探讨物联网业务体系架构演进

　　1、引言

　　M2M是Machine-to-Machine/Man的简称，是一种以机器终端智能交互为核心的、网络化的应用与服务。通过在机器内部嵌入无线通信模块，为客户提供监控、指挥调度、数据采集和测量等方面的信息化解决方案。

　　物联网(Internet of things)是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与信息网络连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

　　与M2M相比，物联网将机器的通信延伸到物与物之间的通信，将有限的信息采集提升到信息的全面感知，将移动通信技术扩展为多种通信技术的结合，并最终将以机器通信为核心的服务发展到以物理世界信息化为核心的服务，在更多的应用领域中衍生出丰富多彩的物联网应用。

　　目前，物联网尚处于起步阶段，M2M是物联网现阶段主要的应用形式。为了实现M2M应用的标准化、规模化发展，以及端到端业务管理和运营支撑，国外的Orange、Vodafone、Telenor和国内的中国移动、中国电信等运营商已开始建设自己的M2M运营体系。但随着物联网应用的兴起，现有M2M运营体系已越来越难以满足物联网全面感知、信息汇聚、用户规模接入、端到端QoS等方面的需求。

　　为了解决以上问题，构建适合物联网应用发展的物联网业务体系架构，已成为当前M2M运营体系未来演进的必由之路。

2、现有M2M运营体系

　　M2M运营体系结构如图1所示。

　　M2M运营体系主要包括M2M终端、承载网络、运营系统和应用系统四个部分。其中M2M管理平台属于运营管理系统，是实现M2M业务管理和运营的核心网元，主要功能包括：

　　◆终端接入

　　连接通信网关和GGSN等网元，M2M终端可以采用SMS/USSD/MMS/GPRS等通信方式与管理平台进行信息交互。

　　◆应用接入

　　平台向集团客户应用系统提供统一接入接口，实现客户应用系统的接入、认证鉴权、监控和连接管理等功能。

　　◆终端管理

　　实现M2M终端的接入、认证鉴权、远程监控、远程告警、远程故障诊断、远程软件升级、远程配置、远程控制、终端接口版本差异管理的功能。 

　　◆业务处理

　　根据M2M终端或者应用发出的请求消息的命令执行对应的逻辑处理，实现M2M终端管理和控制的业务逻辑。M2M管理平台能够对业务消息请求进行解析、鉴权、协议转换、路由和转发，并提供流量控制功能。

　　◆业务运营支撑

　　提供业务开通、计费、网管、业务统计分析和管理门户等功能。

3、物联网对运营支撑的新需求和M2M管理平台的局限性

　　与M2M管理平台功能相比。物联网业务对业务运营支撑能力提出了更多新的需求，具体有以下几个方面：

　　(1)传感器网管理需求

　　通过与位于感知层和网络层之间的传感网网关信息交互，实现对传感器网络及节点的管理，包括传感网设备/服务发现、节点标识、状态管理、节点控制、任务协同和网络拓扑等管理功能。

　　(2)终端多种

　　通信方式接入的需求M2M通信协议主要支持移动网接入的终端，为了满足物联网终端接入的多样性需求，通信协议应扩展支持包括有线接八方式在内的多种通信技术。

　　(3)增强通道管理需求

　　物联网对通信网的要求已不再是单纯的通道，而要求通信网能够适应不同业务特性终端的通信需求，满足客户端到端QoS要求，并提供通信故障的快速定位和排除服务。

　　(4)信息聚合服务需求

　　信息聚合服务是物联网的未来主要服务形态，能够在获取海量信息的基础上，将信息经过存储、共享、挖掘、聚合，从而打破信息孤岛，提高信息的附加值，提升对物理世界、经济社会各种活动和变化的洞察力，实现智能化的决策和控制。

　　(5)应用生成环境需求

　　为降低物联网应用开发的技术门槛和成本。充分实现资源重用，推动物联网业务的迅速部署，需要运营商为物联网应用开发者提供可视化应用开发、编译、测试、发布和执行的应用生成环境。

　　综上。面对物联网业务不断涌现出的新需求，现有M2M管理平台在功能和架构上的局限性已愈发明显，关于物联网业务体系架构的研究成为了目前业内的热点。

4、物联网参考业务体系架构

　　4.1系统架构

　　基于对物联网业务运营支撑需求的梳理，结合现有M2M管理平台的技术方案，本文提出了一种物联网参考业务体系架构，如图2所示：

　　4.2功能模块

　　在物联网参考业务体系架构中，业务网是实现物联网业务能力和运营支撑能力的核心组成部分，本文重点对该部分进行详细阐述。业务网位于核心网与应用层之间，由通信业务能力层、物联网业务能力层、物联网业务接八层和物联网业务管理域4个功能模块构成，提供通信业务能力、物联网业务能力、业务能力统一封装、业务路由分发、应用接入管理、业务鉴权和业务运营管理等核心功能。

　　◆通信业务能力层

　　由各类通信业务能力平台构成，通过物联网业务接八层提供通信业务能力的调用，包括短信、彩信、WAP、语音和位置等多种能力。

　　◆物联网业务能力层

　　由各类物联网业务能力平台构成，通过物联网业务接入层为应用提供物联网业务能力的调用，包括终端管理、感知层管理、物联网信息汇聚中心、应用开发环境等能力平台。终端管理能力平台除了实现M2M管理平台的终端管理功能外，还提供对有线接入方式终端的管理功能。感知层管理能力平台实现传感器网络节点标识、注册、节点控制、状态管理、路由寻址、网络拓扑管理等功能。物联网信息汇聚中心收集和存储来自于不同地域、不同行业、不同学科的海量数据和信息，并利用数据挖掘和分析处理技术，为客户提供新的信息增值服务。应用开发环境为开发者提供从终端到应用系统的端到端应用开发、测试和执行环境，并将物联网通信协议、通信能力和物联网业务能力封装成API、组件/构件和应用开发模板。 

　　◆物联网业务接入层

　　原M2M管理平台同时承担了管理和业务处理的职能，为了使网元功能职责划分更加清晰，保证业务流的高效处理，在物联网参考业务体系架构中引入了物联网业务接入层，将通信业务能力和物联网业务能力进行封装，供业务能力的使用者统一接入和调用，并实现协议解析、协议适配、路由转发、业务鉴权等业务处理功能。为了实现增强通道功能。物联网业务接入层还提供增强通道执行功能。

　　◆物联网业务管理域

　　在物联网参考业务体系架构中，物联网业务管理域只负责物联网业务管理和运营支撑功能，原M2M管理平台承担的业务处理功能和终端管理业务能力被分别划拨到物联网业务接入层和物联网业务能力层。物联网业务管理域的功能主要包括业务能力管理、应用接入管理、用户管理、订购关系管理、鉴权管理、增强通道管理、计费结算、业务统计和管理门户等功能。增强通道管理由核心网、接入网和物联网业务接入层配合完成，包括用户业务特性管理、QoS管理和通信故障管理等功能。

　　为了实现对物联网业务的承载，接入网和核心网也需要进行配合优化，提供适合物联网应用的通信能力。通过识别物联网通信业务特征，进行移动性管理、网络拥塞控制、信令拥塞控制、群组通信管理等功能的补充和优化，并提供端到端QoS管理以及故障管理等增强通道功能。

　　4.3方案技术要点分析

　　(1)物联网业务模式的实现方案

　　物联网参考业务体系架构能够提供三类物联网业务模式。实现方案说明如下：

　　◆纯通道模式

　　运营商基于现有通信网络，提供的基本的通信通道服务。在该模式下，运营商提供不区分于人人通信的基本通信业务。

　　◆增强通道模式

　　运营商在通信通道的基础上，根据用户差异化服务需求，提供端到端QoS服务、通信故障管理定位等增值服务。其实现方案如图3所示。

　　物联网业务管理域通过管理接口，实现增强通道配置数据和故障管理指令下发功能，接入网、核心网、通信业务能力层和物联网业务接入层负责执行增强通道功能。客户通过业务管理域可以实现对终端通信故障的查询、定位和排除。 

　　◆应用集成模式

　　运营商提供的端到端物联网应用开发、集成、运营和维护服务，终端和应用系统采用运营商定义的物联网通信协议，接受物联网业务管理域的运营和管理，该模式下可以同时选择使用增强通道。其实现方案如图4所示。

　　终端、应用系统与物联网业务接入层分别采用标准的终端一接入层接口协议、应用一接入层接口协议，实现终端管理、感知能力管理信息和业务数据承载等功能。物联网业务接入层实现对应用系统和终端的接入，负责业务鉴权发起、协议解析、路由分发和协议适配功能。物联网业务管理域完成业务鉴权、计费等功能。

　　(2)对移动通信网优化的要求及部署策略

　　物联网对移动通信网的优化技术要求体现在增强通道特性上，具体包括：

　　◆适应不同业务特性终端通信要求

　　通过业务控制，能够充分有效的利用移动通信网资源，满足不同业务特性终端的通信服务要求。并有效缓解物联网终端大量涌入对网络造成的压力。

　　3GPP定义了16类物联网业务特征，要求移动网络根据终端签约的业务特征，进行相应的业务控制。这些业务特征概括为以下几方面：终端接入控制(根据时间段、延迟容忍度等，或只允许PS域接入)；业务发起方式控制(仅终端发起、仅网络发起、位置触发等)；会话管理(永远在线、业务结束后去激活、终端状态感知、状态变化告警等)；移动性管理(低移动、低功耗终端的移动性管理策略)；业务优先级控制；终端和服务器安全连接；用户群组通信管理。

　　这些业务特征大部分可以通过升级核心网得以实现，部分需要升级无线网。业务初期，可在物联网业务需求较集中的区域建设功能升级后的核心网元或升级原核心网元实现。

　　◆端到端QoS保证

　　要求核心网和无线网支持QoS功能，能够根据HLR中用户QoS签约参数，以及MS、BSS、SGSN和GGSN之间的协商决定MS的QoS特性。并通过网络资源的分配和调度最终实现QoS。

　　实际部署时，应统一建立物联网端到端QoS服务模型，确定业务服务质量从业务网到核心网、接入网的映射关系，以保证端到端QoS策略的一致性。

　　◆通信故障管理

　　要求网络维护用户终端通信状态，对于状态异常的终端应向物联网业务管理域发起告警，业务管理域能够对用户通信故障进行分析和排查。由于网络主动发起告警的功能对网络有较大改造量，可以采用业务管理域向网络定期获取终端移动性和会话状态信息的方式实现.或通过信令采集和分析的方式实现。

　　(3)物联网通信协议功能扩展和标准化问题

　　现有M2M通信协议主要完成M2M终端的注册、配置、控制、数据传输、告警和软件升级等功能。终端与M2M管理平台之间通常采用二进制协议报文接口。以减少对终端硬件资源要求；应用与M2M管理平台之间主要采用SOAP和RESTful接口。

　　物联网通信协议应该是对M2M协议功能的扩展和改进，同时应充分考虑协议的标准化问题。为了支持物联网业务需求，物联网通信协议主要扩展的功能包括：需支持对有线接入终端的管理，解决在有线接入条件下终端注册、认证、路由寻址、安全和NAT等问题；支持对传感器网关和感知外设的管理；支持对无线传感器网络技术的封装，实现对传感器网络和节点管理功能；支持终端到终端通信，以及终端之间自组织功能。

　　在标准化方面，目前业内尚未形成统一的物联网通信协议标准。在技术选择上，终端与业务网的接口有TR069、DM、CoAP和二进制协议报文等多种方案。

　　TR069和DM是已有协议，不适合资源受限终端，需要对协议进行扩展，并提供到终端应用和物联网应用的开放接口。CoAP是IETF正在研究基于REST架构的协议，由于硬件资源要求低，适合资源受限终端使用。二进制报文则是部分运营商M2M通信协议所采用的协议，适合资源受限终端。在业务发展初期，可能存在多种协议并存的情况，因此需要兼容和适配主流的物联网协议通信。

　　5、结束语

　　随着物联网新应用的兴起。M2M运营系统演进到物联网业务体系架构已成为业务和技术发展的必然趋势，也是运营商实现物联网应用规模化推广和聚合产业链资源的核心手段。

　　应该看到，目前业内关于物联网业务网架构的研究尚处于起步阶段，在业务需求、功能架构、关键技术、网络改造等方面还有很多问题有待解决，在标准化方面短时间内还难以形成统一的物联网标准体系。运营商应该引导建立多方共赢的商业模式，充分调用产业链各方的积极性，推动物联网业务体系架构的研究、建设和运营。