中的遠程健康監測終端;第四種則是基本不移動，甚至可以說是在固定地點接入的機器終端，如很多用于環保監控的終端，基本就固定在環保監控源附近。

雖然有4種類型的機器通信類應用，需要指出的是，符合第四種情況的機器終端應用，不在少數。

(4)機器終端傳輸操作的觸發機制和時間特性各不相同

從傳輸操作觸發機制和時間特性來看，主要可以分為3種類型。

第一種是條件觸發的即時性傳輸類型。此類機器終端在滿足某種條件的情況下，將包含相關信息的數據立即傳送到后臺應用。所謂“某種條件”，會因具體應用的不同而存在不同情形。例如，開關量監控類應用，一旦開關量發生變化，終端應立即上報信息;指標監控類應用，一旦指標超過門限，終端應立即上報信息。位置觸發類應用，一旦終端到達一定地域，終端應立即上報信息。

第二種是時間觸發的即時性傳輸類型。例如，車輛軌跡跟蹤類應用。一般情況下，車輛終端會以一定時長為周期，周期性的上報車輛的定位信息。觸發數據上報操作的是以時間為基準的內部觸發機制。

第三種是時間觸發的非即時性傳輸類型。此類應用主要用于特定時刻的數據收集，后端應用采集這些數據主要用于后分析。此類應用，并不強調數據上傳的即時性。終端可以在數據產生后的一定時間內上傳數據即可。

(5)機器通信的其它重要特征

機器通信的一個重要特點就是通信終端的“程序自動控制”。程序自動控制通信操作，與人為控制通信操作有很大的不同。程序自動控制模式可以讓終端在較短時間內產生大量的呼叫。例如，移動的機器終端可能會聚集到一個小區內，并都試圖建立和網絡的數據連接。由于小區容量有限，出現連接失敗的情形。而連接失敗的終端被程序控制，很快再次呼叫網絡……如此往復，加劇了小區的通信處理負荷，甚至造成小區的擁塞。

另外，很多行業終端散布在諸如野外等無法提供電源的地點。雖然可以采用太陽能供電，但出于成本的考慮，絕大多數此類終端只能使用電池供電。為了降低維護保養成本，這些電池供電的終端至少能夠持續工作半年，目的甚至能夠達到1年以上。這就要求，包括通信單元在內的整個終端單元必須具備低功耗，甚至超低功耗的特征。

此外，機器通信還具備諸如“基于組的特性”、“雙向觸發”等特征。這里不再進行描述。總之，機器通信具備獨特的通信模式和特征，對于主要基于傳統語音通信和上網業務的通信網絡提出了新的要求。

3 通信網絡承載機器通信的演進趨勢

當前的通信網絡，尤其是蜂窩通信網絡，在設計時是以所承載的業務主要是語音、上網等業務為前提的。從數據通道來看，無論從承載通道設計、信令交互設計、容量和覆蓋規劃等多個層面，都主要考慮的是以前向流量為主，以手機終端和上網卡為主的業務。在機器通信業務規模化發展的前景下，筆者認為，通信網絡承載機器通信的演進趨勢可以劃分為3個階段。如圖1所示，即混同承載階段、區別承載階段以及遠期的獨立承載階段。

(1)業務發展初期，通信網絡采用混同承載方式

在混同承載階段，通信網絡從接入網開始，到核心網的各個環節都沒有將機器通信和上網卡等數據業務區分開來。這些不同類型的通信業務，網絡采用同一種模式進行承載。造成這種局面的主要原因是網絡側目前不能以比較簡單的方式實現區分業務。而且雖然存在一定的需求，業務也開始形成一定的規模。但在機器通信發展的初期，業務規模仍然有限。從投入產出效益來看，沒有足夠的理由啟動對網絡的改造。

在混同承載階段，基本處理策略是網絡不作大的改動，網絡參數基本不變，主要通過終端側采取一些措施，應對程序自動化等特征帶來的問題，間接地增強網絡對機器通信的承載能力。同時，運營商也在探索構建針對機器通信的業務平臺，例如M2M平臺，通過提供針對機器終端的監測控制、以及業務數據路由等功能，從另一方面增強網絡的承載能力。

(2)通信網絡要實現對于機器通信的區別承載

畢竟，機器通信有其不同于以往傳統數據通信的特征。隨著機器通信業務的不斷發展，業務規模的增加，逐漸對包括碼號資源、傳輸信道資源等在內的通信網絡資源造成了較大的壓力。為了避免這種壓力對整個通信網絡造成大的負面影響，必須在網絡側進行相應的改造來實現區別承載。

歐洲電信標準化協會(ETSI)的專家們就此在M2M 功能架構中進行了相應闡述，如圖2所示:

ETSI的專家們提出在接入網、核心網以及傳輸網層面都可能需要進行改造，以提供承載機器通信的新的網絡能力。此外，還需要提供一些服務能力來支撐機器通信業務的承載。筆者認為后者將主要依靠M2M平臺的演進來實現，而前者的實現需要根據機器通信的具體特征采取相應的改進機制。例如，針對低移動性、甚至固定安放的機器終端，可以簡化移動性管理相關的信令處理流程。這樣做，一方面可以減少信令數據流量，另一方面也可以減少終端通信單元的信令交互操作，從而達到降低功耗的目的。

要實現通信網絡對于機器通信業務的區別承載，通信網絡固然要具備針對性的承載機制。但首先，通信網絡需要將機器通信業務從眾多數據業務中識別出來，才能夠進一步區別對待。要實現這種識別功能，可以采取多種措施，例如:

●機器終端接入網絡可以采用單獨的網絡接入標識符NAI;

●機器終端可采用獨立號段，將其和使用普通號段的終端區分開來;

●在歸屬位置寄存器(HLR)等相關設備中，針對機器終端設置相應的區分標識。

需要注意的是，一方面，上述這些措施，實施工作量大小不一;另一方面，可能需要多種措施綜合使用，方能達到較好的效果。而且，不但是網絡承載，包括業務承載(業務開通、計費等)同樣需要借助這些手段實現區別對待。

(3)遠期，通信網絡可能需要實現對于機器通信的獨立承載

當機器通信業務規模繼續擴大，和其它共享通信信道的數據業務之間會出現較大的互干擾問題，單純從技術手段解決可能過于復雜。另外，可能出現大量對通信服務等級協議(SLA)要求較高的機器通信業務。這些因素導致可能需要采用物理或邏輯隔離的網絡承載(部分)機器通信業務。這可能包含了物理或邏輯獨立的接入網，以及核心網中專設的互聯子網。

4 小結和展望

近年來，中國和國際上的通信標準組織在機器通信方面陸續開始開展相關研究。國際電信聯盟遠程通信標準化組織(ITU-T)主要從下一代網絡(NGN)的視角出發關注泛在網的需求和架構等。第三代合作伙伴計劃(3GPP)則主要從移動網絡出發關注機器通信的需求，以及面向機器通信的網絡改進和優化工作。為推動M2M支撐技術的研究，3GPP2在2010年1月曼谷會議上也通過了M2M的立項。明確了當運營商部署M2M 應用時，應給運營商帶來較低的運營復雜度;優化網絡工作模式，以降低對M2M終端功耗的影響等研究領域。中國通信標準化協會(CCSA)于2010年2月初成立了泛在網技術委員會(TC10)，統一部署和開展泛在網的應用和技術研究。但總的來看，關于機器通信的標準仍然處于需求和架構分析階段，即處于起步階段。

從光接入、無線寬帶接入、智能業務平臺等通信網絡的幾大發展方向來看，機器通信對于無線寬帶接入提出了更多的要求。機器通信業務具有和以往移動蜂窩網承載的數據通信業務不同的通信模式和特征，需要網絡作出適應性的改變。如果說，機器通信業務的初始階段，是業務適應網絡。那么我們可以說，機器通信業務的大發展階段，則應該是網絡適應業務。當然，這是一個漸進的過程。而當前正處于從混同承載階段向區別承載階段的轉變的過程之中。

總之，從機器通信業務的承載現狀，以及未來物聯網的發展愿景來看，目前的通信網絡仍然有很多通信需求未能滿足。機器通信業務的發展，將進一步推動通信網絡的演進。

5 參考文獻

[1] Draft ETSI TS 102 690 V<0.1.3> [S]. 2010.

[2] 3GPP TR 23.888 V0.1.2 [S]. 2010.

收稿日期:2010-04-25

王藝，北京郵電大學碩士畢業，現任中國電信上海研究院政企產品開發部高級產品開發工程師、中國電信物聯網重點實驗室成員，主要研究方向是面向政企客戶的電信產品開發、M2M和物聯網的業務功能、系統架構、通信協議技術等，先后在《電信科學》等雜志發表論文數篇。