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基于M2M的物联网技术摘要：本文以电信运营商的视角，从产业发展角度对行业信息化与M2M应用进行了对比分析，总结了M2M标准体系、对嵌入式SIM卡的市场需求、M2M通信特征研究、以及电信运营商商业模式等方面M2M的发展现状和趋势。进而，在分析了电信运营商在M2M专网、动态策略控制、嵌入式SIM卡远程配置、业务网关、能力开放等方面的关键技术。最后提出M2M产品体系的建议和发展推广建议。关键词：水平共享、PCC动态策略控制、能力开放、嵌入式SIM卡、业务网关《物联网“十二五”发展规划》于2011年11月已正式印发，明确物联网发展的八项主要任务和五大重点工程。就电信运营商而言，现阶段在物联网产业中的主要着眼点在于推广M2M应用，吸引更多物联网应用基于电信运营商的公共通信网进行部署①。M2M是Machine-to-Machine的缩写，泛指没有人介入的通信②，被认为是迈向未来物联网的第一步。M2M技术解决方案需要综合运用电子、电信和信息技术来实现终端与系统的通信。每个具体M2M应用又是深度融合在企业的日常业务运营、管理以及决策的实际经营过程中，或是个人和家庭的日常生活中。M2M的技术运用的复杂性和业务流程的专业性远远超越了一般有人介入的信息化和移动互联网服务。借助“推进物联网通信业发展”的契①在国内外已经出现许多物联网应用解决方案是不需要公共通信网的。②Machine-to-Machineinvolvescommunicationwithout(oronlylimited)humanintervention.机，电信运营商应大力拓展M2M通信服务市场，完善业务支撑体系、创新产品营销模式、提升技术研发实力。一、物联网发展现状和趋势1.由行业信息化向M2M应用的发展物联网的核心是应用。物联网产业发展的关键是物联网技术在国民经济和社会生活各领域的广泛应用。物联网应用的普及需要以两种方式共同推进。图1.物联网应用所涉及的相关产业链参与者一种方式是满足政府和大型企业需求、以个案的形式建设的行业信息化项目。这种封闭的端到端垂直一体化的应用系统主要是由系统集成商按系统集成的模式或电信运营商按ITC模式进行的。这也是现阶段大多数物联网应用的主要提供模式。一般来说，一个M2M解决方案需要涉及系统和硬件供应商、网络设备供应商、网络运营商、解决方案提供商、系统集成商、专用软件开发商、芯片和模块厂商、终端厂商等多个环节。在信息化这种模式下，当设计一个新应用时，很多在别的应用中已出现的类似元素需要再重新设计，从而限制了规模经济性、增加了开发成本和时间。另一种方式是M2M应用，即在接口标准化的基础上，通过产业链各环节的协同合作，形成多类应用能够通用共享的水平化服务，以专业化来实现产业链各环节的规模化发展。从微观角度，M2M应用模式减少对通用功能的再开发，能够使应用开发者更专注于最终应用的特定需求、降低新服务的开发周期，降低新应用的部署成本和既有应用的运行成本；从宏观角度，M2M应用将成为物联网市场发展的催化剂，有利于建立市场的秩序和规范性，形成多个厂商基于通用架构来进行技术研究和产品开发的格局，推动标准化基础上的水平层次的分工化和垂直领域的专业化，降低客户的技术应用成本。物联网的普及必须依赖于这种开放式的新型物联网产业生态环境的发展。图2.信息化与M2M应用的对比示例M2M应用的水平化共享可以呈现在多个层次，至少包括应用层、服务能力层、网络连接层。应用层的共享即是指多个客户使用一个应用服务商（ASP）所提供的应用服务，并可进一步集成到其原有业务运营系统。例如，快递公司和长途客运企业都可以选取同一个服务商的车辆位置跟踪服务，也可在未来更换到另一个服务商。服务能力层的共享是指不同应用可以共享一些基础的通用功能，例如：z应用的远程开通或关闭、服务的自助开通；z远程更新升级终端中的应用程序；z终端与平台交互数据的存储及预处理；z可靠传输协议，安全加密算法。在网络连接层，既有2G或3G移动通信网络现在主要的M2M应用共享网络。未来4G时代，LTE会与WLAN等非3GPP接入、以及光纤等固网接入实现接入融合、共用一个EPC核心网，形成一个多接入融合的共享网络连接层，并基于一致的策略计费控制机制进行智能通道的能力开放。2.M2M标准架构和服务能力层标准在逐步建立过程中根据表1的对比分析，可见M2M应用发展的关键就在于通过建立产业链各环节之间的公开标准接口，从而使上下游各层次间的水平化共享服务能够互通。通过标准的制定可以鼓励研发创新、推动良性竞争减少解决方案的整合成本、保证网络和服务之间的互操作性、同时满足政府的一些重要规制要求。表1.行业信息化与M2M应用的对比虽然，国际上各个标准组织都从不同角度和不同层次对M2M相关技术开展着标准研究和制定工作，但是既有标准之间的协同性不足。图3.M2M相关标准组织（来源：ETSI）为了消除现有割裂的垂直应用和分散的标准制定对M2M市场发展产生的障碍，ETSI于2008年底成立了M2M技术委员会(ETSITCM2M)，希望通过汇聚和明确各方面M2M需求，发现和填补现有各标准之间的断裂地带，通过与其他标准化组织的合作与沟通，最终发展一个端到端的M2M全面架构体系，推进多应用共享的水平化服务能力层和接口。ETSITCM2M于2011年10月发布了M2M功能架构标准（详见ETSITS102690）。在该标准中，ETSI采用了RESTful架构模式，强调了在网络侧以及终端/网关设备内的服务能力层（ServiceCapabilitiesLayer，以下简称SCL）。各服务能力层(SCL)都包含一个标准化的用于存储信息的树状资源结构,进而ETSI标准化了处理这些资源的流程,从而使SCL与各应用以及各应用之间能经过标准接口以资源的形式交互信息。同时,ETSI提供了标识应用和终端的方式、位置信息、基于通信优化策略的存储/转发机制、基于OMADM或BBFTR-69的终端管理等功能。图4.ETSITS102690标准中的M2M高层次架构3.M2M应用对移动通信网的需求已得到准确认知在网络连接层上，M2M在通信特性方面与传统移动通信中的语音业务和移动互联网业务存在较大差异。例如，在流量模式方面，机器通信需要应对许多大批量终端同时并发的应用情境，而不同于传统人人通信中类似泊松分布式的均匀呼叫模型。这就是说，机器通信的业务量和并发数更有可能呈现具有不可预知的爆发性，对网络产生冲击。例如，危机应急管理（CrisisSurveillance）应用在自然灾害等突发事件发生时大量邻近地域内的监控终端需要同时通过上行信道上报预警信息；车队管理（FleetManagement）应用的位置查询需要一定区域内所有车辆通过上行信道上报自身的位置以进行随后车辆调派。为了评估和应对M2M对移动通信网络的影响，3GPP在Release10中启动了NIMTC（NetworkImprovementsforMachine-typeCommunications）特性的标准制定工作。基于对现有各类M2M应用通信特征的分析，3GPPTSGSA（ServicesandSystemAspects）中的SA1（业务）工作组，于2010年3月冻结并发布了TS22.368规范（相当于NIMTC特性Stage1阶段的工作①），明确了M2M应用的具体通信特征以及M2M应用对移动通信网络所需要的相应优化要求。根据该规范，为了应对未来各类的M2M应用和海量M2M终端之间的通信需求，移动通信网络应用具备以下主要功能：z网络应提供某种机制来降低由于大量终端同时试图进行数据和信令交互所导致的数据和信令流量峰值。z当网络过载时，网络要能够限制下行数据和信令。z有效保持大量终端的连接性，即支持长在线z无论终端是否附着或建立数据连接，当网络接受授信平台的请求后，网络能触发终端与平台进行交互。z下表所列特性可以成为用户（或者说终端）签约信息的一部分，用户（或者说终端）能够签约某些特性，并能够激活或关闭某个特性；与此对应，运营商能够可以辨别每个用户签约了哪些特性、哪些特性被激活或关闭，并针对被激活的特性提供相应的网络优化机制。可签约的特性网络优化需求LowMobility针对终端不移动、不经常移动或只在特定区域内移动的情况，运营商能够改变实施移动性管理流程的频率，能够定义终端位置更新的频率。①按3GPP工作流程，技术标准的制定分研究项目StudyItem和工作项目WorkItem两个阶段。SI阶段负责分析该技术的业务需求，提出各种可能的解决方案并对可行性做出评估，形成技术报告TechnicalReport。WI阶段将在相应技术规范工作组TSG（TechnicalSpecificationGroup或其下属的工作组WG内形成三个阶段的技术规范TechnicalSpecification。Stage1阶段的规范是从用户角度来定义业务需求；Stage2阶段的规范会定义支撑业务需求的架构；Stage3阶段的规范通过明确具体协议的细节来定义架构的实现。规范的测试常被视为Stage4。TimeControlled针对可以仅在规定的时间段内收发数据的应用，在许可时间段外，运营商可拒绝终端的附着或建立数据连接的请求（或进行差别计费），同时能够在规定的时间段外避免不必要的信令。TimeTolerant针对允许数据被延迟发送的应用，运营商能够在网络过载时拒绝该终端接入。接入受限后，终端根据网络提供的信息来决定何时再尝试发起数据传送。SmallDataTransmission终端仅收发小量数据时，网络支持以最小的网络资源(信令过载等)来进行小量数据传输，并根据传输次数进行统计或计费。MobileOriginatedOnly针对仅终端发起通信的应用，网络支持运营商减少移动性管理的频率，运营商能够配置终端仅在发起通信时才进行移动性管理流程。InfrequentMobileTerminated针对主要是终端发起通信、偶尔平台发起通信的应用，运营商应能减少移动性管理的频率。MTCmonitoring系统能够提供机制来监控终端如下事件：终端行为异于签约特性、终端与SIM卡绑定关系的变化、失去信令连接、通信失败事件和原因、位置变化。PriorityAlarm响应终端的优先告警请求（如发生偷盗、破坏等事件）SecureConnections运营商需要提供终端与应用平台之间的安全连接LocationSpecificTrigger网络能够触发特定小区内的终端（即使终端没有附着、降低移动性管理频率）Infrequenttransmission对偶尔收发数据的终端，网络需要有资源满足其传输需求GroupBasedMTCFeatures系统能提供机制能将终端关联到某个群组，并支持基于群组的QoS策略和信息组播表2.移动通信网络应可支持的M2M用户签约特性4.新型嵌入式SIM卡逐渐取代传统插拔式SIM卡从上世纪90年代起，插拔式SIM卡的出现对移动通信的发展做出了重要贡献。基于标准的物理、电气和软件接口，SIM卡成为终端与移动网络间的媒介，手机终端可以脱离电信网络形成一个独立的价值链，推动了手机终端的生产效率和快速更新换代，加速了移动通信服务的普及。随着M2M的发展，国际知名品牌的制造商也正在尝试在其多种产品中安装2G/3G通信模块和SIM卡来实现M2M通信功能，并在此基础上提供诸多增值服务功能来提供产品的差异化竞争力。通用、宝马和丰田等国际知名汽车制造商已基于M2M通信提供了相对成熟的汽车信息化服务。亚马逊的Kindle阅读器是消费电子类产品中的最先实践者。然而，M2M终端的应用场景对SIM卡提出了新的要求，主要包括：z能够应对较极端的温湿度环境；z使用能够承受更恶劣的振动和晃动工况的接口；z具备较好的抗腐蚀性；z支持更多的读写次数和更长的数据保留时间。为此，ETSITCSCP①（SmartCardPlatform）于2010年发布了用于M2M应用的UICC卡物理、电气和逻辑特性标准(详见ETSITS102671)。这种5mmX6mm的UICC卡②可直接焊接到终端