M2M應用背景下移動網網絡架構研究

孫成虎 北京電信規劃設計院有限公司工程師

陳艷敏 北京電信規劃設計院有限公司工程師

M2M應用背景下移動網網絡架構研究

孫成虎 北京電信規劃設計院有限公司工程師

陳艷敏 北京電信規劃設計院有限公司工程師

通過M2M業務特性，M2M應用背景下運營商的贏利模式以及對網絡的要求為出發點，結合M2M標準化成果和國內外運營商經驗，提出M2M的整體網絡架構，并對M2M核心網絡與周邊系統的集成關系進行分析總結。

M2M應用 M2M網絡架構 HLR SGSN GGSN PCRF

1 引言

M2M（Machine toMachine）是現階段物聯網最普遍的應用形式；國際標準對M2M應用整體架構已形成共識，分為終端感知層、網絡連接層、業務能力層和應用服務層，各層間通過標準API進行能力調用。

M2M的發展契合了運營商轉型的需求，國內外主流運營商作為物聯網產業的積極響應者，紛紛開始積極布局M2M網絡。目前，國內外運營商M2M網絡側多采用和H2H核心網部分網元共享的部署形式，M2M平臺方面根據不同應用商用模式的差異，多通過自建或合作的方式建設獨立支撐平臺的部署方式。

電信運營商在物聯網產業從啟動期逐步演變為競爭性發展格局的過程中，如何構建M2M網絡架構，同時能依托現有龐大的網絡規模和網絡覆蓋范圍，廣泛的用戶基礎，強大的計費平臺，長期以來和設備商、軟件商、系統集成商等緊急的合作，在整個物聯網產業鏈中保持優勢是當前M2M應用背景下的一個重要課題。

2 M2M應用特性及商業模式分析

M2M網絡架構的設計，需要以網絡所承載的具體業務為出發點，需要充分分析M2M業務特征和需求，M2M應用分類歸納為6類應用組成，各類M2M應用特性如表1所示。

表1 M2M應用分類及特性分析

可以看出，對比傳統移動業務，M2M應用突出的特點是：M2M業務豐富且應用場景具有較大差異性，以數據通信和小數據量傳輸為主，尖峰數據傳輸速率、數據持續性、終端移動性等均具有較大差異；M2M應用終端數量龐大，多不需要人的參與，主要面向行業用戶，單一終端對應業務專一化主要專注于某一行業應用；M2M應用對運營商網絡建設提出了新的要求。

圖1 MTC監測方案分析示意圖

3 M2M核心網絡架構研究

3.1 構建M2M網絡架構需求分析

相對傳統移動業務，M2M應用及商業模式具體落實中，對網絡部署及資源需求提出如下特殊要求：

●終端監測方面：如何監測M2M終端行為特性是否符合簽約內容？如何監測M2M終端被非正常入侵或移動？如何檢測M2M終端鏈路的故障？

●低移動性：如何降低不移動或很少移動的設備對系統資源的占用？

●群組性：如何實現對于群組類型的用戶和業務進行管理、控制與計費？

●時段控制：對于只在規定時間有數據傳送要求的業務，如何降低其在不傳送數據期間對系統資源的占用？如何在系統負荷重時，延時傳送對實時性要求不高的業務數據以降低對系統的沖擊？

針對上述特殊要求，具體網絡層面對各網元功能需求及解決方案如下：

（1）MTC監測需求及方案分析（見圖1）

●基于M2M業務類型，簽約是否啟用終端狀態和位置實時監控，對于簽約了實時監控的Machine，PCRF指示GGSN啟用位置變更和狀態上報。

●GGSN在PDP激活或者PDP更新響應中指示SGSN位置變更通知。

●GGSN收到SGSN的控制面消息后，通過Radius接口通知M2M業務平臺、當前Machine的位置和狀態信息，或者通過PCRF向M2M管理平臺上報用戶信息。

（2）低移動性需求及方案分析（見圖2）

低移動性是運營商可定制的簽約特性，當終端屬于低移動類時，HLR簽約時明確其是否移動、移動的范圍、移動的頻率；運營商能夠按照組、用戶的粒度定義不同的低移動性特性。

●終端接入時HLR將用戶簽約的移動性數據下發給SGSN/MME。

●SGSN對于2G/3G用戶通過Cell列表限制終端的移動范圍，MME對于LTE終端通過簽約TALIST來實現對終端低移動性的控制，終端超越允許接入范圍或進入限制區域，網絡拒絕其請求。

●SGSN/MME實現基于用戶組獨立配置周期性路由更新定時器時長，降低低移動性用戶周期性路由更新的頻次，減少系統的信令開銷。

PCRF/SPR簽約M2M用戶的移動特性和位置列表：

●用戶激活時SGSN將用戶的位置信息攜帶給GGSN，GGSN將位置信息作為輸入向PCRF獲取策略，PCRF基于SPR的簽約決定M2M用戶在該位置是否準許接入，如果不允許，則通知GGSN拒絕M2M用戶激活，若允許用戶激活，GGSN在響應中通知SGSN后續用戶位置更新時需要上報GGSN用戶的位置信息。

●當用戶位置信息發生改變時，SGSN通知GGSN，GGSN通知PCRF，PCRF可以更新M2M用戶的接入策略；GGSN還可以通過Radius消息將用戶的位置信息上報給M2M管理平臺。

（3）基于群組的管控需求及方案分析（見圖3）

基于HLR、SGSN：HLR靈活簽約用戶歸屬的組屬性，可以基于地域、簽約、用戶歸屬來組成不同的Group：

●用戶接入時，HLR在給SGSN的簽約信息中攜帶組標識。

●SGSN按組計費，產生組CDR，減少系統開銷，話單中體現Group ID。

●定義用戶/組的帶寬，超過組允許接入的最大比特率時拒絕用戶或組中其它組成員接入。

基于SPR/PCRF/GGSN：SPR靈活簽約用戶歸屬的組屬性，可以基于地域、簽約、用戶歸屬來組成不同的Group：

圖2 低移動性方案分析示意圖

圖3 基于群組的管控方案分析示意圖

●用戶激活時，GGSN從SPR/PCRF獲取基于組的計費或貸款等標識。

●GGSN按組計費，產生組CDR，減少系統開銷，話單中體現Group ID。

●GGSN根據用戶/組執行帶寬控制，超過組允許接入的最大比特率時拒絕用戶或組中其它組成員接入。

（4）時段控制需求及方案分析（見圖4）

當終端應用類型對實時性要求不高時，簽約其允許接入的時間，由HLR/HSS下發給控制面SGSN/ MME：

●終端在非允許接入時段請求接入時，網絡拒絕其請求。

●在系統負荷重時，對于非實時性終端控制拒絕其請求并隨機下發延遲接入時間。

對于定時傳送數據的終端在不傳送數據的時段中采用低移動性的方案：

●當終端應用類型對實時性要求不高時，SPR簽約其允許接入的時間。

●終端在非允許接入時段PDP激活時，GGSN拒絕其請求。

（5）方案匯總及比對分析（見圖5）

根據上述分析總結，構建M2M核心網存在如下3種方案可能：

圖4 時段控制方案分析示意圖

圖5 方案比對分析示意圖

●方案1：M2M和H2H核心網全共享。

●方案2：M2M和H2H核心網部分網元共享，SGSN與H2H網絡共用。

●方案3：M2M核心網完全獨立新建。

如圖5所示，3種方案比對分析具體如下：

——方案1：全網現有設備需要升級和擴容，對現網影響較大，特別是對現有H2H的應用有影響；基于M2M的定制開發不靈活，開發周期長；網絡耦合度高，維護難度增大。

——方案2：可以滿足現階段物聯網業務要求；只部署GGSN、HLR、PCRF，共用H2H網絡SGSN網元，通過開放能力接口給物聯網平臺，可彌補H2H網絡中SGSN部分網絡優化無法實施的問題。

——方案3：建設獨立的SGSN、GGSN、PCRF、HLR；可以方便地部署M2M核心網整體優化機制，如M2M終端移動性管理優化、時間控制等；該方案需要無線網絡進行升級，要求較高。

綜上所述，從保護現網H2H業務不受影響，且滿足未來M2M發展出發，同時保證最小成本業務隔離，充分利用現網資源統籌、網絡布局，建設合理、高效的網絡等方面考慮，M2M網絡架構部署建議采用方案2。

3.2 M2M網絡架構

根據上述構建M2M網絡架構需求分析及方案建議，結合國際標準及國內外運營商經驗，M2M網絡架構由終端感知層、網絡連接層、業務能力層、應用服務層組成。

（1）終端感知層

共用H2H無線網，是一種在現網上邏輯疊加專用M2M核心網絡的架構。

（2）網絡連接層

具體MSC/VLR、MGW、SGSN基本可以滿足初期階段物聯網業務需求，建議由現網H2H網元兼做；考慮到物聯網的碼號、功能擴展、業務類型、運維管理等與現網不同，建議單獨建設物聯網專屬網元，即M-HLR、M-GGSN、M-SMSC、M-PCRF。

（3）業務能力層

構建全網集中統一運營支撐管理平臺，與應用和終端松耦合，實現全網業務的統一運營、統一管控、統一受理、統一計費、統一結算等。具體建設獨立的M2M管控平、M2M業務網關、M2M BSS。

（4）應用服務層

聚焦客戶集中、需求集中、行業壁壘低的物聯網典型行業，重點發展規模較大、模式成熟的物聯網業務，實現快速規模化。現階段構建以純通道產品為基礎，以智能通道產品為主打，集成應用產品為提升分層次的產品體系。

M2M網絡架構如圖6所示。

其中，主要網元的功能如下：

●專用HLR

圖6 M2M網絡架構圖

實現M2M專用碼號管理、專用號段管理，支持機器卡智能管道的機卡綁定、狀態獲取、位置獲取等特色功能。支持群組簽約數據能力；支持終端監控（如位置監控、IMEI監控等）能力，支持某個時間段接入控制，支持擴展ID到MSISDN、IMSI的映射能力，支持終端特征簽約（如終端的低優先級、是否為PSonly等），供SGSN控制UE的行為；支持多Profile的簽約，降低終端漫游時的資費，支持一卡多號和一號多卡的M2M業務。

●專用GGSN

提供M2M PS通道統一出口、統一計費，基于內容感知進行基于時間、位置、業務等維度的PCC策略調度執行。需要增強支持基于群組流量統計、基于流的計費信息、QoS策略執行和基于群的事件上報等。當大量的MTC設備同時發起數據和信令交互時，網絡能夠提供一種機制降低數據和信令的峰值；在過載的情況下，網絡應該能夠提供一個限制下行數據和信令的機制，也應該能夠提供一個限制接入特定APN的機制。

●專用PCRF

與物聯網業務平臺對接，基于終端感知進行基于時間、位置、業務等維度的PCC策略控制，實現物聯網QoS管理和差異化管理；與業務支撐系統互通，實現客戶資料和業務訂購信息的管理。支持群組的策略數據動態下發GGSN/PCEF、更新和刪除，支持群組用戶的流量監控。

●專用SMSC

避免與現有短信互通存在的一系列問題（如垃圾短信），物聯網專用SMSC，作為機器通信碼號的短消息服務中心，為機器提供一個封閉的短信空間。除了現有的短消息的功能外，需要支持短消息完成設備觸發的功能，支持在一號多卡的M2M業務中短消息的群發功能。

●M2M管控平臺

物聯網業務的運營管理中心，提供物聯網管理運營的核心能力部件，負責終端資源管理、業務管理、能力管理、終端和業務平臺的QoS管理；通過對接核心網元、業務網關，獲得通信質量信息，實現物聯網業務的服務支撐和高效運營，實現客戶的價值增值。

●M2M業務網關

實現物聯網應用平臺和物聯網終端通信的橋梁，提供信息采集、接入、路由、協議轉換等服務。

●M2M BSS

部署獨立的M2M BSS，與M2M核心網對接，實現物聯網產品管理、服務開通、號卡資源管理、用戶信息管理、計費管理、綜合結算等功能，并逐步實現與B-BSS的對接。

3.3 M2M核心網絡對周邊網元的要求

●MSC：需對現網MSC配置物聯網IMSI、MSISDN號段。

●SGSN：需對現網SGSN配置物聯網IMSI、MSISDN、APN、GGSN地址信息。

●H/LSTP/DRA：需對現網H/LSTP/DRA配置物聯網新號段路由信息。

●DNS：需對省內DNS配置物聯網APN信息。

●網管：新建網元通過專業網管接入大區綜合網管，需綜合網管支撐。

4 結束語

本文對M2M業務特征及商業模式、M2M對網絡的特殊要求等方面進行分析，結合國際標準以及國內外運營商部署經驗，提出了在現有移動通信網絡上部署具有可行性且滿足M2M業務應用需求的網絡架構，并針對該網絡架構對現網周邊系統提出了功能要求。后續將結合物聯網應用特點，建議在現有架構的基礎上優化核心網業務流程與處理機制，最終打造一個H2H/M2M融合共存的自適應、開放式通訊網絡。但由于現階段物聯網產業鏈上各環節發展不均衡，要實現物聯網的規模化發展，需要廣電、電信、交通等各行業主管部門的合作與配合，產業鏈上各主體的合作需要一個多方共贏的模式，然而在各方利益機制尚未成型的背景下，物聯網的普及還有漫長的路要走。

1 馬書惠,田新雪,博格利.M2M移動通信網絡架構研究.移動通信.2012

2 王菁,薛海強,彭晉等.一種新型的分布式IMS實現方法.電信科學.2008,2

3 鄭欣.物聯網未來十類商業模式探析.移動通信.2011,7

4 周曉瓊.中國移動物聯網商業模式研究.北京郵電大學碩士論文

2014-11-09）