基于移動網絡的機器通訊研究

吳險峰，王寅峰

（深圳信息職業技術學院軟件學院，廣東 深圳510000）

0 引言

物聯網作為一項新興的技術,已經引起國內學術界、工業界的高度重視[1]。機器通訊(M2M，Machine to Machine)屬于物聯網在現階段的重要應用[2]。各標準組織如3GPP、歐洲歐洲電信標準化協會 (ETSI，European Telecommunications Standards Institute）和中國通信標準化協會 (CCSA，China Communications Standards Association)等都已經啟動關于 M2M 的標準化工作，但總體而言仍處于初級階段。針對 M2M 標準化進程中關鍵技術的分析和研究，對M2M未來的普及有著重要的指導作用。文獻[3-4]對國內外 M2M 標準進展情況做了描述，文獻[5-6]分別介紹了M2M國內應用情況和M2M終端標準化進展。但因為標準還在進行和完善中，原有的 M2M 部分重要技術草案有了不同程度的修訂和變化[7-8]。考慮到3GPP類型的移動網絡在全球占據絕對優勢，本文重點研究3GPP定義的M2M技術。在 3GPP的定義中，M2M 也稱為機器類型通信(MTC，Machine-type Communications)。

1 3GPP M2M研究概況

按照 3GPP組織的工作流程，一項技術標準的制定可分為研究項目(SI ，Study Item)和工作項目(WI ，Work Item)兩個階段。前者是可行性研究階段，負責分析該技術的業務需求，提出各種可能的解決方案并對其可行性做出評估，形成技術報告(TR，Technical Report)。后者是標準制定階段，主要根據SI階段的研究結論，在相應技術規范工作組(TSG, Technical Specification Group)依次形成技術規范(TS ，Technical Specification)，通過版本號進行區分。版本一旦凍結就不能再增加新特性，只能在原有基礎上修訂。到2011年10月，各階段主要進展概況如表1示。

2 MTC基本架構

圖1是R11階段的最新3GPP MTC整體框架[11]。主要接口有：①MTCsp：負責 MTC功能模塊（圖中的MTC-IWF）和MTC的信令交互；②MTCi：通過Ip方式和MTC服務器連接；③MTCsms：通過網絡短信方式與MTC服務器連接。

表1 3GPP M2M研究概況

圖1 R11階段MTC方案最新架構

MTC通訊分成3類模型：

1）間接模型（Indirect Model）分為2種情況。MTC服務器不在運營商域內，由第三方MTC服務提供商提供MTC通訊，MTCi、MTCsp 和 MTCsms是運營商網絡的外部接口；MTC服務器在運營商域內，MTCi, MTCsp 和 MTCsms 是運營商網絡內部接口。

2）直接模型（Direct Model）：MTC應用直接連接到運營商網絡，不需要MTC服務器。

3）混合模型（Hybrid Model）：直接模型和間接模型同時使用。典型例子就是用戶平面采用直接模型，而控制平面采用間接模型。

為了支持 MTC的間接模型和混合模型，3GPP專門定義了MTC交互功能模塊（MTC-IWF，MTC InterWorking Function），主要完成功能：①終結MTCsp協議；②提供MTC服務鑒權；③對來自MTC服務器的控制平面請求進行授權，具體的請求消息種類還需要進一步研究；④為3GPP網絡和MTC服務器之間的安全通訊提供支持；⑤需要進一步擴展的其他功能。

MTC-IWF可以是單獨網元，或者是其他網元中的一個功能模塊。由于只是研究報告，而不是最終的規范，網元還存在變數，后期可能根據需要增加新的網元。即使對于已有的網元如HLR/HSS、SGSN/MME、和GGSN/PGW等，都需要增加支持MTC通訊的功能模塊。并且此框架還沒有考慮漫游情況。

3 MTC接口協議棧

3.1 用戶平面

如圖2所示，MTC接入部分繼續沿用已有協議，只是到了MTC 服務器就改成新的MTCi接口。用戶平面功能模塊（MTC UP Function）不是一個必須的模塊，只是表示如果系統出現此類模塊，那么應該包含在MTC服務器中。

圖2 MTC用戶平面協議棧

3.2 控制平面

包含MTCsp（如圖3）和MTCsms（如圖4）的協議棧結構。對于 MTCsp協議棧，MTC-IWF到3GPP其他網元接口還沒有最后定論，而MTC-IWF本身協議棧在 MTC直接模式和間接模式的不同情況下也有待研究。

圖3 MTC用戶平面協議棧MTCsp類型

圖4 MTC用戶平面協議棧MTCsms類型

4 結語

和R10階段的MTC架構[10]比較，新的MTC架構出現了較大變化。在R10階段，還沒有考慮核心網，主要想通過無線側就解決機器的接入。但后來 3GPP發現大量機器的接入會導致信令擁塞，也需要對核心網進行優化，于是后面的版本中，有關核心網的網元也涉及其中。個人認為這是導致架構出現變革的最主要原因。同時用戶平面和控制平面分離，并定義了新的 MTCsp接口，可實現更靈活高效的組網。現在的MTC架構還只是一個技術報告，而不是一個標準的技術規范，已有的網元的 MTC功能擴展還沒有完成定義。3GPP需要將其逐步轉化為標準。國內的M2M標準也在同步制定中，跟蹤3GPP在這方面的最新進展，對中國M2M標準化研究有很好的參考借鑒作用。

[1] 趙靜,喻曉紅,黃波,等. 物聯網的結構體系與發展[J].通信技術, 2010,43(09):112-114.

[2] 孫鵬,王耀輝,陳超. 物聯網核心技術與應用場景[J].通信技術, 2011,44(05):106-108.

[3] 彭曉睿.物聯網中M2M技術與標準進展[J]. 信息技術與標準, 2010 (11): 33-35.

[4] 朱浩,劉榮朵. M2M國內外標準進展[J]. 電信網技術，2010(10):43-47.

[5] 音春. M2M業務信息化應用研究[J]. 移動通信,2011(01)：75-79.

[6] 張隨,張明坤,董文興. M2M終端標準化之研究[J]. 山東通信技術,2011(02):5-7.

[7] ETSI TS 102 689. Machine-to-Machine Communications(M2M):M2M Service Requirements[S].France:[s.n.],2010.

[8] ETSI TS 102 690.Machine-to-Machine Communications(M2M)Functional architecture[S].France:[s.n.],2011.

[9] 3GPP TS 22.368. Service Requirements for Machine-Type Communications[S].USA:3GPP,2011.

[10] 3GPP TR 23.888. System improvements for Machine-Type Communications (Rel-10）[S]. USA:3GPP, 2010.

[11] 3GPP TR 23.888. System improvements for Machine-Type Communications (Rel-11）[S]. USA:3GPP,2011.