LTE演進背景下的M2M通信適配技術

王 藝

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海200122）

1 M2M通信與網絡演進

作為智慧城市的關鍵技術之一，物聯網實現了物理空間和數字空間的映射，使得通過信息空間理解和控制物理空間成為可能。為適應物聯網發展的獨特需求，廣域M2M（machine to machine）通信技術也在不斷演進，LTE作為當前及未來的主要移動通信技術，也在持續演進，滿足M2M通信的需求。

作為通信運營商切入物聯網領域的核心，與M2M通道相關的業務日益受到眾多移動通信運營商的重視。GSMA Intelligence 2014年2月的一份報告[1]統計，截至2013年，全球無線M2M連接數已經接近2億。在一些國家，M2M通道數量占總的移動通信用戶數的比例已經超過了20%。M2M通信已經逐漸成為移動通信網絡承載的重要業務之一。M2M通道連接數及部分國家M2M通道數占比如圖1所示。

LTE之前的蜂窩移動通信網絡，主要面向人與人（human to human，H2H）的通信，無論是從業務信道設計、信令交互設計，還是容量和覆蓋規劃等多個層面，主要考慮的是前向流量，即以手機終端和上網卡為主的業務。M2M通信中的大流量模式，例如實時流媒體視頻監控應用，對于移動通信網絡的需求主要體現在反向帶寬；而大量M2M終端的通信流量模式是以反向的小流量為主，擁有其鮮明的通信特征和業務特征。

圖1 M2M通道連接數及部分國家M2M通道數占比

為更好地支持M2M通信，滿足M2M通信的需求，蜂窩通信網絡逐漸引入一系列新的能力或功能。例如，3GPP基于其對MTC（machine-type communication，機器類型通信）需求的研究，從R10開始，逐漸在已有LTE標準中加入支持M2M通信的功能，同時力圖提升LTE承載M2M通信的效率。3GPP2也在2012年年底推出cdma2000 1x Rev F版本，針對M2M進行了協議優化。

M2M業務除了帶來新的通信特征之外，也帶來了新的業務特征。所謂業務特征，是指和底層的數據傳輸無關，而和業務運營及客戶服務相關的特征。例如，與手機通信業務中公眾客戶占據絕對主流不同，B2B2x（B2B2B或B2B2C）類型的業務在通信運營商M2M業務中占比較高。面對M2M服務提供商和大客戶出于端到端業務全自動運營以及部分客戶全球化M2M服務開展的需要，通信網絡除了面向M2M業務的通信特征開展協議的優化升級工作之外，還需要面向M2M業務的業務特征開展運營商系統的適配工作。本文將從這兩個方面分別進行分析和討論。

2 針對M2M通信特征的適配技術

3 GPP TS 22.368[2]將M2M通信稱為MTC，并描述了MTC的業務場景及業務特征。3GPP所定義的MTC的通信特征主要包括低移動性（low mobility）、通信時間受控（time controlled）、時 間 寬 容（time tolerant）、純 數 據 業 務（packet switched（PS）-only）、小數據傳送（small data transmission）、終端單向觸發（mobile originated only）通信場景模式、終端觸發為主平臺偶爾觸發（infrequent mobile terminated）通信場景模式、終端監控（MTC monitoring）、優先報警（priority alarm）、安 全 連 接 （secure connection）、特 定 位 置 觸 發（location specific trigger）、不 頻 繁 數 據 傳 送（infrequent transmission）以及群組通信（group based MTC feature）等。

2.1 3GPP的相關研究和標準制訂工作

3 GPP從R10開始，以上述研究為基礎，陸續啟動了相關支持M2M通信特征的功能和協議的研究制定工作。R10完成了信令擁塞及過載控制相關的標準化。R11進行了編址和標識、終端觸發機制以及PS-only終端的標準研究。R12針對小數據傳輸效率進行優化、增強監控能力、實現基于組的策略管理、編址、觸發和計費以及降低終端耗電等。

2.2 3GPP2的相關研究和標準制訂工作

3 GPP2在2012年年底推出cdma2000 1x Rev F版本，針對M2M進行了協議優化，希望簡化M2M通信相關的信令處理流程，提高小數據的傳輸效率，增加網絡容量，降低終端的耗電量。除了協議的整體優化外，新的版本使用標志將需要區別對待M2M終端的通信和其他終端的通信。例如，在cdma2000 1x網絡里將M2M終端的訪問過載等級ACCOLC設置為14（從預留的ACCOLC值13～15中分配）。

協議的主要優化內容包括：

·實現M2M終端優先級控制；

·信道分配流程中使用單條消息快速建立數據連接、降低模塊功耗；

·改進發送數據時的信道使用方式，實現網絡增容和模塊功耗降低；

·簡化信令機制，降低信令流量，實現網絡增容和模塊功耗降低；

·實現基于R-EACH的DoS（denial of service,拒絕服務）機制，實現快速接入和數據快速發送。

2.3 如何適配不同M2M終端的不同通信模式

針對M2M通信的承載技術的處理難點之一在于，不同的M2M終端的M2M通信模式不同。例如，3GPP TS 22.368中就明確描述了終端單向觸發通信模式和終端觸發為主平臺偶爾觸發通信模式。網絡如何區分這些不同的通信模式，從而能夠采取不同的承載方式？存在兩種思路。一種是為每種特征建立標簽，事先作為用戶簽約數據的一部分存儲在HLR/HSS（歸屬位置寄存器/歸屬用戶服務器）中；另一種思路是終端側配置標簽的值，在終端附著時通知到網絡中的相關實體，并在后續切換等操作時，通過網絡內部的信息同步機制維護網絡相關實體和終端側關于此參數的一致性。

兩種方法各有其優勢，簽約數據法沿用了傳統的“中央控制”模式，而終端配置法則體現了“分散控制”的思路。筆者認為在以中央控制模式為主的基礎上，適當引入分散控制有助于降低業務開通復雜度和簽約數據管理復雜度，也能通過用戶的參與，讓網絡的使用能夠根據不同M2M應用的特點盡可能地接近最優。下面以一個簡單的例子進行進一步的說明。

對于一些只是執行普通數據采集，不進行遠程控制操作，且數據采集的時效性要求不高的M2M終端，實際采用較低的尋呼周期就可以了。采用較低的尋呼周期的好處之一是能夠降低終端的功耗，實現終端省電的目標。尋呼算法中，終端的實際尋呼周期由下述計算式確定：T=min(Tc,TUE)。其中，Tc是小區特定的默認尋呼周期，由網絡通過廣播消息發送。UE通過SIB2中的PCCH-Config中的尋呼消息（paging message）得到RRC（radio resource control，無線資源控制）配置的default pagingcycle（即Tc）；TUE是UE特定尋呼周期，是UE在附著（attach）過程中的附著請求中攜帶，傳輸給核心網MME（mobile management entity，移動管理實體），再由MME發送給eNB來通知UE的特定DRX周期的值。終端和基站都是根據T=min(Tc,TUE)確定實際尋呼周期T的大小。一般情況下，Tc一般較短。因此，即使終端側配置的TUE值較高，生效的也是Tc。

為應對M2M終端的不同通信模式對較優尋呼周期的需求，可以考慮如下思路：在終端實際尋呼周期協商流程中增加參數“尋呼周期確定模式”進行算法協商，由此參數通知終端和網絡采用何種方法確定終端實際尋呼周期。終端和網絡采用新的算法分別確定終端的實際尋呼周期。對于強調省電的M2M終端，在終端側設置較大的“終端特定尋呼周期”值，同時設置“尋呼周期確定模式”指示采用兩個值中的較大值，經過終端接入網絡時的協商，最終網絡側和終端側都對這個終端使用“終端特定尋呼周期”和“網絡默認尋呼周期”兩者之中的較大值。由于“網絡默認尋呼周期”一般設置得較小，因而實際生效參數是“終端特定尋呼周期”值。而對于普通手機，終端側設置較小的“終端特定尋呼周期”值，同時設置“尋呼周期確定模式”指示采用兩個值中的較小值，經過終端接入網絡時的協商，最終網絡側和終端側都對這個終端使用“終端特定尋呼周期”和“網絡默認尋呼周期”兩者之中的較小值，滿足普通手機快速呼通的需求。

采用上述機制后，可以讓客戶/SI（system integrator，系統集成商）等根據實際業務需要在終端側進行相應參數配置（配置“終端特定尋呼周期”和“尋呼周期確定模式”），讓不同終端采取各自不同的尋呼周期，并可以由客戶/SI等自行調整。這避免了由網絡側操作人員對不同終端/SIM卡逐一配置簽約參數所導致的管理復雜性。更重要的是，只有客戶/SI才能知道當前M2M終端所加載的應用采用多長的尋呼周期較為合適。客戶/SI可以在無需運營商維護人員的參與下，自行更新參數，尋找合適的尋呼周期，在實現終端省電目標的同時，也能夠提高網絡的承載效率。同時，終端如果更換SIM卡，相應的參數仍然存在終端側，仍能保持既有的效果。

2.4 適配M2M通信的兩種網絡改進思路

對于通信網絡承載M2M通信的演進趨勢，在筆者2010年的文章[3]中曾經提出過一個三階段發展論。即在機器通信業務規模化發展的前景下，移動通信網絡承載機器通信的演進趨勢可以劃分為3個階段：混同承載階段、區別承載階段以及遠期的獨立承載階段，如圖2所示。

圖2 移動通信網絡承載機器通信的3個發展階段

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。隨著機器通信業務的不斷發展、業務規模的不斷增加，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。通信網絡將M2M通信從其他通信中識別出來后，在協議等層面進行區分處理。這就進入了區別承載階段。當機器通信業務規模繼續擴大，和其他共享通信信道的數據業務之間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SLA（service level agreement，服務等級協議）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，也就形成了對于機器通信的獨立承載。

無論是3GPP（R10～R12），還是3GPP2，目前針對M2M通信需求的網絡優化和改進思路基本采取了兩個策略。要么是協議本身某種能力的整體提升，既滿足M2M通信的需求，也能夠提升對非M2M通信的支持；要么將M2M通信和其他通信區分出來，然后針對M2M通信的需求在通信協議上進行針對性的有別于非M2M通信的處理。后者體現了在同一網絡和同一協議基礎上的“區別承載”策略。

區別承載策略能夠有效地復用已有基礎設施和協議體系的成果，能夠提升現有網絡對于M2M通信的普遍支持程度。但同時也面臨著一些問題。例如，LTE網絡本身的設計目的之一就是為了大數據量數據的傳輸，承載大量M2M通信小數據傳輸的話，協議的承載效率不夠理想；M2M通信模塊在LTE現有體系下，功耗仍然較高；LTE的復雜通信機制導致M2M模塊的成本較高等。針對這些問題，目前業界已經開始出現一些新的提議，即復用通信運營商的大部分蜂窩基礎設施及頻段，在已有頻段中使用一些單獨的載波來承載M2M通信。在這些單獨的載波上，使用新的專門為小流量M2M通信優化過的空口協議。通過這種方式，既能夠復用通信運營商的大部分已有基礎設施，又能有針對性地滿足M2M通信低功耗和海量接入等要求，同時能夠很好地提高協議的承載效率，滿足M2M終端低成本接入的要求。上述方案體現的就是一種“獨立承載”的思路。

3 針對M2M業務特征的適配技術

M2M業務除了給蜂窩網帶來了新的通信特征之外，還帶來了新的業務特征。這些新的業務特征同樣需要運營商的網絡系統進行功能升級，以保證這些M2M業務的順利運行。這里提及的“網絡”既包含傳統意義上的網絡概念，也包含支撐系統部分。下面分別從針對B2B2x業務模式的適配技術和針對設備全球化部署模式的適配技術兩個方面進行分析和討論。

3.1 針對B2B2x業務模式的適配技術

就此問題，先從3GPP支持物聯網應用的移動網絡架構增強說起。3GPP完成針對MTC需求的階段分析后，針對PS-only終端和外部實體激活終端等需求，總結形成了如圖3所示的架構[4,5]。3GPP專門定義了MTC交互功能模塊（MTC inter working function，MTC-IWF）、MTC AAA服務器和業務能力服務器（service capability server，SCS）。

設立MTC AAA服務器的主要目的是為了解決外部標識符（external identifier,EI）和IMSI之間的映射關系的維護和查詢。SCS是連接3GPP網絡和各個MTC應用服務器的實體。SCS向這些實體開放能力。

MTC交互功能模塊的主要功能包括：

·對SCS以及SCS發出的操作請求進行認證鑒權；

·支持SCS發起的終端激活操作；

·建立和SCS的安全連接。

MTC交互功能模塊可以是獨立實體，或者是其他網元的一個模塊，其主要作用在于對外屏蔽內部網絡，并通過Tsp接口向SCS提供信息以及響應SCS請求，觸發網絡的響應操作。SCS可以由通信運營商構建，也可以由M2M水平服務提供商構建。結合目前正在制定的OneM2M標準分析，其基礎設施節點（infrastructure node）就可以成為某種SCS。

3 GPP的上述架構主要是為了實現PS-only終端的IMSI-EI映射及終端激活操作，并認為提供的功能不僅僅是滿足普通意義上的MTC，因而將相應標準名稱定義為“促進數據網絡和應用之間通信的架構增強”。

進一步來看，通信運營商開展M2M業務，除了傳統的直銷模式之外，往往需要倚重大客戶、M2M服務提供商和MNVO等“企業客戶”發展M2M通道數量。通信運營商通過和這些企業客戶的合作，形成了B2B2C或B2B2B兩種業務開展模式。中國電信和安吉星合作的On-Star車載信息服務屬于B2B2C案例；而B2B2B的典型案例則是通信運營商為一些智能裝備供應商的遠程設備監測和維護服務提供通信服務。將上述兩種模式統稱為B2B2x模式。

在B2B2x模式下，通信運營商服務的是大眾客戶或為其他企業提供M2M應用服務（以下簡稱為M2M服務）的M2M應用服務提供商（以下簡稱M2M服務商）。通信服務是這些M2M服務商向其用戶提供M2M服務的基礎條件，也往往由他們向通信運營商直接采購，將通信服務作為服務的重要組成部分嵌入其提供的M2M服務中。在這種模式下，除了一些諸如VPN、流量隔離等傳統的通信需求之外，新的需求開始出現。

圖3 3GPP的MTC通信架構

M2M服務商作為服務運營者，也面臨著服務開通、服務計量和服務保障這三大業務管理功能。M2M服務商向其用戶提供的是完整的M2M服務，而將通信服務作為M2M服務的后臺組成部分。因此，出于向其用戶提供靈活便捷的服務的需要，M2M服務商也要求通信運營商向其提供通信服務的靈活便捷的服務。具體來說，就是需要通信運營商通過門戶系統向M2M服務商提供自助門戶，通過API開放使得M2M服務商應用系統能夠集成通信通道管控能力，滿足M2M服務商對于通信管道的全自動即時管控需求。尤其在服務開通和服務保障功能方面，M2M服務商的主要訴求如下。

·即時的業務開通：通過對SIM卡狀態的管理完成對SIM卡的激活、停用等操作，并即時生效；套餐的自主設置等。

·靈活的計費賬務：按照客戶的要求提供集中的計費賬務處理功能。

·通道使用狀態信息即時查詢：提供終端附著網絡、下線、建立PS域連接、IP地址、流量、位置等信息用于診斷分析和策略管控。

·遠程喚醒終端：滿足應用主動發起對終端通信的需求。

·遠程終端管理。

在上述基礎訴求的基礎上，還可以派生出其他一些訴求，如基于流量門限的報警。

從這些功能看，M2M服務商需要通信運營商提供“可管理的M2M通道”，可以實現對于通信管道的即時管控。同時，隨著通信運營商針對M2M通信的管道能力提升工作的開展，“可管理的M2M通道”的內涵不斷擴展。

通信運營商為滿足M2M服務商的上述訴求，需要對網元和支撐系統進行相應的改造。這種改造，在最初的層面可能涉及信息的獲取，后續可能涉及功能或業務邏輯的改造。前者只是對這些網元或支撐系統改造接口而已，而后者則可能需要對網元或支撐系統本身進行改造。為了快速搭建平臺和提供相應功能，初期可能選擇不對網元進行改造或進行少量改造，也可以從信令采集系統獲取涉及網元提供的一些信息。為降低對大網的影響以及探索新的能力的構建，可以考慮采用設置獨立的M2M專用核心網網元的方法來避免對大量大網設備的改造。

3.2 針對設備全球化部署的適配技術

在M2M業務領域，兩個因素導致了一種針對新的全球化部署而提出的適配技術的出現。第一個因素，出現了和M2M終端形成機卡合一關系的SIM卡，如嵌入式SIM，即eSIM。第二個因素，智能設備廠商提出了一點生產、全球部署情況下使用本地資費套餐的需求。前者的出現，是因為部分M2M應用采用的M2M終端以及其使用的SIM卡在生產時就被預裝到智能設備中。在整個設備生命周期中，SIM卡是不可更換的（為提高環境適應性，這些SIM卡往往采用貼片模式，直接焊接在通信模塊中）。后者則是業務全球化背景下，全球化設備廠商希望降低M2M服務成本的結果。

上述兩個因素導致在M2M應用中一種新型業務模式的出現：SIM卡保持不變的情況下，通過空中寫卡OTA（over the air）接口實現運營商碼號數據切換，從而實現按需切換通信運營商服務的目標。在SIM卡商等實體的推動下，GSMA于2013年年底發布了其制定的規范[6]，描述了eSIM遠程激活系統（如圖4所示），其核心思想是：

·一張SIM卡上可以有多家通信運營商的和用戶注冊管理相關的碼號數據；

·為實現切換運營商的目標，依靠用戶注冊管理器（subscription manager，SM）（其由兩部分組成：SM-DP（注冊管理—數據準備）系統和SM-SR（注冊管理—安全路由）系統），可以實現對SIM卡的碼號數據下載以及當前激活碼號數據的指定。

圖4 eSIM遠程激活系統

目前，SIM卡廠商也有類似的私有方案。GMSA正在全力推進上述方案進入商用試點。而ETSI等其他一些標準組織也在開展類似工作。

4 結束語

移動網絡M2M通信增強技術仍然處于技術發展的初期，遠未滿足機器通信的普遍需求。各個標準組織雖然積極進行標準規劃和制定，但上述標準改進仍在進行當中。3GPP等標準組織提出的支持M2M通信特征的功能尚未在現網大規模部署實施。按照協議改進目標，隨著這些標準在現網的實施將使網絡支持M2M通信的能力得到提升。在M2M通信尚未成為通信網絡承載的主體流量之前，僅僅針對M2M通信對全網進行升級并不現實。整個網絡對M2M通信承載能力的提升，往往是隨著針對當前網絡主體業務承載能力的提升而實施的全網升級而獲得。國內外通信運營商已經開始基于專用號段和獨立NAI（network access indentifier，網絡接入符）等區分手段，在核心網內設立專用網元承載M2M通信，滿足其在接入、QoS、通信狀態獲取、安全、計費等方面的特殊需求，并探索進一步開發新的增值服務的可行性。

1 GSMA Intelligence.From concept to delivery:the M2M market today.https://gsmaintelligence.com/files/analysis/?file=140217-m2m.pdf,2014

2 3GPP TS 22.368.Service Requirements for Machine-Type Communications(MTC);Stage 1,2014

3 王藝.機器通信推動通信網絡進一步演進.中興通信技術,2010(4)

4 3GPP TS 29.368.Tsp Interface Protocol Between the MTC Interworking Function(MTC-IWF)and Service Capability Server(SCS),2014

5 3GPP TS 23.682.Architecture Enhancements to Facilitate Communications with Packet Data Networks and Applications,2014

6 GSMA Association.Embedded SIM Remote Provisioning Architecture.http://www.gsma.com/connectedliving/wp-content/uploads/2014/01/1.-GSMA-Embedded-SIM-Remote-Provisioning-Architecture-Version-1.1.pdf,2013