基于電信運營商視角的物聯網連接平臺方案研究

姚黎強

上海信產管理咨詢有限公司 上海 200083

引言

物聯網的發展現已滲透到各行各業，它被認為是繼計算機、互聯網和移動通信網之后的第三次信息技術革命，成為信息產業新一輪增長的有效推動力。近年來，美國、歐盟、日本等發達國家和地區紛紛出臺物聯網發展規劃，進行相關技術和產業的前瞻布局，我國也將物聯網作為戰略性的新興產業予以重點關注和推進，并在國家十二五規劃綱要中明確提出：“推動物聯網關鍵技術研發和在重點領域的應用示范”。物聯網業務不僅是我國信息化和工業化融合的切入點，也是我國電信運營商信息服務轉型的方向之一。在物聯網的產業鏈中，電信運營商扮演著不可或缺的角色。物聯網要實現物與物、物與人互聯，必須借助移動寬帶網絡支撐，而運營商作為移動寬帶網絡的運營者，就成為了物聯網產業鏈中的重要一環[1]。總體而言，目前無論國內還是國外，物聯網的研究和應用還處于起步階段，各國主要圍繞獨立的M2M業務開展，業務應用和物聯網平臺仍處于孤立和垂直的狀態，本文針對運營商物聯網連接管理平臺的概念、定位、體系架構、網絡方案等的研究，為物聯網產業生態的搭建起到拋磚引玉的作用。

1 物聯網的概念

物聯網是物物相連的網絡，是在計算機互聯網的基礎上，利用RFID、無線數據通信等技術，構造一個覆蓋世界上萬事萬物的網絡[2]。在這個網絡中，物品與物品之間能夠彼此進行“交流”，而無需人的干預，它是新一代信息技術的重要組成部分，也是信息化時代的重要發展階段。物聯網有3個基本要素，即信息感知、信息傳遞和信息處理。相應地，物聯網的基礎架構也包含感知層、傳輸層和應用層3個基本層次：第一是傳感系統，即通過各種技術手段來實現和物相關的信息采集與標識；第二是通信網絡，包括現在的互聯網、通信網、廣電網以及各種接入網和專用網，目的是對采集來的信息進行傳輸和處理；第三是應用和業務，即在對所感知的信息進行智能處理后，通過手機、PC或各類專用終端設備實現應用服務[3]。

2 運營商在物聯網產業鏈中的價值

電信運營商除了能夠提供基礎網絡服務，還可以提供應用集成服務、IT設施服務、運營支撐服務，并利用其完善的服務手段、技術手段、公信力和客戶群在物聯網發展中扮演關鍵角色。

1)基礎網絡服務：安全可靠的接入與承載網絡是運營商的核心價值所在[4]。物聯網的信息傳遞需要依賴移動網與互聯網，需要實現無縫網絡覆蓋和異構網絡融合，構建異構的泛在網絡為運營商提供了新的發展機會。目前，很多所謂的物聯網應用還是孤立的系統，并未實現規模聯網，要真正實現大規模的物聯網應用，所有的感知設備應該接入互聯網或移動網。大量的感知終端或機器接入移動網與互聯網，必將引發對IP地址的巨大需求，而IPv6是解決地址問題的根本途徑，同時物聯網對安全和QoS等的要求比人人通信要嚴格得多，物聯網的發展呼喚下一代互聯網，也將是下一代互聯網的重要應用領域，與下一代互聯網的發展相輔相成。

2)應用集成服務：移動互聯網的發展與物聯網的發展緊密相關，以移動互聯網為基礎的聚合服務市場將是物聯網的重要發展空間。為此，運營商可基于4G技術優勢和產業發展趨勢，發揮用戶規模和移動終端的優勢，打造基于移動互聯網的物聯網應用，將已有的諸多基礎電信業務能力(如短信能力、WAP/Web網關能力、定位能力等)[5]開放出來與物聯網應用相結合，通過應用集成促進業務的創新，從信息流的傳輸者演變為應用服務的聚合者。同時，運營商可以引入和協同物聯網的產業鏈各方，形成整個業務應用暢通的通道，構建完整的物聯網產業鏈。

3)運營支撐服務：運營商的一大核心優勢是其業務管理和運營支撐能力，包括終端接入管理、信息安全管理、網絡管理和業務管理等。而物聯網架構中在傳輸層和應用層之間還應增加一個運營管理層，提供計費網關、認證網關、信息處理和API接口等基本運營服務。運營商建設和管理物聯網運營支撐平臺具有先天優勢，利用物聯網運營支撐平臺可以將內部支撐能力、關鍵資源管理能力及專網進行統一封裝，從而降低學習成本，還可以提高網絡安全性，提升產品質量和管理效率，降低管理成本；傳感設備與終端還可以通過物聯網運營支撐平臺與運營商業務平臺和行業應用平臺溝通，為應用集成提供更便捷的手段。總之，物聯網運營支撐平臺應用模式的確定將極大地推動和促進物聯網業務的發展，并且為各行各業的網絡和業務資源互聯互通奠定基礎[6]。

4)IT設施服務：電信運營商因其能夠提供有質量保障的計算和超強的存儲能力服務，將在物聯網發展中扮演非常重要的角色。隨著物聯網應用中大量物體的接入，需要捕捉、收集和分析處理的數據量越來越大，因此對信息通信網絡以及計算與存儲能力的需求量將進一步呈爆炸式增長。云計算模式是海量智能信息處理的重要手段，電信運營商能夠基于現有的強大的計算和存儲能力，進一步發展成為智能平臺的建設者以及云計算服務的提供者[7]。

3 物聯網連接平臺現狀及定位

3.1 物聯網連接平臺現狀

隨著物聯網市場的蓬勃發展，物聯網平臺的重要性地位越來越受到重視，近幾年，各大廠商都在加大物聯網平臺的投入，物聯網正經歷從硬件、傳感等基礎設備向軟件平臺和垂直行業應用升級。預計2020年全球將有500億連接，是當前連接數的6～7倍，我國物聯網市場規模將超過2萬億元[8]。驅動物聯網生態發展的因素逐漸成熟，如硬件成本下降、云計算大數據與行業結合、5G和NB-IoT等技術推進等。物聯網生態圈所處的階段正值爆發前夜，平臺將是產業生態的核心[9]。

物聯網連接管理平臺主要針對終端(SIM卡)的通訊通道提供連接性管理、診斷以及終端管理方面的功能，目前比較典型的連接管理平臺有思科的Jasper平臺、愛立信的DCP、Telit的M2M平臺等。電信運營商在物聯網發展中具備一些天生優勢，如：通信管道、計費支付、業務運營、品牌號召力等方面。國內其他運營商也在加快物聯網平臺布局，著力點在連接管理平臺[10-11]。

目前國外在業界比較先進的物聯網連接管理平臺包括亞馬遜AWS IoT、微軟Azure IoT、IBM Watson IoT等。1)AWS IoT是一款托管的云平臺，使互聯設備可以輕松安全地與云應用程序及其他設備交互，可支持數十億臺設備和數萬億條消息，并且可以對這些消息進行處理并將其安全可靠地路由至AWS終端節點和其他設備。應用程序可以隨時跟蹤所有設備并與其通信，即使這些設備未處于連接狀態。可以使用AWS Lambda、 Amazon Kinesis、Amazon S3、Amazon Machine Learning、AmazonDynamoDB、Amazon CloudWatch、AWS CloudTrail和內置Kibana集成的Amazon Elasticsearch Service等AWS服務來構建IoT應用程序，以便收集、處理和分析互連設備生成的數據并對其執行操作，且無需管理任何基礎設施。AWS IoT設備SDK使用MQTT、HTTP或WebSockets協議將硬件設備連接到AWS IoT。設備SDK支持C、JavaScript、Arduino、Java和Python。2)微軟Azure IoT用于連接設備、其它M2M資產和人員，以便在業務和操作中更好地利用數據，包含連接IoT設備、實時監控兩大部分。Azure IoT中心是一項完全托管的服務，可在數百萬個IoT設備和一個解決方案后端之間實現安全可靠的雙向通信。提供可靠的設備到云和云到設備的大規模消息傳送；使用每個設備的安全憑據和訪問控制來實現安全通信；可廣泛監視設備連接性和設備標識管理事件；包含最流行語言和平臺的設備庫。Azure IoT中心擁有設備級別的身份驗證、設備連接操作監控、豐富的設備庫、可擴展的IoT協議。支持可擴展高并發的事件處理、基于事件的設備數據處理、可靠的云到設備消息傳送、存儲/分析文件和緩存的傳感器數據。3)IBM Watson IoT提供全面管理的云托管服務，旨在簡化并從IoT設備中獲得價值。平臺提供對IoT設備和數據的強大應用程序訪問，可快速編寫分析應用程序、可視化儀表板和移動IoT應用程序。以執行強大的設備管理操作，并存儲和訪問設備數據，連接各種設備和網關。平臺通過使用MQTT和TLS，提供與設備之間的安全通信。Watson IoT平臺使應用程序與已連接的設備、傳感器和網關進行通信并使用由它們收集的數據。應用程序可以使用實時API和REST API來與設備進行通信。

3.2 物聯網連接平臺定位

連接管理服務是指運營商整合自身的通信網絡能力與IT運營能力，通過專業團隊專業運營，面向大客戶、服務商、集成商，提供以通信連接管理為核心的一站式專業服務。如圖1所示，連接管理平臺是連接管理服務的物理載體，是電信運營商打造物聯網差異化通道服務的必備要素，是集約運營質量管控的主要工具，也是客戶直接可感知的關鍵服務界面[12]。

圖1 物聯網連接管理平臺定位圖

4 物聯網連接管理平臺建設方案

4.1 物聯網連接管理平臺總體架構

運營商物聯網連接管理平臺總體架構如圖2所示。

物聯網連接管理平臺的邏輯結構包括服務層、管理層、系統層。

服務層包括客戶自服務門戶、運營商門戶管理及API開放。其中運營商門戶支撐運營商具有不同權限的角色對平臺進行管理，包括企業信息查詢、賬單信息查詢、故障診斷、統計分析等，支持以客戶渠道為對象的分權分域管理。客戶自服務門戶支撐企業客戶具有不同權限的角色對本企業的SIM卡進行管理，包括SIM信息/SIM卡關聯關系管理、自助開通、賬單查詢、統計分析等，支持一級企業客戶對二級企業客戶的管理。

管理層包括自助開通、SIM卡管理、資料管理、故障診斷、事件處理、賬單管理、實名認證、位置跟蹤和管控等。

系統層包括系統管理、用戶管理、權限管理、日志管理、安全管理、統計分析等。

4.2 物聯網連接管理平臺與周邊系統接口

運營商物聯網連接管理平臺系統對外的接口如圖3所示。

物聯網連接性管理平臺與周邊網元的接口主要包括與端到端質量保障分析系統、物聯網IT、集團網管平臺以及能力平臺接口[13]。

1)與端到端質量保障分析系統接口；物聯網連接性管理平臺通過與端到端質量保障系統接口獲取和終端SIM相關的信令信息，支持SIM卡網絡狀態查詢以及診斷，包括以下3種接口。

查詢接口可實時查詢用戶SIM卡網絡狀態；增量同步接口可增量同步時間顆粒度內所有SIM卡信令信息相關的網絡數據變化時間，增量時間顆粒度可設，默認為15分鐘；訂閱事件上報接口可上報訂閱事件。

2)與物聯網IT接口：物聯網連接性管理平臺通過與物聯網IT接口獲取和終端SIM相關的卡訂單、卡狀態、用戶賬單/詳單、套餐信息、用量及自動化規則觸發等信息，支持SIM卡賬務信息查詢、用量查詢、自動化規則事件、新開卡、卡狀態變更、資費變更、客戶資料/套餐信息同步等功能，包括以下4種接口。

查詢接口：物聯網連接管理平臺通過查詢接口，向IT平臺查詢客戶資料、SIM信息、用戶套餐信息等。

同步接口：同步客戶資料、SIM卡信息、物聯網套餐信息，自動化規則模板信息。

訂單接口：物聯網連接管理平臺通過訂單接口向IT平臺發起卡訂單管理操作請求，包括新開卡、停復機、套餐變更等。

自動化事件接口：物聯網連接管理平臺通過自動化事件接口同步自動化事件實例、IT平臺捕捉自動化實例觸發事件并通過自動化事件接口上報物聯網連接管理平臺。

3)與集團業務平臺綜合網管系統的接口：物聯網連接管理平臺納入集團綜合網管系統管理，通過與集團綜合網管系統接口，按照集團綜合網管系統的監控要求，上報相關平臺信息。接口遵循集團業務平臺綜合網管系統的相關接口要求。

圖2 某運營商物聯網連接管理平臺總體架構圖

圖3 某運營商物聯網連接管理平臺對外接口圖

4)與終端自注冊平臺接口：通過終端自注冊平臺與物聯網連接管理平臺接口，上報終端模組與SIM卡綁定等信息至物聯網連接管理平臺。平臺對接時，全量同步終端模組與SIM卡綁定等信息，之后實時上報終端模組與SIM卡綁定等信息。

5)與充值平臺接口：物聯網連接管理平臺通過集團充值平臺接口，支持向企業賬號及SIM卡號進行充值。

6)短信平臺接口：物聯網連接管理平臺調用集中建設的短信平臺接口(SMPP)向客戶或用戶終端發送短信通知。

7)與定位平臺接口：物聯網連接管理平臺通過商務領航平臺的匯聚網關位接口調用粗定位能力提供位置服務。

8)與實名制云服務平臺接口：物聯網連接管理平臺調用實名制云服務平臺接口，做實名制信息請求及響應。

4.3 物聯網連接平臺建設方案

本期工程全部硬件和第三方軟件均由云資源池提供，系統硬件需求匯總見表1。

表1 某運營商連接管理平臺硬件需求配置表

本期系統硬件需求由云資源池統一提供，新增Web服務器部署于DMZ區，其余服務器(數據庫服務器、業務處理服務器、接口服務器、統計分析服務器)部署于生產區域1，新增設備及組網方案如圖4所示。

5 總結

圖4 某運營商物聯網連接管理平臺方案拓撲圖

目前全球工業物聯網平臺有50%左右由美國企業提供，我國工業物聯網平臺剛剛起步。我國企業在2015年之后積極開展布局，目前國內的物聯網平臺與國外物聯網平臺亞馬遜AWS IoT、微軟Azure IoT、IBM Watson IoT等相比已經搭建了連接管理平臺，解決通信連接、設備管理、數據服務等基礎問題；完成了業務能力標準化，適配主流的運營商、模組、設備、協議等；具備將業務服務云服務化，通過SaaS的手段，解決服務的快速提供；可提供自定義的數據決策系統、運營支持系統。但是數以億計的設備將產生海量的數據，與此同時，數據暴露的可能性也將持續增大，將威脅工業系統的生產和應用過程。數據所有權和安全性問題仍是國內物聯網平臺未來推廣應用急需解決的問題。

當前全球物聯網技術體系、商業模式、產業生態仍在不斷演變和探索中，針對物聯網連接管理平臺的研究仍然處于起步階段，雖然國內外各家運營商均在各自進行不同程度的探索，但是在整個平臺的需求、規范、標準以及關鍵技術等方面仍有很多問題亟待產業鏈各方合作共同解決。在這樣的產業環境下，擁有豐富資源的電信運營商，在提供物聯網基礎信息服務的基礎上，在積累了豐富的運營傳統和互聯網業務經驗的條件下，無疑可以充當物聯網產業鏈中的核心環節。運營商連接管理平臺是連接管理服務的系統載體，首先是客戶直接可感知的關鍵服務界面，是運營商集約運營質量管控的主要工具，是打造物聯網差異化通道服務的必備要素，是未來數據運營的基礎平臺。本平臺的建設將提升運營商的綜合競爭力，其建成后在為運營商帶來更多業務收入和顯著增強綜合競爭力的同時，也為產業生態構建掌握了物聯網生態的主動權，為推動我國物聯網的發展做出更大的貢獻[14]。