物聯(lián)網(wǎng)中的M2M技術(shù)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

　　1 引言

　　物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮，將給IT和通信帶來廣闊的新市場。

　　2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）在信息社會世界峰會（WSIS）上發(fā)布的《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》報告中正式提出了“物聯(lián)網(wǎng)”概念，報告指出：“無所不在的物聯(lián)網(wǎng)通信時代即將來臨，世界上所有的物體從輪胎到牙刷，從房屋到紙巾都可以通過因特網(wǎng)主動進(jìn)行交換”?？偟膩碚f，物聯(lián)網(wǎng)就是“物與物相連的網(wǎng)絡(luò)”。這里有兩層含義：首先，信息的提供者和使用者從人逐步擴(kuò)展到物理實體，物體之間通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)通信和信息交換；其次，通過各種無線和/或有線的、長距離和/或短距離通訊網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)物理實體間的互聯(lián)互通，通信和傳輸過程不需要或僅需要有限的人工干預(yù)。

　　歐洲智能系統(tǒng)集成技術(shù)平臺（EPoSS）在《Internet of Things in 2020》報告中分析預(yù)測，未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將經(jīng)歷4個階段，2010年之前RFID被廣泛應(yīng)用于物流、零售和制藥領(lǐng)域，2010—2015年物體互聯(lián)，2015—2020年物體進(jìn)入半智能化，2020年之后物體進(jìn)入全智能化。

　　M2M是“機(jī)器對機(jī)器通信（Machine to Machine）”或者“人對機(jī)器通信（Man to Machine）”的簡稱。主要是指通過“通信網(wǎng)絡(luò)”傳遞信息從而實現(xiàn)機(jī)器對機(jī)器或人對機(jī)器的數(shù)據(jù)交換，也就是通過通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)機(jī)器之間的互聯(lián)、互通。移動通信網(wǎng)絡(luò)由于其網(wǎng)絡(luò)的特殊性，終端側(cè)不需要人工布線、可以提供移動性支撐，有利于節(jié)約成本，并可以滿足在危險環(huán)境下的通信需求，使得以移動通信網(wǎng)絡(luò)作為承載的M2M服務(wù)得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。

　　M2M作為物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)階段的最普遍的應(yīng)用形式，在歐洲、美國、韓國、日本等國家實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。主要應(yīng)用在安全監(jiān)測、機(jī)械服務(wù)和維修業(yè)務(wù)、公共交通系統(tǒng)、車隊管理、工業(yè)自動化、城市信息化等領(lǐng)域。提供M2M業(yè)務(wù)的主流運營商包括英國的BT和Vodafone，德國的T-Mobile，日本的NTT-DoCoMo，韓國SK等。中國的M2M應(yīng)用起步較早，目前正處于快速發(fā)展階段，各大運營商都在積極研究M2M技術(shù)，盡力拓展M2M的應(yīng)用市場。

　　國際上各大標(biāo)準(zhǔn)化組織中M2M相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定工作也在不斷推進(jìn)。幾大主要標(biāo)準(zhǔn)化組織按照各自的工作職能范圍，從不同角度開展了針對性研究。ETSI從典型物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)用例，例如智能醫(yī)療、電子商務(wù)、自動化城市、智能抄表和智能電網(wǎng)的相關(guān)研究入手，完成對物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求的分析、支持物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的概要層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計以及相關(guān)數(shù)據(jù)模型、接口和過程的定義。3GPP/3GPP2以移動通信技術(shù)為工作核心，重點研究3G，LTE/CDMA網(wǎng)絡(luò)針對物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供而需要實施的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化相關(guān)技術(shù)，研究涉及業(yè)務(wù)需求、核心網(wǎng)和無線網(wǎng)優(yōu)化、安全等領(lǐng)域。CCSA早在2009年完成了M2M的業(yè)務(wù)研究報告，與M2M相關(guān)的其他研究工作已經(jīng)展開。

　　本文主要介紹M2M在國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化組織中的工作進(jìn)展?fàn)顩r。

　　2 M2M在ETSI的進(jìn)展概況

　　ETSI是國際上較早系統(tǒng)展開M2M相關(guān)研究的標(biāo)準(zhǔn)化組織，2009年初成立了專門的TC來負(fù)責(zé)統(tǒng)籌M2M的研究，旨在制定一個水平化的、不針對特定M2M應(yīng)用的端到端解決方案的標(biāo)準(zhǔn)。其研究范圍可以分為兩個層面，第一個層面是針對M2M應(yīng)用用例的收集和分析；第二個層面是在用例研究的基礎(chǔ)上，開展應(yīng)用無關(guān)的統(tǒng)一M2M解決方案的業(yè)務(wù)需求分析，網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)定義和數(shù)據(jù)模型、接口和過程設(shè)計等工作。按照TC的計劃，研究工作分為3個階段進(jìn)行，具體參見表1。

表1 ETSI TC M2M研究階段表

　　ETSI 研究的M2M相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有十多個，具體內(nèi)容包括：

　　（1）M2M 業(yè)務(wù)需求，該研究課題描述了支持M2M通信服務(wù)的、端到端系統(tǒng)能力的需求。報告已于2010年8月發(fā)布。

　?。?）M2M 功能體系架構(gòu)，重點研究為M2M應(yīng)用提供M2M服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)功能體系結(jié)構(gòu)，包括定義新的功能實體，與ETSI其他TB或其他標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)間的標(biāo)準(zhǔn)訪問點和概要級的呼叫流程。本研究課題輸出將是第三階段工作的出發(fā)點，也是與其他標(biāo)準(zhǔn)組織物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研究之間進(jìn)行協(xié)調(diào)的參照點。圖1是該報告中提出了M2M的體系架構(gòu)，從圖中可以看出，M2M技術(shù)涉及到了通信網(wǎng)絡(luò)中從終端到網(wǎng)絡(luò)再到應(yīng)用的各個層面，M2M的承載網(wǎng)絡(luò)包括了3GPP，TISPAN以及IETF定義的多種類型的通信網(wǎng)絡(luò)。

圖1 ETSI M2M通信功能體系架構(gòu)

　?。?）M2M 術(shù)語和定義，對M2M的術(shù)語進(jìn)行定義，從而保證各個工作組術(shù)語的一致性。目前正在進(jìn)行初稿的討論，預(yù)計2011年第1季度末發(fā)布正式版本。

　?。?）Smart Metering的M2M應(yīng)用實例研究，該課題對Smart Metering的用例進(jìn)行描述。包括角色和信息流的定義，將作為智能抄表業(yè)務(wù)需求定義的基礎(chǔ)。

　?。?）eHealth的M2M應(yīng)用實例研究，該課題通過對智能醫(yī)療這一重點物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用用例的研究，來展示通信網(wǎng)絡(luò)為支持M2M服務(wù)在功能和能力方面的增強(qiáng)。該課題與ETSI TC eHEALTH中的相關(guān)研究保持協(xié)調(diào)，預(yù)計2011年7月發(fā)布正式版本。

　?。?）用戶互聯(lián)的M2M應(yīng)用實例研究，該研究報告定義了用戶互聯(lián)這一M2M應(yīng)用的用例，預(yù)計2011年7月發(fā)布正式版本。

　　（7）城市自動化的M2M應(yīng)用實例研究，本課題通過收集自動化城市用例和相關(guān)特點，來描述未來具備M2M能力網(wǎng)絡(luò)支持該應(yīng)用的需求和網(wǎng)絡(luò)功能與能力方面的增強(qiáng)。目前正在進(jìn)行初稿的討論，預(yù)計于2011年7月發(fā)布正式版本。

　　（8）基于汽車應(yīng)用的M2M應(yīng)用實例研究，課題通過收集自動化應(yīng)用用例和相關(guān)特點，來描述未來具備M2M能力網(wǎng)絡(luò)支持該應(yīng)用的需求和網(wǎng)絡(luò)功能與能力方面的增強(qiáng)。目前正在進(jìn)行初稿的討論，預(yù)計2011年7月發(fā)布正式版本。

　?。?）ETSI關(guān)于 M/441的工作計劃和輸出總結(jié)，這一研究屬于歐盟Smart Meter項目（EU Mandate M/441）的組成部分，本課題將向EU Mandate M/441提交研究報告，報告包括支撐Smart Meter應(yīng)用的規(guī)劃和其他技術(shù)委員會輸出成果。目前正在進(jìn)行初稿的討論，預(yù)計于2011年7月發(fā)布正式版本。

　?。?0）智能電網(wǎng)對M2M平臺的影響，該課題基于ETSI定義的M2M概要級的體系結(jié)構(gòu)框架，研究M2M平臺針對智能電網(wǎng)的適用性并分析現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)與實際應(yīng)用間的差異。目前正在啟動前準(zhǔn)備階段，預(yù)計2011年5月發(fā)布正式版本。

　?。?1）M2M 接口，該課題在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，主要完成協(xié)議/API、數(shù)據(jù)模型和編碼等工作。目前上述內(nèi)容合在一個標(biāo)準(zhǔn)中，未來等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入穩(wěn)定階段，可能會按不同的接口拆分成多個標(biāo)準(zhǔn)文稿發(fā)布。目前正在處于初稿起草階段，預(yù)計2011年2月發(fā)布正式版版本。

　　3 M2M在3GPP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展概況

　　3GPP早在2005年9月就開展了移動通信系統(tǒng)支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的可行性研究，正式研究于R10階段啟動。M2M在3GPP內(nèi)對應(yīng)的名稱為機(jī)器類型通信（MTC，Machine-Type Communication）。3GPP并行設(shè)立了多個工作項目（Work Item）或研究項目（Study Item），由不同工作組按照其領(lǐng)域，并行展開針對MTC的研究，下面按照項目的分類簡述3GPP在MTC領(lǐng)域相關(guān)研究工作的進(jìn)展情況。

　?。?）FS_M2M：這個項目是3GPP針對M2M通信進(jìn)行的可行性研究報告，由SA1負(fù)責(zé)相關(guān)研究工作。研究報告《3GPP系統(tǒng)中支持M2M通信的可行性研究》于2005年9月立項，2007年3月完成。

　?。?）NIMTC相關(guān)課題，重點研究支持機(jī)器類型通信對移動通信網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)要求，包括對GSM、UTRAN、EUTRAN的增強(qiáng)要求，以及對GPRS，EPC等核心網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)要求，主要的項目包括：

　　●FS_NIMTC_GERAN：該項目于2010年5月啟動，重點研究GERAN系統(tǒng)針對機(jī)器類型通信的增強(qiáng)。

　　●FS_NIMTC_RAN：該項目于2009年8月啟動，重點研究支持機(jī)器類型通信對3G的無線網(wǎng)絡(luò)和LTE無線網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)要求。

　　●NIMTC：這一研究項目是機(jī)器類型通信的重點研究課題，負(fù)責(zé)研究支持機(jī)器類型終端與位于運營商網(wǎng)絡(luò)內(nèi)、專網(wǎng)內(nèi)或互聯(lián)網(wǎng)上的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)器之間通信的網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)技術(shù)。由SA1，SA2，SA3和CT1，CT3，CT4工作組負(fù)責(zé)其所屬部分的工作。

　　——3GPP SA1工作組負(fù)責(zé)機(jī)器類型通信業(yè)務(wù)需求方面的研究。于2009年初啟動技術(shù)規(guī)范，將MTC對通信網(wǎng)絡(luò)的功能需求劃分為共性和特性兩類可優(yōu)化的方向。

　　——SA2工作組負(fù)責(zé)支持機(jī)器類型通信的移動核心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和優(yōu)化技術(shù)的研究。于2009年底正式啟動研究報告《支持機(jī)器類型通信的系統(tǒng)增強(qiáng)》。報告針對第一階段需求中給出共性技術(shù)點和特性技術(shù)點給出解決方案。

　　——SA3工作組負(fù)責(zé)安全性相關(guān)研究。于2007年啟動了《遠(yuǎn)程控制及修改M2M終端簽約信息的可行性研究》報告，研究M2M應(yīng)用在UICC中存儲時，M2M設(shè)備的遠(yuǎn)程簽約管理，包括遠(yuǎn)程簽約的可信任模式、安全要求極其對應(yīng)的解決方案等。2009年啟動的《M2M通信的安全特征》研究報告，計劃在 SA2工作的基礎(chǔ)上，研究支持MTC通信對移動網(wǎng)絡(luò)的安全特征和要求。

　　（3）FS_MTCe：支持機(jī)器類型通信的增強(qiáng)研究是計劃在R11階段立項的新研究項目。主要負(fù)責(zé)研究支持位于不同PLMN域的MTC設(shè)備之間的通信的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)。此項目的研究需要與ETSI TC M2M中的相關(guān)研究保持協(xié)同。

　　（4）FS_AMTC：本研究項目旨在尋找E.164的替代，用于標(biāo)識機(jī)器類型終端以及終端之間的路由消息，是R11階段新立項的研究課題，已于2010年2月啟動。

　?。?）SIMTC： 支持機(jī)器類型通信的系統(tǒng)增強(qiáng)研究，此為R11階段的新研究課題。在FS_MTCe項目的基礎(chǔ)上，研究R10階段NIMTC的解決方案的增強(qiáng)型版本。

　　3GPP支持機(jī)器類型通信的網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)研究課題在R10階段的核心工作為SA2工作組正在進(jìn)行的MTC體系結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的研究，其中重點述及的支持MTC通信的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)包括：

　　●體系架構(gòu)

　　研究報告提出了對NIMTC體系結(jié)構(gòu)的修改，其中包括增加MTC IWF功能實體以實現(xiàn)運營商網(wǎng)絡(luò)與位于專網(wǎng)或公網(wǎng)上的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信令的交互，同時要求修改后的體系結(jié)構(gòu)需要提供MTC終端漫游場景的支持。

　　●擁塞和過載控制

　　由于MTC終端數(shù)量可能達(dá)到現(xiàn)有手機(jī)終端數(shù)量的幾個數(shù)量級以上，所以由于大量MTC終端同時附著或發(fā)起業(yè)務(wù)請求造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞和過載時移動網(wǎng)絡(luò)運營商面對的最急迫的問題。研究報告在這一方面進(jìn)行了重點研究，討論了多種的擁塞和過載場景要求網(wǎng)絡(luò)能夠精確定位擁塞發(fā)生的位置和造成擁塞的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，針對不同的擁塞場景和類型，給出了接入層阻止廣播，低接入優(yōu)先級指示，重置周期性位置更新時間等多種解決方案。

　　●簽約控制

　　研究報告分析了MTC簽約控制的相關(guān)問題，提出SGSN/MME具備根據(jù)MTC設(shè)備能力，網(wǎng)絡(luò)能力，運營商策略和MTC簽約信息來決定啟用或禁用某些MTC特性的能力。同時也指出了需要進(jìn)一步研究的問題，例如網(wǎng)絡(luò)獲取MTC設(shè)備能力的方法，MTC 設(shè)備的漫游場景下等。

　　●標(biāo)識和尋址

　　MTC通信的標(biāo)識問題已經(jīng)另外立項進(jìn)行詳細(xì)研究。本報告主要研究了MT過程中MTC終端的尋址方法，按照MTC服務(wù)器部署位置的不同，報告詳細(xì)分析了尋址功能的需求，給出了NATTT和微端口轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)尋址兩種解決方案。

　　●時間控制特性

　　時間受控特性適用于那些可以在預(yù)設(shè)時間段內(nèi)完成數(shù)據(jù)收發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。報告指出，歸屬網(wǎng)絡(luò)運營商應(yīng)分別預(yù)設(shè)MTC終端的許可時間段和服務(wù)禁止時間段。服務(wù)網(wǎng)絡(luò)運營商可以根據(jù)本地策略修改許可時間段，設(shè)置MTC終端的通信窗口等。

　　●MTC監(jiān)控特性

　　MTC監(jiān)控是運營商網(wǎng)絡(luò)為物聯(lián)網(wǎng)簽約用戶提供的針對MTC終端行為的監(jiān)控服務(wù)。包括監(jiān)控事件簽約、監(jiān)控事件偵測、事件報告和后續(xù)行動觸發(fā)等完整的解決方案。

　　4 M2M在3GPP2的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展概況

　　為推動CDAM系統(tǒng)M2M支撐技術(shù)的研究，3GPP2在2010年1月曼谷會議上通過了M2M的立項。建議從以下方面加快M2M的研究進(jìn)程。

　?。?）當(dāng)運營商部署M2M 應(yīng)用時，應(yīng)給運營商帶來較低的運營復(fù)雜度。

　?。?）降低處理大量M2M設(shè)備群組對網(wǎng)絡(luò)的影響和處理工作量。

　?。?）優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)工作模式，以降低對M2M終端功耗的影響等研究領(lǐng)域。

　?。?）通過運營商提供滿足M2M需要的業(yè)務(wù)，鼓勵部署更多的M2M應(yīng)用。

　　3GPP2中M2M的研究參考了3GPP中定義的業(yè)務(wù)需求，研究的重點在于cdma2000網(wǎng)絡(luò)如何支持M2M通信，具體內(nèi)容包括3GPP2體系結(jié)構(gòu)增強(qiáng)、無線網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)和分組數(shù)據(jù)核心網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)。

　　5 M2M在CCSA的進(jìn)展概況

　　M2M相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作在中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會中主要在移動通信工作委員會（TC5）和泛在網(wǎng)技術(shù)工作委員會（TC10）進(jìn)行。主要工作內(nèi)容如下：

　?。?）TC5 WG7完成了移動M2M業(yè)務(wù)研究報告，描述了M2M的典型應(yīng)用、分析了M2M的商業(yè)模式、業(yè)務(wù)特征以及流量模型，給出了M2M業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化的建議。

　　（2）TC5 WG9于2010年立項的支持M2M通信的移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究，任務(wù)是跟蹤3GPP的研究進(jìn)展，結(jié)合國內(nèi)需求，研究M2M通信對RAN和核心網(wǎng)絡(luò)的影響及其優(yōu)化方案等。

　?。?）TC10 WG2 M2M業(yè)務(wù)總體技術(shù)要求，定義M2M業(yè)務(wù)概念、描述M2M場景和業(yè)務(wù)需求、系統(tǒng)架構(gòu)、接口以及計費認(rèn)證等要求。

　?。?）TC10 WG2 M2M通信應(yīng)用協(xié)議技術(shù)要求，規(guī)定M2M通信系統(tǒng)中端到端的協(xié)議技術(shù)要求。

　　6 結(jié)束語

　　M2M研究是ETSI和3GPP以及3GPP2標(biāo)準(zhǔn)化組織的研究重點之一，研究相對更加系統(tǒng)，進(jìn)展也比較快，在完成需求階段工作基礎(chǔ)上，第二階段網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)也已獲得初步成果。3GPP的研究重點在于移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)，目前已經(jīng)有了階段性的研究成果；ETSI研究了多種行業(yè)應(yīng)用需求，成果向應(yīng)用的移植過程比較平穩(wěn)，同時這兩個標(biāo)準(zhǔn)化組織注意保持兩個研究體系間的協(xié)同和兼容，國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化工作正在如火如荼的進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)化是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中的重要一環(huán)，研究和制定M2M的標(biāo)準(zhǔn)化工作有對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有著重要的意義，對我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，乃至對通信業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用行業(yè)間的融合有著重要的借鑒價值和指導(dǎo)意義。