物联网技术-第5章-M2M技术

1、概述 M2M的体系结构，协议，内容 M2M应用312M2M前景和挑战 4目录5.1 概述 上世纪90年代中后期，随着各种信息通讯手段的发展，加之地球上各类设备的不断增加，人们开始越来越多的关注于如何对设备和资产进行有效监视和控制，甚至如何用设备控制设备“M2M”理念由此起源。什么是M2MuM2MM2M是现阶段物联网最普遍的应用形式，是现阶段物联网最普遍的应用形式，是实现物联网的第一步。是实现物联网的第一步。u 未来的物联网将是由无数个未来的物联网将是由无数个M2MM2M系统构系统构成，不同的成，不同的M2MM2M系统会负责不同的功能处理，系统会负责不同的功能处理，通过中央处理单元协同运作，最终

2、组成智能通过中央处理单元协同运作，最终组成智能化的社会系统化的社会系统。相关概念M2MM2M传感网传感网物联网物联网泛在网络泛在网络智慧地球智慧地球应用层通信对象网络层传感器+ +近距离无线通信（低速、低功耗）传感器网+ +近距离无线通信RFIDRFID、二维码近距离中高速通信内置移动通信模块各种终端传感器网+ +近距离无线通信RFIDRFID、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：手机、上网卡等物-物物-物人-物物-物人-物人-人不包括一个或几个网络初期：传输后期：融合，协同多网络、多技术异构协同智能：跨技术、跨网络、跨行业、跨应用末端网/ /终端基础网络什么是M2MM2M

3、M2M表达的是多种不同类型的通信技术有机表达的是多种不同类型的通信技术有机的结合在一起的结合在一起 机器对机器（机器对机器（Machine to MachineMachine to Machine）人对机器（人对机器（Man to MachineMan to Machine）机器对人（机器对人（Machine to ManMachine to Man）移动网络对机器（移动网络对机器（Mobile to MachineMobile to Machine）M2MM2M让机器，设备，应用处理过程与后台信息系让机器，设备，应用处理过程与后台信息系统共享信息，并与操作者共享信息。统共享信息，并与操作者共

4、享信息。什么是M2MM2MM2M（Machine/Man-to-Machine/ManMachine/Man-to-Machine/Man）是一种以机器智能交互为核心的、网络化的应是一种以机器智能交互为核心的、网络化的应用与服务。用与服务。简单地说，简单地说，M2MM2M是指机器之间的互联互通。是指机器之间的互联互通。M2M M2M 技术使所有机器设备都具备连网和通信能技术使所有机器设备都具备连网和通信能力，它让机器、人与系统之间实现超时空的无力，它让机器、人与系统之间实现超时空的无缝连接。缝连接。M2MM2M通信技术综合了通信和网络技术，将遍布通信技术综合了通信和网络技术，将遍布在日常生产生

5、活中的机器设备连接成网络，使在日常生产生活中的机器设备连接成网络，使这些设备变得更加这些设备变得更加“智能智能”，从而可以创造出，从而可以创造出丰富的应用，给人们的日常生活、工业生产等丰富的应用，给人们的日常生活、工业生产等带来新一轮的变革。带来新一轮的变革。M2M示意图什么是M2MM2MM2M（Machine to MachineMachine to Machine）机器与机器之间）机器与机器之间自动的数据交换。自动的数据交换。包括传统意义上的机器，如汽车、自动售货机等包括传统意义上的机器，如汽车、自动售货机等也包括虚拟意义上的机器，如软件等也包括虚拟意义上的机器，如软件等基于通用通信网络实

6、现的机器与机器之间的基于通用通信网络实现的机器与机器之间的“交流交流”引出了所谓引出了所谓“物联网物联网”的概念，其的概念，其设想是：设想是：在未来机器与机器之间能够通过通信媒介，像人与人之间一样进行交流，并且这种交流是自主的、具有一定智能的（European Telecommunication Standards Institute, ETSI）（Third Generation Partnership Project，3GPP）（China Communications Standards Association CCSA）研究M2M的各大标准化组织欧洲电信标准协会第三代协作项目组织中国通

7、信标准化协会ETSI M2M 通信功能体系架构标准化组织项目内容3GPP标准化工作3GPPFS_M2M这个项目是这个项目是3GPP 3GPP 针对针对M2M M2M 通信进行的可行性研究报告，由通信进行的可行性研究报告，由SA1 SA1 负负责相关研究工作。研究报告责相关研究工作。研究报告3GPP 3GPP 系统中支持系统中支持M2MM2M通信的可行性研通信的可行性研究究于于2005 2005 年年9 9 月立项，月立项，2007 2007 年年3 3 月完成月完成NIMTC重点研究支持机器类型通信对移动通信网络的增强要求，包括对重点研究支持机器类型通信对移动通信网络的增强要求，包括对GSMG

8、SM、UTRANUTRAN、EUTRAN EUTRAN 的增强要求，以及对的增强要求，以及对GPRSGPRS，EPC EPC 等核心网络等核心网络的增强要求的增强要求FS_MTCe支持机器类型通信的增强研究是计划在支持机器类型通信的增强研究是计划在R11 R11 阶段立项的新研究项目。阶段立项的新研究项目。主要负责研究支持位于不同主要负责研究支持位于不同PLMN PLMN 域的域的MTC MTC 设备之间的通信的网络设备之间的通信的网络优化技术。此项目的研究需要与优化技术。此项目的研究需要与ETSITCM2METSITCM2M中的相关研究保持协同。中的相关研究保持协同。FS_AMTC本研究项目

9、旨在寻找本研究项目旨在寻找E.164 E.164 的替代，的替代， 用于标识机器类型终端以及用于标识机器类型终端以及终端之间的路由消息，终端之间的路由消息， 是是R11 R11 阶段新立项的研究课题，阶段新立项的研究课题， 已于已于2010 2010 年年2 2月启动。月启动。SIMTC支持机器类型通信的系统增强研究，此为支持机器类型通信的系统增强研究，此为R11 R11 阶段的新研究课题。阶段的新研究课题。在在FS_MTCe FS_MTCe 项目的基础上，研究项目的基础上，研究R10 R10 阶段阶段NIMTC NIMTC 的解决方案的增强的解决方案的增强型版本。型版本。项目(1) TC5W

10、G7 完成了移动M2M 业务研究报告，描述了M2M 的典型应用、分析了M2M 的商业模式、业务特征以及流量模型，给出了M2M 业务标准化的建议。(2) TC5WG9 于2010 年立项的支持M2M 通信的移动网络技术研究， 任务是跟踪3GPP 的研究进展，结合国内需求， 研究M2M通信对RAN 和核心网络的影响及其优化方案等。(3) TC10WG2M2M 业务总体技术要求， 定义M2M业务概念、描述M2M场景和业务需求、系统架构、接口以及计费认证等要求。(4) TC10WG2M2M通信应用协议技术要求，规定M2M通信系统中端到端的协议技术要求。CCSA 标准化工作 各个组织对M2M的理解均不同

11、，M2M也没有统一的标准。除了，ETSI,3GPP等标准化组织推进M2M标准化的进程之外，也有一些运营商制定相关的一些标准。5.2 M2M的体系结构、协议、内容机器应用中间件M2M终端通信网络M2M系统构架具体系统结构接收远程接收远程M2MM2M平台激活指令平台激活指令本地故障报警本地故障报警数据通信数据通信远程升级远程升级使用短消息使用短消息/ /彩信彩信/GPRS/GPRS等几种接口通信协等几种接口通信协议与议与M2MM2M平台进行通信平台进行通信终端设备（终端设备（TE）: 主要完成行业数字模拟量的采集和转主要完成行业数字模拟量的采集和转化化无线模块（无线模块（MT，移动终端），移动终端

12、）: 主要完成数据传输、终主要完成数据传输、终端状态检测、链路检测及系统通信功能端状态检测、链路检测及系统通信功能行业专用终端行业专用终端无线调制解调器无线调制解调器:又称为无线模块，具有终端管理模块功能和无线接入能力。又称为无线模块，具有终端管理模块功能和无线接入能力。用于在行业监控终端与系统间无线收发数据用于在行业监控终端与系统间无线收发数据手持设备手持设备:通常具有查询通常具有查询M2MM2M终端设备状态、远程监控行业作业现场和处理办终端设备状态、远程监控行业作业现场和处理办公文件等功能公文件等功能。终端管理模块终端管理模块为为软件模块软件模块，可以位于可以位于TETE或或MTMT设备中

13、，主要负责维护和管理通信设备中，主要负责维护和管理通信及应用功能，为应用层提供安全可靠和及应用功能，为应用层提供安全可靠和可管理的通信服务可管理的通信服务。M2MM2M管理平台为客户提供统一的移动行业终管理平台为客户提供统一的移动行业终端管理、终端设备鉴权端管理、终端设备鉴权支持多种网络接入方式，提供标准化的接支持多种网络接入方式，提供标准化的接口使得数据传输简单直接口使得数据传输简单直接提供数据路由、监控、用户鉴权、内容计提供数据路由、监控、用户鉴权、内容计费等管理功能费等管理功能GPRS接入模块接入模块: 使用使用GPRS方式与方式与M2M终端传送数据终端传送数据行业网关接入模块行业网关接

14、入模块: 负责完成行业网关的接入，通过行负责完成行业网关的接入，通过行业网关完成与短信网关、彩信网关的接入，最终完成与业网关完成与短信网关、彩信网关的接入，最终完成与M2M终端的通信终端的通信通信接入模块通信接入模块终端接入模块终端接入模块: 负责负责M2M平台系统通过行业网关或平台系统通过行业网关或GGSN与与M2M终端收发终端收发协议消息的解析和处理协议消息的解析和处理数据库模块数据库模块: 保存各类配置数据、终端信息、集团客户（保存各类配置数据、终端信息、集团客户（EC）信息、签）信息、签约信息和黑约信息和黑/白名单、业务数据、信息安全信息、业务故障信息等白名单、业务数据、信息安全信息、

15、业务故障信息等应用接入模块应用接入模块: 实现实现M2M应用系统到应用系统到M2M平台的接入平台的接入业务处理模块业务处理模块: 是是M2M平台的核心业务处理引擎，实现平台的核心业务处理引擎，实现M2M平台系统的平台系统的业务消息的集中处理和控制业务消息的集中处理和控制Web模块模块: 提供提供Web方式操作维护与配置功能方式操作维护与配置功能M2MM2M终端获得了信息以后，本身并不处理这终端获得了信息以后，本身并不处理这些信息，而是将这些信息集中到应用平台些信息，而是将这些信息集中到应用平台上来，由应用系统来实现业务逻辑上来，由应用系统来实现业务逻辑。把把感知和传输来的信息进行分析和处理，感

16、知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现智能化的管做出正确的控制和决策，实现智能化的管理、应用和服务理、应用和服务M2MM2M系统结构的特点与影响1.1.多数性多数性设备的数量在数量级上的增加将导致应用程设备的数量在数量级上的增加将导致应用程序结构和网络负载的压力序结构和网络负载的压力移动网络在设计时并没有考虑这些移动网络在设计时并没有考虑这些M2MM2M设备设备2.2.多样性多样性M2MM2M应用程序的实现导致了大量有多种需求的应用程序的实现导致了大量有多种需求的设备的出现。设备的出现。带来异构性，对互操作能力是一大挑战带来异构性，对互操作能力是一大挑战3.3.不可见性不可

17、见性设备必须很少或不需要人的控制，这就要求设备必须很少或不需要人的控制，这就要求设备管理被无缝地集成到服务和网络管理中。设备管理被无缝地集成到服务和网络管理中。M2M系统结构的特点与影响4.4.临界性临界性一些应用（如智能电网上的电压、生命保一些应用（如智能电网上的电压、生命保障系统等）在延迟和可靠性上有严格要求，障系统等）在延迟和可靠性上有严格要求，这将挑战和超越现代网络的能力这将挑战和超越现代网络的能力5.5.隐私问题隐私问题设备管理被集成到通信系统中，意味着对设备管理被集成到通信系统中，意味着对于设备上数据的隐私问题和安全问题成为于设备上数据的隐私问题和安全问题成为人们关注的问题之一人们

18、关注的问题之一从技术层面看，各环节发展现状及主要难点各不相同1.现状：能满足部分应用 短距离为主，嵌入式基本实现，功耗有待改进，目前能满足部分应用2.难点：技术标准及成本成为障碍 技术协议和标准存在多种，且各有优劣，目前处于混战 由于技术的发展不足以支撑终端成本的下降，成本成为重要障碍因素3.热点：业内关注ZigBee和RFID ZigBee功耗低，成本低50美分，组网方便，但缺乏安全规范及完善的标准 RFID成本高，无源单向，未来重点研究超高频和有源RFID，推向民用应用域网络域终端域1.基础网络层面：能够支撑从带宽、网络结构方面，基本能够支撑。未来对于流量的增加应如何合理利用带宽和网络资源

19、成为业内关注热点2.业务网络层面：支撑层从垂直向水平融合存在不足，需要搭建水平分层业务网络体系目前IP资源的紧缺1.借助云计算等新的运算处理系统来处理信息和辅助决策2.复杂的应用层语言环境、内容管理等要求1.传感网和通信网的无缝连接2.统一的协议栈1.上下文感知技术2.信息和数据集成处理技术终端及网络的融合网络与应用的融合M2M技术组成M2MM2M涉及到涉及到5 5个重要的技术部分，包括：个重要的技术部分，包括：智能化机器智能化机器M2MM2M硬件硬件通信网络通信网络中间件中间件应用应用1.智能化机器实现实现M2MM2M的第一步就是从机器的第一步就是从机器/ /设备中获取设备中获取数据，然后把

20、它们通过网络发送出去。使数据，然后把它们通过网络发送出去。使机器机器“开口说话开口说话”，让机器具备信息感知，让机器具备信息感知能力、信息加工（计算能力）、无线通信能力、信息加工（计算能力）、无线通信能力。能力。使机器具备使机器具备“说话说话”能力的基本方法有两能力的基本方法有两种：种：生产设备的时候嵌入生产设备的时候嵌入M2MM2M硬件硬件对已有机器或设备进行改装，使其具有通信能对已有机器或设备进行改装，使其具有通信能力力M2M设备的特征1.1.功能受限功能受限大多数大多数M2MM2M设备的计算、存储能力要比目前出设备的计算、存储能力要比目前出现的笔记本电脑或手机低几个数量级现的笔记本电脑或

21、手机低几个数量级2.2.低功率低功率多数位于室外，不能轻易与电源相连多数位于室外，不能轻易与电源相连这将减少这将减少M2MM2M程序之间的交互次数程序之间的交互次数3.3.嵌入式嵌入式部署后很难改变部署后很难改变4.4.保持不变保持不变设备更换率低设备更换率低2.M2M硬件M2MM2M硬件是使机器获得远程通信和联网功能硬件是使机器获得远程通信和联网功能的部件。主要用于进行信息的提取，从各的部件。主要用于进行信息的提取，从各种机器设备那里获取数据，并传到通信网种机器设备那里获取数据，并传到通信网络。络。现在的现在的M2MM2M硬件共分为硬件共分为5 5种：种：嵌入式硬件：嵌入到机器中，使其具有网

22、络通嵌入式硬件：嵌入到机器中，使其具有网络通信功能。常见的产品是支持信功能。常见的产品是支持GSM/GPRSGSM/GPRS或或CDMACDMA无无线移动通信网络的无线嵌入数据模块。线移动通信网络的无线嵌入数据模块。可组装硬件：在可组装硬件：在M2MM2M的工业应用中，厂商拥有的工业应用中，厂商拥有大量不具备大量不具备M2MM2M通信和联网能力的机器，可组通信和联网能力的机器，可组装硬件就是为满足这些机器的网络通信能力而装硬件就是为满足这些机器的网络通信能力而设计的。包括从传感器收集数据的设计的。包括从传感器收集数据的I/OI/O设备，设备，将数据发送到通信网络的连接终端，有些将数据发送到通信

23、网络的连接终端，有些M2MM2M硬件还具备回控功能。硬件还具备回控功能。调制解调器：嵌入式模块要将数据传送到移动调制解调器：嵌入式模块要将数据传送到移动通信网路，起到的就是调制解调器的作用。如通信网路，起到的就是调制解调器的作用。如果要将数据通过公用电话网络或以太网送出，果要将数据通过公用电话网络或以太网送出，则需要相应的则需要相应的ModemModem。智能传感器：具有感知能力、计算能力和通信智能传感器：具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器。由智能传感器组成的传感能力的微型传感器。由智能传感器组成的传感网络是网络是M2MM2M技术的重要组成部分。一组具备通技术的重要组成部分。一组具备

24、通信能力的智能传感器以信能力的智能传感器以Ad HocAd Hoc方式构成无线网方式构成无线网络，协作感知、采集和处理网络覆盖的地理区络，协作感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息并发布给观察者；也可以域中感知对象的信息并发布给观察者；也可以通过通过GSMGSM网络或卫星通信网络将信息传给网络或卫星通信网络将信息传给ITIT系系统。统。识别标识：如同每个机器，每个商品的识别标识：如同每个机器，每个商品的“身份身份证证”，使机器之间可以相互识别和区分。常用，使机器之间可以相互识别和区分。常用的技术包括条形码技术，的技术包括条形码技术，RFIDRFID技术等。技术等。3.通信网络将信息

25、传送到目的地。通信网络在将信息传送到目的地。通信网络在M2MM2M技术技术中处于核心地位。包括：中处于核心地位。包括：广域网（无线移动通信网络、卫星通信网络、广域网（无线移动通信网络、卫星通信网络、InternetInternet、公众电话网等）、公众电话网等）局域网（以太网、无线局域网、局域网（以太网、无线局域网、BluetoothBluetooth）个域网（个域网（ZigBeeZigBee、传感器网络）、传感器网络）4.中间件中间件包括两部分中间件包括两部分M2MM2M网关：是网关：是M2MM2M系统中的翻译员，它获取来自系统中的翻译员，它获取来自通信网络的数据，将数据传输给信息处理系统。

26、通信网络的数据，将数据传输给信息处理系统。其主要功能是完成不同通信协议之间的转换其主要功能是完成不同通信协议之间的转换数据收集数据收集/ /集成部件：此部件是为了将数据变集成部件：此部件是为了将数据变成有价值的信息。对原始数据进行不同加工和成有价值的信息。对原始数据进行不同加工和处理，并将结果呈现给这些信息的观察者和决处理，并将结果呈现给这些信息的观察者和决策者。这些中间件包括：数据分析和商业智能策者。这些中间件包括：数据分析和商业智能部件，异常情况报告和工作流程部件，数据仓部件，异常情况报告和工作流程部件，数据仓库和存储部件等。库和存储部件等。5.应用 在在M2MM2M系统中，应用的主要功能

27、是通系统中，应用的主要功能是通过数据融合、数据挖掘等技术把感知和传过数据融合、数据挖掘等技术把感知和传输来的信息进行分析和处理，为决策和控输来的信息进行分析和处理，为决策和控制提供依据，实现智能化的制提供依据，实现智能化的M2MM2M业务应用和业务应用和服务。服务。传感器及其网络技术通信网络技术专用芯片、模块、终端技术M2M平台技术它们之间的结合技术实现M2M主要涉及的关键技术IPv4地址正在急速消耗，预计将于2011年底告罄 。M2M技术的出现，使得数以亿计的M2M设备接入进网络 。IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。设备众多地址耗尽解决方法IPv6技术是M2M通信网络

28、的重中之重可以说IPv6构筑M2M的基础。管理流业务流并行模式M2M应用模式管理流业务流分离模式 WMMP(Wireless M2M Protocol)协议是为实现M2M业务中M2M终端与M2M平台之间、M2M终端之间、M2M平台与M2M应用平台之间的数据通信过程而设计的应用层协议 。描述了M2M终端的基本要求规定了WMMP协议对M2M终端的要求提出了M2M终端的性能要求和安全性要求5.3 M2M应用 为了解决各行业需求，M2M的业务模型由三部分组成：行业终端、移动通信网络、M2M应用平台。目前全球M2M应用主要集中于三大行业和三大领域公共事业公共事业/ /服服务务交通运输交通运输个人用户个人

29、用户批发零售批发零售工业工业/ /制造业制造业商业商业/ /服务业服务业农业农业开采开采/ /建筑建筑金融金融定位/跟踪/导航安全/监控移动支付及管理自动化和远程管理计量/检测远程医疗重点应用重点应用日韩一直以推动个人业务为核心，公共事业刚刚起步以支撑U-Japan和U-Korea计划 系统由监护终端设备和无线专用传感器节点构成了一个微型监护网络。医疗传感器节点用来测量各种人体生理指标。传感器节点将采集到的数据，通过无线通信方式将数据发送至监护终端设备，再由监护终端上的通信装置将数据传输至服务器终端设备上，由专业医护人员对数据进行观察，提供必要的咨询服务和医疗指导，实现远程医疗。数据采集部分管理及业务平台传输部分负责采集电表数据传输数据的通道管理及应用无线抄表系统无线通信网络技术信息采集技