物联网发展对移动核心网的需求

物联网发展对移动核心网的需求近年来，M2M和物联网成为运营商关注的热点，基于M2M和物联网的各种应用为运营商带来了新的利润增长。本文重点分析了M2M和物联网对运营商网络尤其是核心网的影响和需求，包括设备管理、网络负荷、计费等方面。M2M和物联网（IOT）应用正逐渐崛起M2M是MachinetoMachine的简称，专指机器与机器间通信的业务类型。物联网（IOT：InternetofThings）则是指M2M在广域网、特别是移动运营商网络中的应用，即以移动网络运营商的无线网络为平台，采用多种传输方式（CDMA/GSM/SMS等），通过特种行业终端，服务于行业用户机器到机器的无线数据传输业务。M2M/IOT业务具有潜在的市场，地理分布广泛，可以部署在任何网络可达的位置，取代高成本的有人值守，实现真正意义上的无人值守，对于电力、水利、采油、采矿、环保、气象、烟草、金融等行业的信息采集意义巨大，有巨大的市场价值。对于广泛分布的M2M终端，采用无线网络进行通信是优选方案之一，现有的一些行业应用，如远程抄表、水位监控等，都是采用GPRS网络传输传感器采集的数据信息。随着M2M应用的发展，对无线网络存在着迫切的需求。M2M广阔的应用领域M2M/IOT应用范围广阔，可应用与智能交通、远程医疗、监控、智能电网、环境检测、智能家居等多种场景，如图1所示。图1M2M/IOT的应用领域以智能交通为例，一个典型的智能交通系统由GPS/GLONASS卫星定位系统、移动车载终端、无线网络和ITS控制中心组成(见图2)。图2M2M/IOT的智能交通应用车载终端通过GPS模块接收导航卫星网络的测距信息，将车辆的经度、纬度、速度、时间等信息传给微控制器；通过视频图像设备采集车辆状态信息；微控制器通过GPRS模块与ITS控制中心进行双向的信息交互，完成车辆监控等功能。目前M2M应用市场正进入快速增长期，据StrategyAnalytics预测：移动M2M市场规模在2014年将超过570亿美元，这是一个极具潜力的新兴市场，是无线通信行业应用的一个蓝海。M2M/IOT发展状况自从2002年在美国首次商用以来，M2M便以星火燎原之势在全球迅速蔓延。在国外，Verizon、AT&T、Telenor、NTTdocomo等纷纷推出了M2M和IOT应用。在国内，在工业化和信息化融合以及寻求市场新增点的双重驱动下，中国移动、中国电信等运营商这几年也开始了排兵布阵。最近，中国政府将M2M和IOT相关产业正式纳入国家《信息产业科技发展十一五规划及2020年中长期规划纲要十一五规划》重点扶持项目。M2M和IOT产业将为社会民生带来的深远影响已经得到了政府的高度重视。M2M/IOT对移动核心网的影响设备标识资源现在H2H终端采用IMEI、IMSI、MSISDN、IPv4地址作为设备标识的资源，以IMSI为例，IMSI号码为15位，由3位MCC国家码、3位MNC网络标识码、9位设备标识码组成。其资源对于H2H终端应该是足够的，全球的手机用户包括各类软终端目前还远不到10亿用户。但如果资源与M2M终端共用，就非常紧张。据预测，M2M终端在未来将是H2H终端的5到10倍，如此庞大的数量采用现有的资源肯定是远远不够的。MTC（MachineTypeCommunication，机器类型通信）设备标识应能唯一标识一个M2M终端，可采用IMSI、MSISDN、IPaddr、IMPU/IMPI等。随着M2M应用日益广泛，设备标识资源短缺问题必将日益突出，国际各标准组织如ITU、3GPP也在积极寻求解决方案，设备标识资源不足的问题对核心网的影响需要引起足够的关注。核心网络负荷当大量终端比较集中地接入网络时，对无线、核心网都将构成比较大的负荷，拥塞难免会发生，也会增加人与人之间通信的故障率。核心网络负荷包括控制面负荷与媒体面负荷，可以想象，当大规模的M2M设备同时接入到核心网，同时发送数据到M2M应用平台，核心网会遭受非常大的负荷冲击。一方面，核心网的移动性管理网元需要同时处理终端的接入控制，频繁进行附着、激活、业务请求、创建承载等信令交互，会造成控制面负荷过载的发生。同时，当数据交互同时发生时，大量的M2M终端通过核心网的媒体网关与同一个远程服务器进行数据通信，这就可能造成媒体网关数据拥塞，特别是媒体网关到远程服务器的IP通道会造成数据阻塞，引起媒体面负荷过载的发生。举例来说，当长江水位上涨到警戒水位时，大量水位监控器会向长江防洪指挥中心的远程服务器发送监控数据，部分检测点可能还会上传实时图像，这类突发的接入与数据传输是M2M应用的特点之一，这对核心网的信令面与媒体面的负荷冲击是瞬间的，对核心网通信的可靠性及健壮性造成相当的影响，需要从技术层面规避这种瞬间负荷对网络的冲击。目前标准组织也提出了一些方案，如采用随机数接入机制，采用定时接入机制，对组内最大负荷进行限制等方法等来减小瞬间负荷对核心网的冲击。核心网络安全随着M2M终端的日益增多，M2M终端通信安全问题也引起各运营商的重视。对于MTC系统优化的通信安全性应不低于非MTC通信的安全性，如端到端连接安全、组认证安全等。M2M通信安全是多方面的，有终端接入鉴权安全、端到端通信安全、数据安全等多方面。在终端接入鉴权安全方面，需要防止M2M终端接入认证信息被恶意盗用，如H2H终端盗用M2M终端的USIM接入到核心网，影响与远程MTC服务器的数据通信安全。端到端通信链路安全方面，现有的机制很多，如采用类似VPN的机制建立IPsec隧道等方式。在归属域，M2M终端与MTC服务器之间的端到端安全通过归属网络信任域进行保证，但当M2M终端漫游到其他运营商的网络时，M2M终端与MTC服务器通过运营商网络的非信任域进行通信，端到端安全无法保证，需要制定相应的安全机制。终端管理和计费MTC上下文中的标识需要扩展，网络同时还需要识别M2M设备组的标识。可采用OMADM的机制对M2M终端进行远程管理，远程更新软件，配置M2M终端的初始化参数等。MTC计费需要进行优化，避免大规模M2M终端进行数据通信产生的CDR对网络的冲击。计费可以考虑按组进行计费，为属于同一组的M2M设备提供更简单的计费机制，或采用某种策略不生成设备的计费话单等各类灵活的计费方式。针对M2M终端多样化的特点，对M2M终端也进行必要的分类，并针对不同类型进行优化。M2M终端主要类型可分为低移动性、低数据量、监控类、时间控制类、组管理类等。对于低移动性与低数据量类设备，需要提高网络资源利用率，降低对设备的移动性管理；对于监控类设备，需要网络对各类监控时间实现实时监控，若发现异常事件需要及时汇报给用户及管理后台，同时对设备进行一定的网络接入限制措施；对于组管理类，需要进一步优化组计费、组管理、组策略等组优化方案。其他影响M2M不同的应用对核心网都有特定的需求，如在测量监控的应用中，需要对测量设备进行实时控制，在现有网络中因IPv4地址限制原因，采用NAT进行内外网地址转换，将导致实时控制的时间延迟问题。一些M2M应用中，M2M终端可能安装在无人值守的区域，如森林防火、水位监控、空气质量检测类终端，网络需要为这类终端提供防盗检测，一旦发现终端异常移动，网络需要对这类终端进行必要的限制，并及时通知到远程服务器及用户进行异常处理。对于一个高可用性的场景，如动物监控，儿童走失监控、煤气监控、楼宇监控等，需要终端是低耗能设备，对核心网而言，可能需要提供低耗电移动性控制策略，如延长Paging、TAU时间等措施，保证M2M终端的电池使用时间持久。其他场景还有很多，如核心网需要提供对特定区域的寻呼等。中兴通讯端到端的物联网解决方案中兴通讯目前可以提供包括核心网、M2M终端和M2M业务平台的端到端的物联网解决方案，如图3所示，带有M2M模组的各种M2M终端接收无线传感网络信息，通过移动分组核心网传递到统一的M2M业务平台，M2M业务平台再向不同的用户提供具体的应用。所有M2M终端和M2M业务平台采用标准的M2M通信协议和设备管理协议。另外，中兴通讯移动核心网基于高性能的ETCA（增强的ATCAT平台）和高性能路由器平台实现的SGSN/GGSN可平滑升级支持IPv6，并具备完善的负荷缓冲和控制机制，可以满足海量M2M终端的接入需求，支持演进到3GPP定义的EPC标准M2M-MME和M2M-HSS接口，满足运营商可持续地开展M2M/IOT业务的要求。图3中兴通讯端到端的M2M/IOT解决方案