1、引言

　　M2M是Machine-to-Machine/Man的簡稱，是一種以機器終端智能交互為核心的、網絡化的應用與服務。通過在機器內部嵌入無線通信模塊，為客戶提供監(jiān)控、指揮調度、數(shù)據(jù)采集和測量等方面的信息化解決方案。

　　物聯(lián)網(Internet of things)是指通過信息傳感設備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與信息網絡連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。

　　與M2M相比，物聯(lián)網將機器的通信延伸到物與物之間的通信，將有限的信息采集提升到信息的全面感知，將移動通信技術擴展為多種通信技術的結合，并最終將以機器通信為核心的服務發(fā)展到以物理世界信息化為核心的服務，在更多的應用領域中衍生出豐富多彩的物聯(lián)網應用。

　　目前，物聯(lián)網尚處于起步階段，M2M是物聯(lián)網現(xiàn)階段主要的應用形式。為了實現(xiàn)M2M應用的標準化、規(guī)?；l(fā)展，以及端到端業(yè)務管理和運營支撐，國外的Orange、Vodafone、Telenor和國內的中國移動、中國電信等運營商已開始建設自己的M2M運營體系。但隨著物聯(lián)網應用的興起，現(xiàn)有M2M運營體系已越來越難以滿足物聯(lián)網全面感知、信息匯聚、用戶規(guī)模接入、端到端QoS等方面的需求。

　　為了解決以上問題，構建適合物聯(lián)網應用發(fā)展的物聯(lián)網業(yè)務體系架構，已成為當前M2M運營體系未來演進的必由之路。

　　2、現(xiàn)有M2M運營體系

　　M2M運營體系結構如圖1所示。

　　M2M運營體系主要包括M2M終端、承載網絡、運營系統(tǒng)和應用系統(tǒng)四個部分。其中M2M管理平臺屬于運營管理系統(tǒng)，是實現(xiàn)M2M業(yè)務管理和運營的核心網元，主要功能包括：

　　◆終端接入

　　連接通信網關和GGSN等網元，M2M終端可以采用SMS/USSD/MMS/GPRS等通信方式與管理平臺進行信息交互。

　　◆應用接入

　　平臺向集團客戶應用系統(tǒng)提供統(tǒng)一接入接口，實現(xiàn)客戶應用系統(tǒng)的接入、認證鑒權、監(jiān)控和連接管理等功能。

　　◆終端管理

　　實現(xiàn)M2M終端的接入、認證鑒權、遠程監(jiān)控、遠程告警、遠程故障診斷、遠程軟件升級、遠程配置、遠程控制、終端接口版本差異管理的功能。 

　　◆業(yè)務處理

　　根據(jù)M2M終端或者應用發(fā)出的請求消息的命令執(zhí)行對應的邏輯處理，實現(xiàn)M2M終端管理和控制的業(yè)務邏輯。M2M管理平臺能夠對業(yè)務消息請求進行解析、鑒權、協(xié)議轉換、路由和轉發(fā)，并提供流量控制功能。

　　◆業(yè)務運營支撐

　　提供業(yè)務開通、計費、網管、業(yè)務統(tǒng)計分析和管理門戶等功能。

　　3、物聯(lián)網對運營支撐的新需求和M2M管理平臺的局限性

　　與M2M管理平臺功能相比。物聯(lián)網業(yè)務對業(yè)務運營支撐能力提出了更多新的需求，具體有以下幾個方面：

　　(1)傳感器網管理需求

　　通過與位于感知層和網絡層之間的傳感網網關信息交互，實現(xiàn)對傳感器網絡及節(jié)點的管理，包括傳感網設備/服務發(fā)現(xiàn)、節(jié)點標識、狀態(tài)管理、節(jié)點控制、任務協(xié)同和網絡拓撲等管理功能。

　　(2)終端多種

　　通信方式接入的需求M2M通信協(xié)議主要支持移動網接入的終端，為了滿足物聯(lián)網終端接入的多樣性需求，通信協(xié)議應擴展支持包括有線接八方式在內的多種通信技術。

　　(3)增強通道管理需求

　　物聯(lián)網對通信網的要求已不再是單純的通道，而要求通信網能夠適應不同業(yè)務特性終端的通信需求，滿足客戶端到端QoS要求，并提供通信故障的快速定位和排除服務。

　　(4)信息聚合服務需求

　　信息聚合服務是物聯(lián)網的未來主要服務形態(tài)，能夠在獲取海量信息的基礎上，將信息經過存儲、共享、挖掘、聚合，從而打破信息孤島，提高信息的附加值，提升對物理世界、經濟社會各種活動和變化的洞察力，實現(xiàn)智能化的決策和控制。

　　(5)應用生成環(huán)境需求

　　為降低物聯(lián)網應用開發(fā)的技術門檻和成本。充分實現(xiàn)資源重用，推動物聯(lián)網業(yè)務的迅速部署，需要運營商為物聯(lián)網應用開發(fā)者提供可視化應用開發(fā)、編譯、測試、發(fā)布和執(zhí)行的應用生成環(huán)境。

　　綜上。面對物聯(lián)網業(yè)務不斷涌現(xiàn)出的新需求，現(xiàn)有M2M管理平臺在功能和架構上的局限性已愈發(fā)明顯，關于物聯(lián)網業(yè)務體系架構的研究成為了目前業(yè)內的熱點。

　　4、物聯(lián)網參考業(yè)務體系架構

　　4.1系統(tǒng)架構

　　基于對物聯(lián)網業(yè)務運營支撐需求的梳理，結合現(xiàn)有M2M管理平臺的技術方案，本文提出了一種物聯(lián)網參考業(yè)務體系架構，如圖2所示：

　　4.2功能模塊

　　在物聯(lián)網參考業(yè)務體系架構中，業(yè)務網是實現(xiàn)物聯(lián)網業(yè)務能力和運營支撐能力的核心組成部分，本文重點對該部分進行詳細闡述。業(yè)務網位于核心網與應用層之間，由通信業(yè)務能力層、物聯(lián)網業(yè)務能力層、物聯(lián)網業(yè)務接八層和物聯(lián)網業(yè)務管理域4個功能模塊構成，提供通信業(yè)務能力、物聯(lián)網業(yè)務能力、業(yè)務能力統(tǒng)一封裝、業(yè)務路由分發(fā)、應用接入管理、業(yè)務鑒權和業(yè)務運營管理等核心功能。

　　◆通信業(yè)務能力層

　　由各類通信業(yè)務能力平臺構成，通過物聯(lián)網業(yè)務接八層提供通信業(yè)務能力的調用，包括短信、彩信、WAP、語音和位置等多種能力。

　　◆物聯(lián)網業(yè)務能力層

　　由各類物聯(lián)網業(yè)務能力平臺構成，通過物聯(lián)網業(yè)務接入層為應用提供物聯(lián)網業(yè)務能力的調用，包括終端管理、感知層管理、物聯(lián)網信息匯聚中心、應用開發(fā)環(huán)境等能力平臺。終端管理能力平臺除了實現(xiàn)M2M管理平臺的終端管理功能外，還提供對有線接入方式終端的管理功能。感知層管理能力平臺實現(xiàn)傳感器網絡節(jié)點標識、注冊、節(jié)點控制、狀態(tài)管理、路由尋址、網絡拓撲管理等功能。物聯(lián)網信息匯聚中心收集和存儲來自于不同地域、不同行業(yè)、不同學科的海量數(shù)據(jù)和信息，并利用數(shù)據(jù)挖掘和分析處理技術，為客戶提供新的信息增值服務。應用開發(fā)環(huán)境為開發(fā)者提供從終端到應用系統(tǒng)的端到端應用開發(fā)、測試和執(zhí)行環(huán)境，并將物聯(lián)網通信協(xié)議、通信能力和物聯(lián)網業(yè)務能力封裝成API、組件/構件和應用開發(fā)模板。 

　　◆物聯(lián)網業(yè)務接入層

　　原M2M管理平臺同時承擔了管理和業(yè)務處理的職能，為了使網元功能職責劃分更加清晰，保證業(yè)務流的高效處理，在物聯(lián)網參考業(yè)務體系架構中引入了物聯(lián)網業(yè)務接入層，將通信業(yè)務能力和物聯(lián)網業(yè)務能力進行封裝，供業(yè)務能力的使用者統(tǒng)一接入和調用，并實現(xiàn)協(xié)議解析、協(xié)議適配、路由轉發(fā)、業(yè)務鑒權等業(yè)務處理功能。為了實現(xiàn)增強通道功能。物聯(lián)網業(yè)務接入層還提供增強通道執(zhí)行功能。

　　◆物聯(lián)網業(yè)務管理域

　　在物聯(lián)網參考業(yè)務體系架構中，物聯(lián)網業(yè)務管理域只負責物聯(lián)網業(yè)務管理和運營支撐功能，原M2M管理平臺承擔的業(yè)務處理功能和終端管理業(yè)務能力被分別劃撥到物聯(lián)網業(yè)務接入層和物聯(lián)網業(yè)務能力層。物聯(lián)網業(yè)務管理域的功能主要包括業(yè)務能力管理、應用接入管理、用戶管理、訂購關系管理、鑒權管理、增強通道管理、計費結算、業(yè)務統(tǒng)計和管理門戶等功能。增強通道管理由核心網、接入網和物聯(lián)網業(yè)務接入層配合完成，包括用戶業(yè)務特性管理、QoS管理和通信故障管理等功能。

　　為了實現(xiàn)對物聯(lián)網業(yè)務的承載，接入網和核心網也需要進行配合優(yōu)化，提供適合物聯(lián)網應用的通信能力。通過識別物聯(lián)網通信業(yè)務特征，進行移動性管理、網絡擁塞控制、信令擁塞控制、群組通信管理等功能的補充和優(yōu)化，并提供端到端QoS管理以及故障管理等增強通道功能。

　　4.3方案技術要點分析

　　(1)物聯(lián)網業(yè)務模式的實現(xiàn)方案

　　物聯(lián)網參考業(yè)務體系架構能夠提供三類物聯(lián)網業(yè)務模式。實現(xiàn)方案說明如下：

　　◆純通道模式

　　運營商基于現(xiàn)有通信網絡，提供的基本的通信通道服務。在該模式下，運營商提供不區(qū)分于人人通信的基本通信業(yè)務。

　　◆增強通道模式

　　運營商在通信通道的基礎上，根據(jù)用戶差異化服務需求，提供端到端QoS服務、通信故障管理定位等增值服務。其實現(xiàn)方案如圖3所示。

　　物聯(lián)網業(yè)務管理域通過管理接口，實現(xiàn)增強通道配置數(shù)據(jù)和故障管理指令下發(fā)功能，接入網、核心網、通信業(yè)務能力層和物聯(lián)網業(yè)務接入層負責執(zhí)行增強通道功能?？蛻敉ㄟ^業(yè)務管理域可以實現(xiàn)對終端通信故障的查詢、定位和排除。 

　　◆應用集成模式

　　運營商提供的端到端物聯(lián)網應用開發(fā)、集成、運營和維護服務，終端和應用系統(tǒng)采用運營商定義的物聯(lián)網通信協(xié)議，接受物聯(lián)網業(yè)務管理域的運營和管理，該模式下可以同時選擇使用增強通道。其實現(xiàn)方案如圖4所示。

　　終端、應用系統(tǒng)與物聯(lián)網業(yè)務接入層分別采用標準的終端一接入層接口協(xié)議、應用一接入層接口協(xié)議，實現(xiàn)終端管理、感知能力管理信息和業(yè)務數(shù)據(jù)承載等功能。物聯(lián)網業(yè)務接入層實現(xiàn)對應用系統(tǒng)和終端的接入，負責業(yè)務鑒權發(fā)起、協(xié)議解析、路由分發(fā)和協(xié)議適配功能。物聯(lián)網業(yè)務管理域完成業(yè)務鑒權、計費等功能。

　　(2)對移動通信網優(yōu)化的要求及部署策略

　　物聯(lián)網對移動通信網的優(yōu)化技術要求體現(xiàn)在增強通道特性上，具體包括：

　　◆適應不同業(yè)務特性終端通信要求

　　通過業(yè)務控制，能夠充分有效的利用移動通信網資源，滿足不同業(yè)務特性終端的通信服務要求。并有效緩解物聯(lián)網終端大量涌入對網絡造成的壓力。

　　3GPP定義了16類物聯(lián)網業(yè)務特征，要求移動網絡根據(jù)終端簽約的業(yè)務特征，進行相應的業(yè)務控制。這些業(yè)務特征概括為以下幾方面：終端接入控制(根據(jù)時間段、延遲容忍度等，或只允許PS域接入)；業(yè)務發(fā)起方式控制(僅終端發(fā)起、僅網絡發(fā)起、位置觸發(fā)等)；會話管理(永遠在線、業(yè)務結束后去激活、終端狀態(tài)感知、狀態(tài)變化告警等)；移動性管理(低移動、低功耗終端的移動性管理策略)；業(yè)務優(yōu)先級控制；終端和服務器安全連接；用戶群組通信管理。

　　這些業(yè)務特征大部分可以通過升級核心網得以實現(xiàn)，部分需要升級無線網。業(yè)務初期，可在物聯(lián)網業(yè)務需求較集中的區(qū)域建設功能升級后的核心網元或升級原核心網元實現(xiàn)。

　　◆端到端QoS保證

　　要求核心網和無線網支持QoS功能，能夠根據(jù)HLR中用戶QoS簽約參數(shù)，以及MS、BSS、SGSN和GGSN之間的協(xié)商決定MS的QoS特性。并通過網絡資源的分配和調度最終實現(xiàn)QoS。

　　實際部署時，應統(tǒng)一建立物聯(lián)網端到端QoS服務模型，確定業(yè)務服務質量從業(yè)務網到核心網、接入網的映射關系，以保證端到端QoS策略的一致性。

　　◆通信故障管理

　　要求網絡維護用戶終端通信狀態(tài)，對于狀態(tài)異常的終端應向物聯(lián)網業(yè)務管理域發(fā)起告警，業(yè)務管理域能夠對用戶通信故障進行分析和排查。由于網絡主動發(fā)起告警的功能對網絡有較大改造量，可以采用業(yè)務管理域向網絡定期獲取終端移動性和會話狀態(tài)信息的方式實現(xiàn).或通過信令采集和分析的方式實現(xiàn)。

　　(3)物聯(lián)網通信協(xié)議功能擴展和標準化問題

　　現(xiàn)有M2M通信協(xié)議主要完成M2M終端的注冊、配置、控制、數(shù)據(jù)傳輸、告警和軟件升級等功能。終端與M2M管理平臺之間通常采用二進制協(xié)議報文接口。以減少對終端硬件資源要求；應用與M2M管理平臺之間主要采用SOAP和RESTful接口。

　　物聯(lián)網通信協(xié)議應該是對M2M協(xié)議功能的擴展和改進，同時應充分考慮協(xié)議的標準化問題。為了支持物聯(lián)網業(yè)務需求，物聯(lián)網通信協(xié)議主要擴展的功能包括：需支持對有線接入終端的管理，解決在有線接入條件下終端注冊、認證、路由尋址、安全和NAT等問題；支持對傳感器網關和感知外設的管理；支持對無線傳感器網絡技術的封裝，實現(xiàn)對傳感器網絡和節(jié)點管理功能；支持終端到終端通信，以及終端之間自組織功能。

　　在標準化方面，目前業(yè)內尚未形成統(tǒng)一的物聯(lián)網通信協(xié)議標準。在技術選擇上，終端與業(yè)務網的接口有TR069、DM、CoAP和二進制協(xié)議報文等多種方案。

　　TR069和DM是已有協(xié)議，不適合資源受限終端，需要對協(xié)議進行擴展，并提供到終端應用和物聯(lián)網應用的開放接口。CoAP是IETF正在研究基于REST架構的協(xié)議，由于硬件資源要求低，適合資源受限終端使用。二進制報文則是部分運營商M2M通信協(xié)議所采用的協(xié)議，適合資源受限終端。在業(yè)務發(fā)展初期，可能存在多種協(xié)議并存的情況，因此需要兼容和適配主流的物聯(lián)網協(xié)議通信。

　　5、結束語

　　隨著物聯(lián)網新應用的興起。M2M運營系統(tǒng)演進到物聯(lián)網業(yè)務體系架構已成為業(yè)務和技術發(fā)展的必然趨勢，也是運營商實現(xiàn)物聯(lián)網應用規(guī)模化推廣和聚合產業(yè)鏈資源的核心手段。

　　應該看到，目前業(yè)內關于物聯(lián)網業(yè)務網架構的研究尚處于起步階段，在業(yè)務需求、功能架構、關鍵技術、網絡改造等方面還有很多問題有待解決，在標準化方面短時間內還難以形成統(tǒng)一的物聯(lián)網標準體系。運營商應該引導建立多方共贏的商業(yè)模式，充分調用產業(yè)鏈各方的積極性，推動物聯(lián)網業(yè)務體系架構的研究、建設和運營。