适用于物联网业务运营商智能管道改造方法简析

摘要：21世纪过去的十年，是互联网业务覆盖领域迅猛扩张，业务飞速发展的十年。运营商也感受到了产业转型和被边缘化的阵痛。传输管道智能化改造有助于运营商发挥规模优势，实现流量收益和管道价值的紧密耦合。物联网业务平台为运营商管道智能化改造提供了绝好的实验环境，针对物联网业务的智能管道改造可以大致分成按需提供接入技术、连续可控的融合接入能力提供和网络能力开放三个阶段。

1 引言

21世纪过去的十年，是互联网业务覆盖领域迅猛扩张，业务飞速发展的十年。互联网应用已经渗透进人们日常生活的点点滴滴，改变着人们生活方式的方方面面。应用的发展同时伴随内容的极大丰富：视频业务向着高清化发展、P2P内容愈发普遍、云计算更有海纳百川的"野心"。移动通信技术更将互联网产业引入全新的层面，随着智能手机终端硬件能力、软件能力和网络能力的不断提升，互联网真正实现了位置上"无处不至"和业务上"无所不为"的全覆盖。

互联网公司的欣欣向荣，映衬着运营商的默默无闻。伴随着移动通信进入3G时代，运营商渐渐感受到产业转型的阵痛。一方面传统语音业务持续萎缩，而数据业务及收入的放量增长并不足以填平语音业务下滑所造成的差额；另一方面，经过十数年的高速增长之后，全球移动和宽带用户数量增长开始放缓，饱和趋势越发明显。照此看来，通信运营商网络与业务分离将成大势所趋。

互联网的发展并不意味着传统网络运营商会被边缘化。通过服务转型，拥有"第三方"传输网络和用户等优质资源的运营商仍可在全新的信息产业生态系统中发挥举足轻重的作用。运营商需要从提供语音通信业务与上网管道的传统业务模式中摆脱出来，重构新网络体系结构下的业务服务模式。在对业务数据进行分类与识别的基础上，运营商可以为用户业务提供更经济的传输管道和更贴近需求的策略和服务质量，最终转型成为网络能力可开放、QoS指标可量化、资源可动态、按需配置的智能化信息基础设施服务提供商。考虑到业务延续性，这一转型过程很难直接到现有的业务平台上实现，而仍处于发展初期的物联网业务恰好是最佳的智能管道业务部署和验证平台，同时也为运营商获得物联网产业链上的优势位置打下坚实的基础。

2 浅析量收剪刀差与移动互联网时代下的运营商策略

随着互联网业务发展和终端智能化程度的提高，用户对网络的使用频度也越来越频密，业务数据量不断提升，于是就出现了运营商所谓的"流量收入剪刀差"不断扩大的困局。根据权威数据显示，截至2010年底，中国电信宽带接入业务收入是2004年4.6倍。宽带流量却是2004年的41倍，接近收入增长倍数10倍。

"量收剪刀差"是否是一个描述运营商网络负荷和运营收入关系的合适参数呢？通过分析可知，要保证流量和收入的同幅度增长，最简单的方法就是使用单一费率的按流量计费，例如中国移动现有的1元/MGPRS无套餐资费标准。不用任何网络升级，甚至还可以取消各种复杂的资费套餐，就可以解决"量收剪刀差"的问题，但相信没有任何运营商会采纳这一解决方案，相反数据流量越大，流量单价越便宜却是普遍的共识，固网运营商更大多采用包月的互联网接入资费。因此，我们至少可以得出"量收剪刀差"并不能准确体现运营商网络运营的现实问题这一结论。

运营商真正感到担忧的可能是在移动互联网新环境下对业务控制能力的缺失和对数据流量的被动承载。可以预见，随着移动互联网服务的继续丰富，网络带宽与QoS能力的继续提升，运营商传统上的语音短信业务很可能被互联网业务提供商渗透甚至取代。运营商服务被限定在接入和传输层面，对用户来说成为越便宜越好的"生活成本"，这显然不符合运营商对自身在移动互联网时代的定位和预期。

相比于互联网企业，运营商显得封闭和保守，缺乏灵活与创新，不可能去不断适应一个又一个全新的互联网商业模式。与其说运营商应努力缩小"量收剪刀差"，不如说运营商应改变原有对网络流量粗放的管理方式，实现流量收益和管道价值的紧密耦合。因此，运营商不能跟随在互联网企业后面谈变化、谈创新，而是应该立足于自身规模优势以及网络和用户资源，将服务思路从传统意义上为用户提供通信服务和互联网接入，转变成为用户差异化的通信和信息化需求提供高效适用的信息基础设施支撑。通过重新认准定位，可以更加精确的把握自身优势资源和创新方向，智能管道概念的提出和实验是运营商应对互联网环境新挑战的最新尝试。

3 智能管道关键技术和部署方法

智能管道是网络运营商面对互联网竞争环境对自己运营系统全面改造的一个形象化的统称。智能管道通过为硬管道引入"软实力"，以适应用户、终端、业务趋向复杂的运营环境构造业务可识别，网络资源可控制、可调度和网络能力可开放的适应于互联网业务提供的信息基础设施和对应的服务。改造对象并不只局限在传输管道，而是从网络设施和网络功能两个维度进行相互依存、协同并举的优化和升级。网络设施方面指的是管道，包含接入网、核心网和业务网的端到端控制信道和业务管道。网络功能体现智能，主要包括在用户和业务感知、策略控制、资源调度和网络能力开放。

图1所示的智能管道能力模型中相关的关键技术包含以下几个方面：

     图1 智能管道能力模型示意图

(1)灵活接入能力：用户可以在不同位置采用不同终端，根据业务需求和签约约束，选择最高性价比的宽带接入方式(固定，3G/LTE，Wi-Fi)。
     (2)差异化服务能力：端到端差异化管理能力，保障业务体验，优化网络流量。差异化的服务体现在对用户分等级或针对特定业务质量体验的提升。差异化服务的最终状态应该指向动态的按需服务。
     (3)资源调度能力：根据用户价值和业务体验需求调配资源，保证业务体验所需的合理资源。资源调度的依据可以是签约、开放的策略平台或网络探测到的动态信息。
     (4)多维感知能力：收集用户、业务和网络感知信息，进行离线分析，并作为业务资源动态调度决策的输入参数。
     (5)管道开放能力：将管道的差异化服务和按需指配能力作为API进行开放，包括用户和SP/CP，自行或合作运营一些增值服务，让服务对象不再直接面对硬管道，而是感受可靠、高效的信息基础设施服务体验。

智能管道建设是一个长时间的过程，每推进一步都要考虑现实和未来需求的平衡，即每应用一项智能管道技术，在验证其是否满足现有用户和业务需求之外，还要考虑该技术对未来新用户和新业务会产生怎么样的影响。物联网业务做为运营商未来潜在的蓝海市场，是智能管道不能回避的服务对象。同时，作为运营商未来市场发展的三个重要方向中的两个，物联网和智能管道的结合或许可能会发生令人惊奇的"化学反应"。

从智能管道的角度来看，新技术方案需要经由实际业务运行进行验证，直接通过现网运营的人与人业务(如话音、短信和上网等)进行实验，必然要承担相应的风险，顾虑难免比较多，而物联网业务这样一个全新的业务是绝佳的实验平台，有利于加速推动智能管道的技术创新；同时物联网业务种类相对有限，用户需求明确，便于运营商进行提取和整理，物联网业务终端数量和数据量也完全能满足研究的统计需求。

从物联网业务角度来看，物联网终端行为的随机性较低，可控性较强。因此将目前智能管道比较成熟的技术应用到物联网业务中，可能会获得比普通人与人业务好得多的优化效果，势必将大大提高物联网用户的体验满意度，运营商网络的价值得以充分展示，扭转业界对运营商网络"傻管道"的固有观念。以智能管道驱动物联网产业，让获得实际利益的物联网用户有动力不断深入发掘自身需求，合作开发出更新更好的管道使用方式和网络能力开放方式，把物联网业务从一开始就做成运营商的新的强势产品。

4 物联网业务模型

按照不同的业务流量特征，可以把物联网业务分为移动视频监控、智能抄表、一般监控、突发报警、移动支付几类。

4.1 移动视频监控类

移动视频监控是指前端(摄像头)采集的信号通过移动网络传送到业务服务中心。用户通过手机终端对监控现场进行查询和控制。手机终端主要实现客户端的视频查看和浏览功能，以及实时的控制功能，无线网络主要承载从网络侧下载的视频，上行主要承载终端对视频源的控制信号。

移动视频监控业务，广泛用于公安指挥车、交通事故勘探车、消防武警现场指挥车和海关、油田、矿山、水利、电力、金融、海事，以及其它的紧急、应急指挥系统，主要作用是将现场的实时图像传输回指挥中心，使指挥中心的指挥决策人员如身临其境，提高决策的准确性和及时性，提高工作效率。上述领域中，可以归纳为移动视频监控类的业务，包括移动全球眼业务，输配电设备监控等各类监控业务中紧急情况下启动的视频监控业务，智能医疗中上传人体图像的应用。

4.2 智能抄表类

智能抄表类业务的实现方式是指在一段时间内上传大量数据，可以是网络端请求的上传，也可以是终端周期性的定时上传。上述领域中，电网智能抄表业务属于智能抄表类外，未来的智能水表，智能燃气表也属于智能抄表类。此外，智能公交刷卡系统的结算业务也属于智能抄表类，智能电子收费系统每日结算方式的业务属于智能抄表类，移动支付终端上传信息也可归于智能抄表类业务。

4.3 一般监控类

一般监控类业务的特征是指终端会上传小量数据，上述领域中，属于一般监控类的业务包括：

(1)智能电网的输配电设备监控。(2)智能交通中的车务通业务。(3)智能物流中的车辆跟踪，货品监控。(4)环境保护中的污染源、水质、大气监控。(5)工业监控中的油井远程监控。(6)医疗卫生中的家庭远程监控。(7)精细农牧业中的农业监控。(8)金融服务中的移动售货机发送货品信息。(9)公共安全服务中的路灯监控。

一般监控业务是M2M业务中应用最为广泛的一类，大多数的监控业务都可以归结到这一类。

4.4 突发报警类

突发报警类业务属于突然发生的紧急业务，具有比一般业务更高的优先级，所告警的信息需要马上被看到。上述领域中属于突发报警类的业务包括智能电网中的低电压和变压器设备防盗预警业务，电梯卫士业务，自动售货机货品缺失报警业务。一般监控业务达到紧急情况下也会触发突发报警业务，例如危险源的泄露，智能家居中的安防报警等。

突发报警业务的实现方式有两种，一种是上传视频来报警，另一种是上传数据进行报警。

4.5 移动POS类

与其他业务相比，移动POS类业务属于交互类的业务，具有特殊的业务交互过程。用户在使用该业务过程中，可能要经过多种数据的交换。比如，首先要对身份进行验证，通过后才能进行支付过程，如果不能通过，可以有重验证过程。在支付过程中，也有移动终端和业务中心的交互，根据不同的交互结果，产生的数据是不相同的。

表1从数据流量、服务质量(QoS)、移动性和能力开放4方面分析了物联网业务对运营商网络服务可能的需求点。

表1 物联网业务网络能力需求分析
    

从表1中可见，抄表类业务周期性的产生较大的数据量，对核心网的数据面造成拥塞的影响；一般监控类业务数据量虽低，但会频繁向终端发送小量的数据包以检测其实时状态，这一行为造成极大的信令面开销，同时这两类业务的终端接入点固定、传统的"Best effort"服务能力即能满足业务需求。因此，此类业务数据应从移动网络中分流出去，一方面可以解决比较宝贵的无线和核心网资源。另一方面，通过降低流量成本也可以为用户提供更具性价比的网络服务。

有关网络能力开放方面，3GPP现有研究提出了几种针对物联网应用需求对网络服务进行改进和开放的解决方案，包括低移动性、时间受控和网络监测服务等。但就目前而言，业务提供商对运营商网络能力的需求，运营商开放网络能力提供方法等问题仍不明朗，仍有待后续研究进一步揭示。

5 基于智能管道的物联网应用网络体系结构

针对物联网业务实现智能管道的部署，可能会对智能管道这一项目乃至对运营商在转型期间的整体布局带来令人惊异的收获。因为物联网业务类型较少、终端行为简单，少量的优化调整可带来全面的质量提升，此外，无论是企业自身或第三方SP部署物联网业务，都必须重新与运营商协商通信基础设施服务的提供方式，多行业间物联网数据互通更是不能离开运营商这个"独立的第三方管道"。运营商势必获得更多的主动权。

根据上文的分析，物联网业务可以分为对服务质量要求不高的普通监控和抄表类业务，有服务质量要求和移动性要求的视频监控、突发报警和移动支付类业务。如图2所示，根据目前运营商具备的接入技术，我们可以使用Wi-Fi接入(可根据部署场景酌情考虑FEMTO)将普通监控和抄表类业务的数据分流出去，只提供最基础的鉴权等管理功能，减少此类业务对3G/LTE接入网和核心网的压力，同时也通过较低资费水平吸引更多的用户。较为宝贵的3G/LTE网络资源优先保障视频监控、突发报警和移动支付类的物联网业务，再加上一些网络能力的综合使用，可以给高端用户良好的业务体验。通过对物联网业务的分流，可以获得扩大普通用户基数和提升高端用户认可度的双重收益。

     图2 不同接入承载不同类型的物联网业务示意图

利用不同的接入技术实现对不同业务的分流是智能管道应用的开端。接下去的工作可以向着接入融合和能力开放的方向进行，物联网智能管道应用的中远期部署与运营商整体智能管道建设方向是一致的，可以互相借鉴，互相渗透。

所谓接入融合就是将多种接入技术有机地结合起来，让用户可以在兼具多种优点的接入服务中进行灵活的选择。物联网业务早期必须在BE模式的Wi-Fi接入和价格昂贵的3G/LTE接入中做二选一。一旦签约，业务和管道即成绑定，无法根据对业务需求的进一步细分来动态微调业务可获得的网络服务。而接入融合的目标是在Wi-Fi和3G/LTE之间按照服务质量高低和移动性能力强弱组织一条连续的接入服务谱系，让每一个业务都找到自己最合适的接入服务。融合接入涉及的关键技术包括多种接入技术间的互操作、业务数据流的灵活控制，以及融合PCC等(见图3)。

     图3 物联网多接入融合结构

Wi-Fi和LTE接入间的互操作是3GPP SA2工作组在R11阶段的重点工作内容，相关的研究课题包括：

(1)LOBSTER。主要研究采用S2b和S2c接口的WLAN接入场景时，选择接近用户的ePDG和网管尽快的实现数据分流，同时保证业务连续性。
     (2)SaMOG。研究WLAN作为可信任的非3GPP接入，经由支持GTP的S2a接口接入EPC网络涉及的连接建立、地址分配、QoS、切换管理和去激活等一系列的流程。
     (3)IFOM。研究用户终端在不同的接入连接间共享PDN连接和IP地址的相关机制。IFOM支持同一应用的不同流走不同的接入。
     (4)MAPCON。研究如何维护同时建立在不同接入上的不同PDN连接，以及PDN连接在不同接入上的切换。
     (5)3GPP-BBF FMC Workshop。研究固网接入EPC网络(可信任的或不可信任的)的场景，解决固网接入时的架构、安全和QoS控制(固移融合的策略控制)等问题。

所谓能力开放指的是构建在多接入融合基础之上的统一的网络能力开放平台。能力开放平台在早期可能仅是3G/LTE系统的专利，随着多接入的日益融合，能力开放平台发出的操作指令可以适配成为不同网元都可以对应识别的网络控制信令。在不违反一般规律的前提下，无论物联网终端选择怎样的接入，漫游到什么位置，都应能适用其请求的网络能力需求，并通过网元的具体行为反映在用户体验方面。可以说在统一的产业生态下进行关键能力的交换过程，组成物联网参与者之间的全部关系。能力开放的研究难点体现在如何选择向用户开放的网络能力，以及如何实现一个可以根据用户需求和网络实际进行调整的能力开放服务平台。

物联网业务特征明显，有关物联网业务对网络能力的需求已经在3GPP SA1研究完成(R10阶段)，3GPP SA2工作组正在开展相关解决方案的研究，工作项目代号为SIMTC。R10阶段完成了针对物联网终端拥塞控制的解决方案，目前正按照给定的优先级顺序逐次解决各个优化需求。R11阶段预计完成寻址和标识等基础性问题，有关针对机器类通信网络能力优化的议题要到R12后考虑。

能力开放平台的问题还处在预研阶段。主要考虑通过签约、Web远程适配和网络动态反馈的方式将网络能力API提供给SP/CP进行调用，开发出更加有吸引力的业务。就物联网业务而言，首先是引导用户将物联网业务部署到运营商的网络中，通过初步运营活动收集的业务数据向用户推荐适用的网络能力，借此逐步推进能力开放平台的成型和成熟。图4所示的是物联网业务提供的网络能力开发体系架构。

     图4 物联网业务提供网络能力开发体系架构

6 结束语

面对未来移动互联时代的竞争和运营，运营商与其盲从互联网企业进行创新，不如潜心发挥其规模优势；与其强调"量收剪刀差"，不如努力实现流量收益和管道价值的紧密耦合。物联网业务平台为运营商管道智能化改造提供了绝好的实验环境，运营商物联网业务和管道智能改造的相互促进，可能会产生令人惊奇的"化学反应"。

运营商利用物联网业务提供的契机催化了其自身管道智能化建设。反过来，智能化的管道将反作用于未来互联网、物联网、企业网和运营商传统业务网络的业务提供方式。未来处于云端的业务网络可能仅提供原子服务，原子服务在管道入口加以标准化和组合，传送到终端呈现给用户，服务于用户个性化、情境化的需求。