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基于基于 M2M 的物联网技术的物联网技术 摘要: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: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信运营商的公共通信网进行部署 。 M2M是Machine-to-Machine的缩写,泛指没有人介入的通信 ,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 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。 Machine-to-Machine involves communication without (or only limited) human intervention. 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. 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 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: ? 应用的远程开通或关闭、服务的自助开通; ? 远程更新升级终端中的应用程序; ? 终端与平台交互数据的存储及预处理; ? 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。 2.2. M2M标准架构和服务能力层标准在逐步建立过程中 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(ETSI TC M2M),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。 ETSI TC M2M于2011年10月发布了M2M功能架构标准(详见ETSI TS 102 690)。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服务能力层(Service Capabilities Layer,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OMA DM或BBF TR-69的终端管理等功能。 图4.ETSI TS 102 690标准中的M2M高层次架构 3.3. M2M应用对移动通信网的需求已得到准确认知 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 (Crisis Surveillance)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(Fleet Management)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Release 10中启动 了NIMTC(Network Improvements for Machine-type Communications)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, 3GPP TSG SA ( Services and System Aspects)中的SA1(业务)工作组,于2010年3 月冻结并发布了TS 22.368规范(相当于NIMTC特性Stage1阶段的工作 ), 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: ? 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。 ? 当网络过载时,网络要能够限制下行数据和信令。 ? 有效保持大量终端的连接性,即支持长在线 ? 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。 ? 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 可签约的特性 网络优化需求 网络优化需求 Low Mobility Low Mobility 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。 按 3GPP 工作流程,技术标准的制定分研究项目 Study Item 和工作项目 Work Item 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 Technical Report。WI 阶段将在相 应技术规范工作组 TSG(Technical Specification Group 或其下属的工作组 WG 内形成三个阶段的技术规范 Technical Specification。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。 Time Controlled Time Controlled 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。 Time Tolerant Time Tolerant 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。 Small Data Transmission Small Data Transmission 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。 Mobile Originated Only Mobile Originated Only 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。 Infrequent Mobile Terminated Infrequent Mobile Terminated 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。 MTC monitoring MTC monitoring 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。 Priority Alarm Priority Alarm 响应终端的优先告警请求(如发生偷盗、破坏等事件) Secure Connections Secure Connections 运营商需要提供终端与应用平台之间的安全连接 Location Specific Trigger Location Specific Trigger 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) Infrequent transmission Infrequent transmission 对偶尔收发数据的终端,网络需要有资源满足其传输需求 Group Based MTC Features Group Based MTC Features 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 4.4. 新型嵌入式SIM卡逐渐取代传统插拔式SIM卡 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 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: ? 能够应对较极端的温湿度环境; ? 使用能够承受更恶劣的振动和晃动工况的接口; ? 具备较好的抗腐蚀性; ? 支持更多的读写次数和更长的数据保留时间。 为此,ETSI TC SCP (Smart Card Platform)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ETSI TS 102 671)。这种 5mmX6mm的UICC卡 可直接焊接到终端设备的电路板上,因此也被称作嵌入 式SIM卡或eUICC卡。 嵌入式SIM卡作为元件进入终端的生产、 组装和测试阶 段,与终端一起进行一体化生产成为制造商的一项重要需求,成为行业的 大趋势。 5.5. B2B2B和B2B2C商业模式逐渐成型 B2B2B和B2B2C商业模式逐渐成型 在传统通信领域,电信运营商的业务基本围绕着B2B和B2C模式。但在 物联网应用中,从现阶段的实际情况来看,除了一些电信运营商自主提供 的少许行业应用外,在大多数物联网应用中电信运营商并不是直接的应用 服务商。 通过对上游制造业厂商的嵌入式系统CPU、 通信模块、 传感器等基础硬 件产品的整合、 以及对上游服务业厂商的数据库软件、 M2M通信等基础服务 即欧洲电信标准化协会中的智能卡平台技术委员会 采用 SON-8 封装的 MFF2 嵌入式 SIM 卡更被常用 的整合, 应用服务商基于自有的行业知识形成最终的应用服务和专业终端, 并通过行业内的既有客户关系、销售渠道或物联网虚拟运营商给最终政企 客户或大众消费者。 在欧美发达国家很早便出现了对家庭安防、远程抄表、车队管理等物 联网应用的需求。相关应用市场经过初期培育已经比较成熟,相应领域已 出现较成规模化运营的应用服务商。相比于国外,在我国的物联网产业链 中应用服务商这一环节还未成熟。由于应用服务商的缺失,导致一些物联 网应用服务的上线周期长、供给成本高,限制了物联网产业规模的扩大。 此外,M2M应用从行业应用市场向公众市场延伸也更要依靠专业应用服务 商的发展。 行业应用市场向公众市场延伸也更要依靠专业应用服务 商的发展。 不同于传统电信业务的虚拟运营商角色,应用服务商提供的服务不再 是通信服务,客户需要的也不单单是网络层面的通信服务。电信运营商的 M2M通信服务是被整合入应用服务商的服务后再提供给最终用户的。这样, 机器通信的销售及服务一般会是通过应用服务商以B2B2B或B2B2C的模式间 接进行的。这种模式上的变化,对于电信网络运营管理提出新的要求,而 在传统的业务支撑系统上是难以实现的。 6.6. 运营商必须以能力开放的方式推进M2M应用 运营商必须以能力开放的方式推进M2M应用 产业规模化发展的需求,在技术上推动着水平共享化的标准,在模式 上推动各水平层间的能力开放。 B2B2B或B2B2C模式中的前半部分的“B2B”,在模式上就是运营商向应 用服务商的能力开放,在产品上就是更加丰富的、面向应用服务商销售的 服务,在收入上就是ARPU的提高和终端规模的提高。 “B2B”,在模式上就是运营商向应 用服务商的能力开放,在产品上就是更加丰富的、面向应用服务商销售的 服务,在收入上就是ARPU的提高和终端规模的提高。 就电信运营商而言, 在行业信息化和M2M应用这两种模式下可以参与的 环节和提供的服务也有较大差异。在行业信息化模式下,行业间、同一行 业内的各企业之间可公用的环节很少,电信运营商能够规模化销售的产品 也仅是透明通信通道;在一些行业中,甚至频谱、线路等通信通道也是行 业内专用的,无需电信运营商的公共通信网络来提供。在大多数物联网应 用领域,电信运营商也缺乏相应的行业知识和行业内资源的整合能力来直 接提供各行业内的端到端的专用应用。 而在逐渐成熟的M2M应用模式下, 电信运营商应首先致力于在网络层提 供水平共享化服务,其核心是能力开放能力开放,即开放对通道的管控能力。这首首 先要求通道本身是可根据外部策略而执行相应管控措施的“智能通道”,先要求通道本身是可根据外部策略而执行相应管控措施的“智能通道”, 其次要求对通道的管控是可通过API暴露给合作伙伴的,而不是封闭在内其次要求对通道的管控是可通过API暴露给合作伙伴的,而不是封闭在内 部仅由运营商网管来控制的。部仅由运营商网管来控制的。(电信运营商并不是唯一能够提供这种网络 层的服务的角色;在国外,很多移动虚拟运营商(MVNO)也参与到这个服 务环节。 ) 随着使用M2M通道服务终端规模的扩大和自有IT相关研发能力的 提高,电信运营商可尝试以业务网关或业务交付平台(SDP) 的形式来提 供服务能力层的水平共享服务。 二、 现阶段电信运营商拓展M2M市场的技术发展策略 1. 二、 现阶段电信运营商拓展M2M市场的技术发展策略 1. M2M专网 M2M专网 移动通信网要实现3GPP所提出的针对M2M通信的全部网络优化机制, 特 别是信令方面优化,需要运营商将全网网络设备升级到Release 11以上版 本,建成LTE-Advance网络。然而,在M2M终端还没有达到海量规模M2M终端还没有达到海量规模、移动 通信网中的主要流量还是人人通信流量的情况下,通过一些技术和商务措 施,电信运营商可以基于现有网络、以经济合理的成本、为一定数量的网 络友好型M2M终端提供更好的服务: ? 在网络连接层,建设M2M专网M2M专网,汇集M2M流量,进行统一管控和能力 SDP 即 Service delivery Platform 的缩写,国外也称为 Service Enablement Services。 开放,向应用服务商提供可管可控的数据通道、短信通道和语音通 道。 ? 在服务能力层,业务网关可与专网网元配合,将网元的基础功能封 装成在终端管理和数据预处理等方面的共享服务,来辅助应用进行 更合理的通信。例如,提供短信唤醒终端服务。 ? 在应用层,通过资费引导和技术交流,促使应用服务商开发网络优 化型应用,并进行入网测试,来保障应用的网络友好性。例如,避 免频繁的心跳包。 此外,根据ABI Research的研究,欧美主要先进运营商基本采用建设 M2M专网的方式来支持M2M业务的发展。 通过M2M专网, 可以一定程度上区隔 M2M业务和传统人人通信业务流量,从而: ? 针对M2M的特有通信需求进行网元的性能优化和定制开发。例如, 使GGSN支持更多PDP连接,使HLR支持更频繁的数据写入。 ? 以较少的投资部署最新的核心网技术。例如部,署PCC架构; ? 加快新产品上线和新业务流程实施; 例如, 适时引入基于空中写卡 技术的M2M嵌入式SIM卡远程个人化功能。 一般来说,现阶段M2M专网采取集中建设的方案,主要包括: ? 业务承载网元:专用GGSN和专用SMSC; ? 业务控制网元:专用HLR、专用OCS、专用SCP,以及PCRF和 SPR(与 可HLR合设),并按需扩容HSTP; ? 业务卡号资源:对应M2M SIM卡的专用MSISDN、IMSI和ICCID号段; ? 业务管控平台: 实现网元与BSS和OSS的业务流程交互, 以及面向应 用服务商进行智能通道的能力开放。 通过在局数据配置将专用MSISDN和IMSI号段指向专用HLR,专用HLR能 够负责M2M用户信息 的集中管理, 并根据M2M管控平台下发的联机指令进行 M2M SIM卡的开通和关停。通过APN配置和DNS解析,将数据流量汇聚到专用 GGSN。专用GGSN除了基本的网关功能外,还需要支持向业务管控平台上报 PDP状态、终端IP地址、PDP激活失败原因值等PS域会话管理信息,以及ULIULI (User Location Information)等与SGSN进行GTP-C信令协议交互时获得 的PS域移动性管理信息。通过配置短信中心号,将应用与终端的短信交互 汇聚至专用SMSC。专用SCP负责对语音呼叫的集中管控。专用OSC与GGSN之 间遵循DCC(Diameter Credit Control)协议 ,根据PCEF的业务用量申请进 行相应信用授权, 实现在线计费。 应用服务商通过M2M业务管控平台可为其 所属终端配置多种管控策略和计费策略, 经专用PCRF下发至专用GGSN执行。 从M2M专网未来演进来看,专用HLR和GGSN需要支持能平滑过渡到4G的 HSS和SAE-GW。GGSN和PCRF之间用于信息上报和策略下发的Gx接口是基于 Diameter协议的,为降低信令路由,随着业务量的增长,PCRF和GGSN应一 起下沉。由于各PCRF与SPR间是全IP的数据库访问,SPR仍可集中部署。同 时,单设备达千万级的超大HLR已较成熟,未来HLR/HSS可以继续保持集中 部署。 2.2. 基于PCC架构的动态策略资费控制:网络连接层智能通道的能力开放 基于PCC架构的动态策略资费控制:网络连接层智能通道的能力开放 在B2B2B或B2B2C模式下, M2M通信成为应用服务商向最终用户提供服务 时的一个成本项。同时,电信运营商希望通过资费引导(包括多种计费方 式)来促进应用服务商实施网络友好型的服务。因此,电信运营商和应用 服务商都需要对M2M终端通信行为进行更强有力的策略和计费控制。 包括 SIM 卡用户对应的 IMSI 和 MSIDSN,APN、短信中心号、计费类型等业务签约信息以及由移动性管理流程 获得的用户位置信息当前所在的 MSC/VLR 编号、SGSN 编号和地址。 GGSN 等网元设备基于 DCC 协议,向 OCS 发送 CCR(Credit-Control-Request)信用控制申请消息,申请 OCS 对 当前用户使用的业务进行信用控制。OCS 基于 DCC 协议对发送 CCR 消息的网元设备回复 CCA(即 Credit-Control-Answer)信用控制应答消息,网元设备根据 CCA 消息控制用户使用业务。 计费过程一般包括初始 计费请求 Initial CCR(CCA) 、更新计费请求 Update CCR(CCA)和终止计费请求 Termination CCR(CCA)三个阶 段。 在管控策略方面在管控策略方面,M2M网络连接层需要基于位置、时间、累计用量、终 端状态、机卡捆绑等维度进行策略管控,而不仅限于传统人人通信中通过 业务签约信息来实现管控的手段;针对使用嵌入式SIM卡的M2M终端,需要 提供在生产组装测试到用户远程激活之间的额外管控能力;针对处于使用 阶段的M2M终端,需要提供防盗用和防滥用能力。 在资费体系方面,在资费体系方面,人人通信的数据业务一般仅实施了按流量计费;而 M2M数据通信还普遍存在按次计费、 按时长计费, 根据时间和位置进行差别 计费,以及群组计费的需求。这需要运营商向应用服务商提供更为丰富的 计费逻辑。对于运营商来说,实施按次计费或按时长计费,可以更真实地 反应通信的网络成本; 对于应用服务商则可以实现 “通信服务应用服务”“通信服务应用服务” 计费方式的一致性计费方式的一致性,更便于其实施成本控制和应用服务的定价。例如,针 对金融行业的无线POS等诸多低数据流量、 高通信频次的应用, 就可实施按 次计费的价格, 以涵盖频繁建立和释放PDP连接导致的信令层面资源消耗 ; 针对媒体行业的远程信息展示(Remote Information Display)应用,可 以根据不同视频压缩标准,实施按时长计费的价格。针对远程抄表等对实 时性要求不高的应用,可以通过基于时间的差别计费的激励来引导应用服 务商尽量使用凌晨等人人通信的网络闲时来进行数据传输。 管控策略与资费体系相结构可以形成多种新型的数据通道产品。例 如,媒体行业的远程信息展示(Remote Information Display)应用,一 般需要间隔一定时间(如每天)向所有媒体显示终端通过下行通道推送大 量高清晰度的视频内容。这更需要实施按时长计费和分时计费相结合的资 费结构 ,配合对闲时传输予以QoS保障的管控策略,引导其合理利用网络 可能存在电信运营商希望按次计费而能获得更多收入,但是应用服务商可能不愿接受按次计费 在网络白天忙时,可以分享给其的下载速率低,推送时间长。在网络闲时,对相应终端的下行速率进行 QoS 保障 (避免受抄表也在闲时等影响) 闲时进行数据传输,以避免对公众客户的移动互联网服务造成冲击。 为此,电信运营商应在M2M专网中部署3GPP所提出的PCC(Policy & Charging Control) 架构(如图5所示)。PCRF(Policy & Charging Ruling Function)可以根据用户签约信息、业务信息、用户状态信息等输入,动态 生成控制策略,并下发给GGSN中的PCEF。PCEF(Policy & Charging Enforcement Function)是位于GGSN的策略执行逻辑实体,用于限速、门 控和业务重定向。 GGSN还可将QoS信息传递给SGSN及无线侧, 是无线接入网 和核心网共同配合进行端到端的承载资源管理。 在PCC架构下, 运营商可以 基于用户使用业务、用户累计使用、用户等级、用户接入位置、用户使用 时间灵活实施门控、流控、差别计费、端到端Qos 等管控措施。 图5. 3GPP R11版中的PCC逻辑架构 然而,电信运营商在M2M专网中部署动态策略控制时,还需要依据M2M 业务流程和商业模式,在PCC标准架构基础上进行“因地制宜”的使用(见 图6): 3GPP Release7 版本时最早提出了 PCC 架构,随后版本中仍在不断升级相关功能。 在 LTE 网络中,PCC 是 EPC 的重要组成部门,是实现 LTE 语音业务的必选机制。 为实现对IP数据通道管控能力的开放, PCRF要与M2M业务管控平台实 现对接, 使应用服务商能够在M2M业务管控平台的门户上, 为其所属终端配 置应用的策略控制模板,并下发经PCRF。(在针对人人通信的PCRF中,策 略控制模板必须由运营商网络运维人员经过网管系统配置,更不可能开放 给外部应用开发者。) 启用PCRF与OCS间新增的Sy接口, 用以传递与使用限额 (用量或金额) 相关的触发事件。这时,OCS还负责记录终端累计用量的功能,使OCS成为 PCRF生成策略时决策信息的另一个来源,从而高效实现基于累计用量(或 金额)的策略控制。 通过扩展Rx接口来实现第三方数据连通性(Sponsored Data Connectivity),即PCRF能与第三方M2M应用平台进行策略控制信息交互, 从而能对第三方M2M应用业务进行控制、流量核减、计费等。 图6. M2M专网中基于PCC架构的智能管道以及动态策略控制能力的开放 考虑到M2M终端一般都是应用服务商具有控制权的专用封闭终端, 依 据IP报头五元组 对应用与终端间多个会话进程进行区分即可,专用GGSN 上可暂时不启用DPI 。 业务网关可以将PCEF的事件报告功能,封装成服务能力层的一些共 享服务。业务网关向PCEF订阅相关事件后,当相应事件发生时,PCEF将会 把此事件报告给业务网关, 业务网关会结合其他信息生成提供给M2M应用平 台的通知。这些事件可以是终端用量阈值告警、移动性终端的异常位置变 更等。 总体上看,PCC的引入使得M2M专网的IP数据通道成为可观可控的“智 能通道” , 并可经由M2M业务管控平台面向应用服务商进行能力开放。 但是, 这与移动互联网智能通道和能力开放具有不同的含义,相关网元和支撑系 统也存在很大差异。这种对比可见下表 表3. 两种智能管道和能力开放的对比 即源 IP 地址、源端口、目的 IP 地址、目的端口和传输层协议号(TCP/UDP) 即 Deep Packet Inspection 深度包检测技术,通过深入读取 IP 包载荷的内容来对 OSI 七层协议中的应用层信息进 行重组,从而得到整个应用程序的内容,并按照系统定义的管理策略对流量进行整形操作。一些移动运营商已同时 部署了 PCRF 和集成了 DPI 功能的 GGSN,通过 DPI 来检测到用户使用 P2P 应用时,GGSN 会上报 PCRF 来获得相 应的限制策略。在 M2M 应用中,为防止某些应用中一些网络非友好的会话进程,运营商可进行 M2M 终端入网。 同时,运营商还可以在 Gn 接口上部署旁路 DPI 进行统计分析,就运营中发现的问题与应用服务商协商改进或采用 特殊的计费策略。最差情况下,运营商还可以拒绝为该应用服务提供网络。而移动互联网中,针对订购流量套餐的 用户,对 P2P 等应用最可行方案就是靠 PCC 和 DPI 的结合来进行限速措施。还有一些运营商尝试在 GGSN 后部署 串行 DPI 作为内容计费和对应用层数据管理的执行设备。 3.3. 基于空中写卡技术的M2M嵌入式SIM卡远程管理系统 基于空中写卡技术的M2M嵌入式SIM卡远程管理系统 从M2M业务流程上来看,电信运营商是销售了终端元件、测试服务、通 信业务三种产品,向运营商购买这三个产品的很可能是不同地区的不同的 主体。以Telematics服务为例,需要实现的应用情境是:在广东的车机厂 商购买嵌入式SIM卡,焊接在车机主板上,开机进行实际联网测试;随后, 车机在上海的整车总装车间安装上车,再次开机进行实际联网测试;汽车 销售到北京后, 由车主向运营商北京分公司申请开通M2M通信服务。 而现有 人人通信服务中是按地域区划进行号码分配和管理的,局数据配置均采用 万号段对应方式,即HLR识别码(简称H码)相同的IMSI和MSISDN配置在同 一个HLR中。 如果继续延用人人通信的业务支撑体系, 就会造成车主需要依 据车机中SIM卡对应的IMSI,在他省CRM中开户,选择一个外省的号码。这 增加了运营商内部的客户管理和客户服务的难度,加大了内部结算的复杂 性,更重要的是不便于对客户进行人人通信和机器通信的融合套餐营销。 M2M业务中,SIM卡硬件销售和业务开通分离的这种情况,对于跨国生 产和销售的工业制成品会造成更为突出的影响。在全球化的背景下,国际 大品牌制造商的产品一般都是在生产线按照统一规格进行大规模生成或总 装,然后销往全球各国市场的。因此,制造商希望嵌入到其设备中的嵌入 式SIM卡(eUICC卡)是一个能够国际通用的标准元件,购买设备的最终用 户可以选择本国的一个运营商来开通M2M通信服务。 针对这种需求, 现阶段 的最大问题是各个国家各运营商的SIM卡不能通用 。 总之,在M2M业务中遇到的问题是,在以地域区划进行IMSI和MSISDN 号码一致化分配和局数据配置的情况下,运营商在向终端设备商提供嵌入 因此,现阶段原则上制造商只能根据产品的预计销售国家,在销往不同国家的产品嵌入不同的 SIM 卡;或者统一 安装一家电信运营商的 SIM 卡,在不同国家按国际漫游来处理。而实际上,大多数制造商宁可让用户或自身支付高 额的国际漫游费,也不愿放弃商品标准化的原则。 式SIM卡时无法确定最终用户的归属地,也就无法“恰好”在卡中写入归属 地的对应IMSI。为解决这个问题,运营商需要进行业务流程的创新:在最在最 终用户申请开通M2M通信业务时,通过有效的标识来识别待开通的SIM卡实终用户申请开通M2M通信业务时,通过有效的标识来识别待开通的SIM卡实 体, 继而能够将所需的IMSI等卡数据安全写入SIM卡中, 并通过CRM通知HLR体, 继而能够将所需的IMSI等卡数据安全写入SIM卡中, 并通过CRM通知HLR 进行业务开通进行业务开通。 在技术上,电信运营商有两种修改SIM卡中的卡数据的远程管理机制: 一种是基于现场写卡技术的LPS (Late-stage Personalization Service) ; 另一种是基于空中写卡技术的RPS (即远程个人化服务, Remote Personalization Service)。现场写卡是指授信的专用写卡设备,以接触 式或近场非接触式的方式来修改卡数据。空中写卡是指通过用户实际使用 的任意设备,将OTA短信发送至SIM卡,并控制修改SIM卡中相应的卡数据。 一般来说, 电信运营商会对终端设备的渠道分销商提供LPS机制, 授权其开 通终端设备内的SIM卡。例如,在4S店来开通汽车上的通信服务。考虑到在 M2M应用中, 待开通的终端很可能分散在广泛的地域范围内, 而运营商从内 部管理考虑,又不可能部署过多专用写卡设备。因此,从服务便利性来看, RPS是更理想的机制RPS是更理想的机制:针对任意M2M终端,在不更换SIM卡的情况下,可以在 任意时间远程修改其中SIM卡内的数据, 并管理终端所对应的订购关系。 此 外,空中写卡方式对安全性提出了比较高的要求,需要更为可靠的卡数据 的安全加密和安全传输技术, 一般认为不适于扩展到人人通信的插拔式SIM 卡上。 就嵌入式SIM卡的远程管理问题,GSMA嵌入式SIM卡工作组于2011年发 布相关需求和用例白皮书,其中提炼了5个典型的应用场景。 表4.嵌入式SIM卡的5个典型应用场景 为了支持新的商业模式和应用场景,一些电信运营商和卡商正在试验 建设新的远程管理系统:即几个形成战略联盟关系的运营商可以统一选择 卡商,要求卡商在对嵌入式SIM卡(eUICC卡)进行“预个人化”时,除了 对SIM卡中E 2PROM格式化、COS和创建标准目录结构外,还需建立一个开通 目录(Provisioning Profile),存储一个特殊号段的IMSI和相应密钥。 在用户申请开通时, 运营商可通过联盟成员间的共享界面, 以OTA的方式通 过开通目录将所需的卡数据写入嵌入式SIM卡中的相应目录中。 对于传统插拔式SIM卡, 运营商通过ICCID来标识其发放的每个SIM卡实 体(一般ICCID会印在SIM卡背面)以及对应的卡数据。而在嵌入式SIM卡业 务流程中,SIM卡硬件实体/软件平台与卡数据是可分离的;在终端的整个 生命周期中, 包括ICCID在内的卡数据都是会变化的。 因此, 需要引入SIMID 来标识嵌入式SIM卡的硬件实体。 表5.嵌入式SIM卡相关的个人化数据 从业务流程上看,修改嵌入式SIM卡内的个人化数据需经过以下步骤: 应用服务商或用户以SIMID为标识, 向SM-SR提出修改卡内个人化数据的 请求; 应用服务商或用户选择MSISDN号码及业务套餐等,SM-SR检索出相应该 SIMID对应的原有MSIDSN号, 以及新MSISDN号对应的个人化数据 (ICCID、 IMSI、短信中心号和 Ki等); SM-SR将用户新的个人化数据封装成数据短信通过OTA通道发往原有 MSIDSN号; 该SIMID所对应的SIM实体收到该短信后,进行鉴权认证; 根据SM-SR下发内容,该SIM卡修改相应个人化数据; 修改成功后,该SIM卡“模拟”SM-SR发送写卡成功的确认短信; SM-SR向CRM提交开卡申请,CRM负责在HLR和Billing中进行开通; 4.4. M2M业务网关:在服务能力层的能力开放 M2M业务网关:在服务能力层的能力开放 从ETSI的M2M架构的视角,M2M业务网关属于网络侧服务能力层的概念 范畴。业务网关可将各种能力平台的基础功能,封装成在终端管理和数据 预处理等方面的共享服务。调用网关提供的共享服务功能,有利于应用服 务商为最终用户快速进行应用的定制开发、降低开发成本和上线周期,并 降低随后的应用维护成本。 运营商建设网关时,不应追求应用服务商的所有应用数据流都经过网 关来处理,应该首先注重对电信网络能力的封装对电信网络能力的封装,消除电信网络和IT系统 之间的“知识鸿沟”,特别是降低应用平台与电信系统对接的难度,更好 挖掘电信网络的固有功能。例如,基于M2M专用短信中心,网关可以提供利 用短信进行终端唤醒的共享服务。这样,应用开发人员不必知晓短信相关 技术知识;通过调用该服务,网关会将应用平台的请求封装成短信下发, 并处理短信重发、接受确认等短信业务逻辑。又例如,通过移动性管理流 程,M2M管控平台可从HLR和GGSN获取终端的位置更新信息。这种能力可以 被封装成位置移动告警服务,为不具备GPS模块的终端提供服务。另外,网 关可以整合运营商已建设的其他公共能力平台的能力,封装成标准服务。 例如,可将GIS平台能力与位置查询能力封装成电子围栏服务。 此外, 网关还可提供对应用数据的预处理服务。网关还可提供对应用数据的预处理服务。 为了对诸多M2M应用进 行更好地支撑,电信运营商可以归纳和抽象出一些共性的表示层数据预处 理功能,通过平台以PaaS方式向应用服务商提供综合数据分析服务综合数据分析服务 (Integrated Data Analysis Service,简称IDAS)。这时终端发出的应 用数据达到专用GGSN后,会被转发给网关的IDAS模块进行预处理,然后再 由网关以事件(events)的形式转发给对应的应用平台。例如,对各种行 业内标准传感器上传的数据,IDAS会根据该行业的数据格式标准或应用服 务商预先定制的解释逻辑将其转化为实际能够触发应用层处理逻辑的事件 结构。进一步,在授权的情况下,网关可对预处理后数据进行存储和分析。 针对那些利用电信运营商所提供的应用开发环境所开发出的具体应用,应 用服务商还可以把自身应用层数据也存储在网关提供的数据库中,并进行 随后的数据分析和挖掘。 此外,网关还可提供一定的终端管理服务。由于大多数应用服务商一 般都会建立自有的一套应用层终端管理协议,因此网关中终端管理服务的 主要功能应是向应用服务商反馈M2M终端与应用平台间的网络情况向应用服务商反馈M2M终端与应用平台间的网络情况。手机 用户可以通过手机终端上的信号强度显示自主判断网络服务质量;而M2M 终端一般是要实现无需现场专业人员、依靠自动逻辑控制的,因此终端需 要通过运行电信运营商的终端管理协议来反馈给应用平台自身所处的网络 条件以便于应用服务商进行故障原因判定故障原因判定等操作。 要实现终端管理,必须要求终端来运行一套管理协议。从功能实现方 式角度来看, 协议可以是寄存在基带芯片的存储器中由DSP运行的固定电路 逻辑,可以是存储于通信模块中存储芯片内、由MCU运行的简要指令,还可 以是以库文件形式作为终端操作系统的一部分由专用终端CPU运行的API。 基于基带芯片普遍遵循的3GPP标准协议, 通过M2M专网网元和管控平台的配 合,电信运营商就可为应用服务商提供基础的终端管理功能。根据实现功 能、 推广成本和升级难度等方面综合考量, 现阶段API方式仍是满足这种需 求的主要选择。 三、 电信运营商的M2M产品和市场培育 1、 三、 电信运营商的M2M产品和市场培育 1、 标准产品 标准产品 参考ETSI的高层架构以及相关接口,电信运营商针对M2M业

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