物联网与移动通信网的融合发展研究

周莹，冷锦，刘中华本期关注　物联网与移动通信网的融合发展研究Ｍｏｎｔｈｌｙ　Ｆｏｃｕｓ　物联网与移动通信网的融合发展研究　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　Ｔｈｉｎｇｓ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　周　莹’，冷　锦　，文Ｕ中华　（１．中讯邮电咨询设计院有限公司，河南郑州４５０００７；２．民航河南空管分局，河南郑州４５１１６３）　Ｚｈｏｕ　Ｙｉｎｇ￣，Ｌｅｎｇ　Ｊｉｎ’，Ｌｉｕ　Ｚｈｏｎｇｈｕａ　（１．Ｃｈｉｎａ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ＆Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５０００７　Ｃｈｉｎａ；２．ＨｅｎａｎＡｉｒＴｒａｆｆｉｃＭａｎａｇｅｍｅｎｔＢｕｒｅａｕ．ＣＡＡＣ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５１１６３，Ｃｈｉｎａ）　摘要：　关键词：　物联网；Ｍ２Ｍ；移动通信网　中图分类号：ＴＮ９１４　文献标识码：Ａ　文章编号：１　００７—３０４３（２０１　１）０７～００２５—０５　首先分析了物联网的网络特点和网络架构；然后就物联网与移动通信网的融合发展　进行了深入的研究，并提出运营商在物联网发展中的策略；最后，总结了移动核心网　的改造需求，并提出基于核心网优化的Ｍ２Ｍ整体方案架构。　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｉｔ　ｆｉｒｓｔｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｔｒａｉｔｓ　ａｎｄ　ａ　ｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　ｔｈｉｎｇｓ，ｍａｋｅｓ　ａｎ　ｉｎｔｅｎｓｉｖｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　ｔｈｉｎｇｓ　ａｎｄ　ＰＬＭＮ．ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　ｔｈｉｎｇｓ　ｆｏｒ　ｔｅｌｅｃｏｍ　ｏｐｅｒａｔｏｒｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ　ｉｔ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ａ　Ｍ２Ｍ　ｆｒａｍｅ—　ｗｏｒｋ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｏｂｉｌｅ　ｃｏｒｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　ｔｈｉｎｇｓ；Ｍ２Ｍ；ＰＬＭＮ　０前言　物联网是继互联网后又一个网络发展重点，随着　２００９年ＩＢＭ智慧地球、欧盟行动计划和温总理“感知　目前国际上对于物联网比较广泛的解释是“物物　相连的互联网”ｌｊ］．在物理世界的实体中部署存在一定　感知能力、计算能力和执行能力的嵌入式芯片和软件，　使之成为“智能物体”，进而通过网络设施实现信息传　输、协同处理，从而实现物与物、物与人之间的通信。物　联网与通常所讲的传感网、Ｍ２Ｍ及泛在网的关系对比　如表１所示。　中国”的提出，国内对于物联网的关注推向了前所未　有的高度，其他与之相关的名词，如泛在网、传感网、　Ｍ２Ｍ等也越来越频繁地出现，和物联网一起成为热门　概念。究竟什么是物联网，物联网带来了怎样的机遇　传感网是指随机分布的集成有传感器、数据处理　单元和通信单元的微小节点．通过自组织的方式构成　的无线网络。现在谈到的传感网，一般指的是无线传感　与挑战，本文从电信运营商角度，分析、探讨了物联网　的体系架构及关键技术，并提出了在这样的技术和产　业背景下，移动通信网的改造建议。　器网络（ＷＳＮ）　］。传感网实际上由传感器＋短距离传输　模块共同构成。　Ｍ２Ｍ是物联网发展的初级阶段，从电信运营商角　１物联网概述　１．１物联网概念辨析　收稿日期：２０１１—０６—２１　度，关注得最早也关注得最多的其实就是Ｍ２Ｍ，例如，　中国移动在２００４年就开始开发Ｍ２Ｍ业务，国外的电　信运营商，如Ｏｒａｇｎｅ、Ｓｐｒｉｎｔ、ＤｏＣｏＭｏ都推出了Ｍ２Ｍ　邮电设计技术／２。１　１／０７｝２５　本期关注周莹，冷锦，刘中华　Ｍｏｎｔｈｌｙ　Ｆｏｃｕｓ　物联网与移动通信网的融合发展研究　表１几个概念对比　概念　传感网　传感器＋近距离无线通信（低速、低功耗）　末梢网的关键支撑技术　对物一物　象　Ｍ２Ｍ　物联网　泛在网　物联网发展的初级阶段，以移动网络运营商的无线网络为平台　传感器网＋近距离无线通信；ＲＦＩＤ、二维码；近距离中高速通信；内置移动通信模块各种终端　物一物　物一物、人一物　一传感器网＋近距离无线通信；ＲＦＩＤ、二维码；近距离中高速通信；内置移动通信模块各种终端；通信终端包括手　物机物、人一物、人一人　上网卡等　、业务，尤其挪威电信，Ｍ２Ｍ业务量占到其业务总量的　知层，网络层和应用层，分别为物联网提供一些重要的　４０％。Ｍ２Ｍ是物联网的雏形，是物联网在现阶段的主　要形式，是目前电信运营商普遍认可的观点。它以移动　网络运营商的无线网络为平台，采用多种方式（ＳＭＳ／　ＧＰＲＳ／ＷＡＰ／ＵＳＳＤ／ＭＭＳ等），通过行业终端，服务于行　业用户机器到机器的无线数据传输业务。　泛在网也被称作无所不存的网络，是物联网的发　展远景。泛在网将４Ａ作为其主要特征，即可以实现在　任何时间（Ａｎｙｔｉｍｅ）、任何地点（Ａｎｙｗｈｅｒｅ）与任何人　（Ａｎｙｏｎｅ）、任何物（Ａｎｙｔｈｉｎｇ）都能方便地通信，因此其　在内涵上更多的是以人为核心．关注可以随时随地地　获取各种信息，几乎包含了目前所有的网络概念和研　究范畴。　互联网和物联网最大的区别在于前者是人与人之　间的信息交互，是一个虚拟世界。物联网则是对现实物　理世界的感知和互联。这几种概念之间的关联关系．可　以用图１来大概表示　无论是物联网还是泛存网、Ｍ２Ｍ，其实都不是一　种全新的网络技术，更不是对现有技术的颠覆，它是在　综合利用现有各种技术基础上的创新，涌盖了软件、通　图１　物联网相关概念关联关系　信、智能计算、自动控制等领域，是跨学科的综合应用。　１＿２物联网体系架构　物联网的架构可以简单地划分为３个层次，即感　２６　ｉ　２０１　１／０７／ＤＴＰＴ　　ｌ特性，即全面感知、可靠传送、智能处理。图２示出的是　物联网的整体架构，还可以进一步细分成感知设备、接　人单元、接入网络、中间件和应用　感知层：感知层包括传感器等数据采集设备以及　数据接人到网关之前的传感器网络。　网络层：网络层是在现有通信网和互联网的基础　上建立起来的，综合使用２Ｇ／３Ｇ、有线宽带、ＰＳＴＮ、Ｗｉ—　Ｆｉ通信技术，实现有线与无线的结合、宽带与窄带的　结合、感知网与通信网的结合。广泛覆盖的移动通信网　络是实现物联网的基础设施　应用层：物联网应用层利用经过分析处理的感知　数据，为用户提供丰富的特定服务。提供丰富的物联网　应用．是物联网发展的根本目标，　２物联网与移动通信网的融合策略　２．１移动通信网是物联网承载的最佳选择　物联网由部署区域内大量的微型传感器节点组　成，通过无线通信方式形成多跳的自组织网络系统．目　的是协作感知、采集网络覆盖区域中感知对象的信息．　并传送给观察者。从传感网的发展历程看，无线通信网　与传感器网融合是必然趋势。移动通信网络的泛在性、　覆盖的广域性、终端的移动性以及对终端的智能管理　（位置、时间、服务质量），必将成为物联网发展中最重　要的基础。　在３Ｇ网络下，几乎所有可以在互联网平台上实　现的业务都可以在３Ｇ网络上运行。３Ｇ时代，移动增　值业务朝多元化趋势发展，除了原有的２．５Ｇ业务（如　短信、彩信、图铃下载、游戏、ＷＡＰ和ＩＶＲ等）之外，各　种新的增值业务（视频点播、高速上网、在线游戏和行　业３Ｇ应用等）也会相继推出。运营商建设的以３Ｇ为　主体、以ＷＬＡＮ为重要补充的无线宽带数据网将成为　物联网的最佳承载平台。　２＿２运营商物联网发展现状　日前全球各大电信运营商（如法国Ｏｒａｎｇｅ公司、　周莹，冷锦，刘中华本期关注　物联网与移动通信网的融合发展研究Ｍｏｎｔｈｌｙ　Ｆｏｃｕｓ　图２物联网体系架构　挪威Ｔｅｌｅｎｏｒ公司及美国Ｖｅｒｉｚｏｎ公司等）均将Ｍ２Ｍ　优，同样在国际上有可借鉴经验。　提高到战略高度，认为物联网是未来业务发展的动力　之一，发展目标都是打造端到端的服务能力。　国内运营商纷纷推出物联网的战略定位和具体规　划＿３一（见表２）　其中，中国移动在物联网市场和相关应用开发方　面相对领先，已经在Ｍ２Ｍ产品方面取得了显著的成　２．３运营商物联网发展策略　２．３．１感知层　感知层的无线传感网技术标准众多，无论国际还　是国内，都有相当数量的科研机构和专业公司在研究．　部分无线传感网技术已经具备一定规模，有成熟的产　业链，电信运营商没有必要对感知层的无线承载、通信　协议、自组网算法等方面进行深入的研究。对感知层的　果并积累了一定经验。主推的产品有车务通、电梯运营　管理系统、企业安防监控管理系统、航标遥测遥控管理　研究应当围绕“用”开展，以传感网和通信网的结合为　切人点，关注异构网络如何实现协同Ｔ作以及如何实　现可管理的感知网。　２．３．２网络层　系统、路灯监控系统、危险源集中监控系统、一卡通、动　物溯源等。中国联通也有自己的优点，联通的ＷＣＤＭＡ　技术较为成熟，相关终端成本较低，相关厂商多，并且　物联网在国际上已经有可借鉴经验。中国电信虽然作　为传统的固网运营商．对于物联网缺少技术支撑能力，　网络层包含了接入网络和接入单元。接入网络即　通信网络，要以电信运营商为主进行建设和优化，现有　的通信网络是以承载人与人的通信为主的．进入物联　网发展的时代，不但会产生大量的通信节点，而且这些　但中国电信已经开始搭建Ｍ２Ｍ平台。拥有自主集成　公司．并且电信的网络能力强．ＣＤＭＡ制式上行速率较　表２　国内运营商物联网发展规划对比表　项目　中国移动　中国联通　中国电信　Ｍ２Ｍ起步早，目前已经提至战略高度，把物联　明确了物联网努力方向网作为第三波增长的业务领域：下一步重点足　转变原有的传输通道型　尚未明确提出物联网在公司战略中的定位，没有对物联网发　．　战略定位　形成Ｍ２Ｍ标准．促进规模化推广：在产业链上　应用提供端到端的综合　展制定明确目标，正在尝试推进：已经开始尝试建立开放的　更多关注整合者角色．没有特别强调端到端，采　服务但尚没有具体战略　Ｍ２Ｍ业务管理平台　取的是分行业依能力而定　．，制定物联网三步走发展策略，第一步信息汇聚，　从三大客户群人手．尝试　确定Ｍ２Ｍ业务发展三个阶段，快速切入市场，提升业务价　具体规划　第二步协同感知．第三步泛在网络。积极成立运　几种业务的推广．参与产　值，搭建ｂＩ２Ｍ平台，形成电信级泛在网融合；确定首批关注　营和研发中心的“３＋２”领域，“３”：公用事业、交通、无线商圈，…２’：拓展若　参与产业联盟的建设　业联盟的建设　干第二梯队行业应用解决方案（烟草）参与产业联盟的建设　．。邮电设计技术，２０１　１／０７　ｌ　２７　　Ｉ本期关注周莹，冷锦，刘中华　Ｍｏｎｔｈｌｙ　Ｆｏｃｕｓ　物联网与移动通信网的融合发展研究　节点的通信特征与人的通信截然不同，必然对网络带　来压力。同时，对物联网节点的管理也对通信网络提出　了很多新问题　通信网会向着“能支撑物联网应用规模　有序发展”的目标演进。接入单元是将感知的数据传送　经完成．定义了ｌ６种业务特性。　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ＩＰ　ｓｅｃ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　到通信网的关键设备，运营商需要根据网络的要求和　用户的需求，引导设备生产厂商进行开发，并积极推动　产业链发展。　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，　２．３．３应用层　应用层包括了中间件和应用。在巾问件层面，运营　商可以充分发挥优势，将结合网络的运营能力开放出　来，提供给应用集成，为用户提供更好的服务。　３移动核心网的优化改造建议　３．１移动Ｍ２Ｍ应用需求分析　３．１．１数据管理　现在Ｈ２Ｈ（ＨｕｌｌｌａＦｌ　ｔｏ　Ｈｕｍａｎ）终端采用ＩＭＥＩ、ＩＭ—　ＳＩ、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终端应陔是足够的，全球的手机用户包括各类软　终端目前还远不到ｌ０亿用户。但如果资源与Ｍ２Ｍ终　端共用，就非常紧张。据预测，Ｍ２Ｍ终端任未来将是　Ｈ２Ｈ终端的５～１０倍，如此庞大的数量采用现有的资　源肯定是远远不够的。物联类业务（ＭＴＣ）的设备标识　应能唯一标识一个Ｍ２Ｍ终端，可采用ＩＭＳＩ、ＭＳＩＳＤＮ、　ＩＰ　ａｄｄｒｅｓｓ、ＩＭＰＵ／ＩＭＰＩ等　。　需要增加ＨＬＲ的处理容量和设备性能，同时对于　Ｇｒｏｕｐ类型的用户和业务管理应新增Ｇｒｏｕｐ　ＩＤ标识。　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设备提供更简单的汁费　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。　３．１．２编号与寻址　Ｍ２Ｍ的通信特征是ＭＴＣ设备与一个或者多个　ＭＴＣ服务器进行通信，３ＧＰＰ网络作为ＭＴＣ设备与服　务器之问传递信息的承载通道。由于地址空问受限，编　号要能够唯一标识一个ＭＴＣ设备，能够唯一标识一个　ＭＴＣ设备组。在３ＧＰＰ　ＳＡｌ规范中ＭＴＣ需求和特性已　２８　Ｉ　２０１　１／０７／ＤＴＰＴ　需要制定相应的安全机制。　需要为各种物联网通信终端和网关、各种接入网　络、物联网应用平台等提供有效、安全和可信任的编号　和寻址环境．ＩＰ地址扩展到ＩＰｖ６，改造核心网网元支　持扩展的ＩＰ地址，以便外网使用公有ＩＰ地址的Ｍ２Ｍ　应用服务器能向有些私有地址Ｍ２Ｍ终端发送消息。　３．１．３认证鉴权　核心网应支持业务层、网络层及各种物联网终端　设备的鉴权和授权。在终端接人鉴权安全方面，需要防　止Ｍ２Ｍ终端接人认证信息被恶意盗用，如Ｈ２Ｈ终端　盗用Ｍ２Ｍ终端的ＵＳＩＭ接人到核心网，影响与远程　ＭＴＣ服务器的数据通信安全　需要监测Ｍ２Ｍ终端行　为特性是否符合签约内容，应能及时监测到Ｍ２Ｍ终　端被非正常入侵或移动，并能检测Ｍ２Ｍ终端链路的　故障。　３．１．４系统资源　当大量终端比较集中地接入网络时，都将对无线、　核心网产生比较大的负荷，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。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。　采用低移动管理能够有效降低不移动或者很少移　动的设备对系统资源的占用。对于只在规定时间有数　据传送需求的业务也应该降低其在不传送数据期间对　系统资源的占用，在系统负荷重时，也可以延时传送对　实时性要求不高的业务数据以降低对系统的冲击从而　节省无线资源、网络资源，降低运维成本。　３．２移动核心网优化方案　图３展示了基于核心网优化的Ｍ２Ｍ整体架构，　周莹，冷锦，刘中华｛本期关注　物联网与移动通信网的融合发展研究ｊ　ＭｏｎｔｈｌｙＦｏｃｕｓ　图３基于核心网优化的Ｍ２Ｍ整体方案架构　带有Ｍ２Ｍ模组的各种Ｍ２Ｍ终端接收无线传感网络　已进入国家层面视野，意味着物联业务将进入快速发　信息，通过移动分组核心网传递到统一的物联网支撑　平台，物联网支撑平台再向不同的用户提供具体的应　展期。物联业务对移动通信网的影响将初步显现，虽然　业界，包括３ＧＰＰ、３ＧＰＰ２等组织相继启动了移动网能　用。所有Ｍ２Ｍ终端和物联网支撑平台采用标准的　力增强项目，但相关研究还刚起步，标准化工作到产品　产业化还有很长的路要走。对于电信运营商。除了需要　长期的、整体的解决方案之外，更需要能经济、快速解　Ｍ２Ｍ通信协议和设备管理协议。　Ｍ２Ｍ的移动核心网改造方案包括编号寻址、认证　鉴权、降低网络负荷和系统资源消耗及数据集中管理　等方面，实现标识扩展、地址转换、低移动性管理、基于　组的管控方案及终端状态和位置监控等功能，可能涉　决现网实际问题，以便更好地迎接物联网时代的到来。　参考文献：　［１］孔晓波．物联网概念和演进路径［Ｊ］．电信工程技术与标准化，２００９　（１２）：１２—１４．　及的网元有ＳＧＳＮ、ＧＧＳＮ、ＨＬＲ、ＦＷ、ＲＮＣ、ＢＳＣ等。　基于ＰＣＣ架构改造移动核心网分组域，用于精心　化对数据业务的策略控制；同时，应使ＳＧＳＮ／ＧＧＳＮ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终端的接人需求，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。　［２］Ｓｅｏｎｇ　Ｈｗａｎ　Ｃｈｏ，Ａｎａｎｔｈａ　Ｐ．Ｃｈａｎｄｒａｋａｓａｎ．Ｅｎｅｒｇｙ　Ｅｆｉｃｉｅｎｔｆ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ　ｆｏｒ　Ｌｏｗ　Ｄｕｔｙ　Ｃｙｃｌｅ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｃ］．ＩＣＡＳＳＰ　２００１．　［３］何廷润．试论物联网发展对ＣＤＭＡ网络演进路线与策略的影响［Ｊ］．　移动通信，２０１０（１１）：１８—２１．　［４］史敏锐．移动通信网承载物联网业务的研究［Ｊ］．电信科学，２０１０　ｆ４）：１２—１５．　４结束语　物联网的发展是社会前进的必然，拥有美好的前　景，但在发展的道路上也必将面临诸多困难，这些困难　有技术上的，更有产业链上的。现阶段，物联网的发展　邮电设计技术／２。１　１／０７　ｌ　２９