移动物联网架构网络层方案研究

陈健，周维，刘昭

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 移动物联网体系架构

移动物联网通过装置在各类物体上的SIM卡、传感器、二维码等，经过接口与无线网络相连，给物体赋予智能，可实现人与物体间和物体与物体间的沟通和对话。从体系架构来看，物联网可分为感知层、网络层和应用层组成，如图1所示。

感知层负责感知识别物体和采集捕获信息，相当于物理接触层，包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器和M2M终端、手持终端、传感器网络和传感器网关等。

网络层负责信息的传递与处理，包括各种通信网络与互联网组成的物联网业务控制与传送网络，还包括物联网管理中心、信息中心、专家系统等对海量信息进行智能处理的部分。

应用层负责将物联网技术与行业专业技术相结合，提供智能化业务应用，目前主要提供的业务包括监控服务、智能电网、工业监控、绿色农业、智能家居、环境监控、公共安全等。

图1 物联网的三层参考体系架构图

2 运营商提供物联网业务的模式

电信运营商在移动物联网体系架构中，主要提供网络层服务，即利用已建的通信网络承载物联网业务。

（1）纯通道模式：面向系统集成商，为物联网用户提供数据通道和基础通信服务如短信，对终端及应用不具备管理职能，该模式实现较简单，但运营商对业务控制能力很弱，在出现故障时无法区分是网络还是终端的问题，影响用户体验，并带来服务成本的大幅提升，且客户粘性低。当前国内运营商主要采用纯通道模式；

（2）智能通道模式：网络除了提供基本通信能力之外，还提供终端通信状态管理和终端管理等职能，运营商可为用户提供差异化服务，提升客户满意度，客户粘性较高，有利于物联网业务规模化发展；

（3）集成应用模式：面向最终客户提供集成业务应用，叠加在智能通道模式之上，满足用户各种物联网应用的需求。

3 物联网网络层现状

目前移动运营商均利用已有的2G/3G网络为物联网用户提供服务，物联网终端与手机终端使用相同的MSISDN和IMSI，其签约信息与手机用户混存在现网HLR中。物联网终端通过2G/3G无线网、核心网、短消息中心、行业网关与物联网应用平台互通，使用业务。如图2所示。一些运营商为提高物联网业务质量、解决纯通道模式面临的部分问题，在网中部署了M2M平台，该平台处于GGSN、行业网关与物联网应用平台之间，通过该平台实现对终端的管理等职能。

图2 物联网网络层现状

4 网络层建设方案研究

物联网对于电信运营商的战略发展有着重要意义，发展物联网建设不仅有利于运营商快速推出物联网应用、扩大市场规模，也有利于其形成在物联网市场上掌握话语权、占据主导地位。因此，运营商不仅需要为物联网应用提供纯通道服务，更应积极向智能通道模式、集成应用服务模式迈进，也就是说，网络层不仅是提供通信的管道，而且要向智能管道演进。

以下方案分析仅针对移动运营商将要开展的智能通道业务和集成应用业务，对于现有的物联网应用建议继续保持现有业务疏通方式。

4.1 网络层组成

物联网网络层是指各种通信网络与互联网形成的融合网络，当前主要是以移动通信网络和有线接入的通信网络为主。网络层分为基础网络和支撑平台，其中基础网络包括接入网、核心网和承载网；支撑平台包括运营支撑平台和业务支撑平台。

4.2 基础网络建设方案分析

4.2.1 无线接入网

考虑到无线侧目前不能区分出接入的终端是人还是机器终端，无线接入网将由现网设备兼做，不新建专用物联网无线接入设备。

4.2.2 核心网

对于MSC Server和SGSN来说，在共用无线网的情况下，无线网目前无法区分用户类型，将物联网用户接入到专属MSC Server和SGSN，因此，MSC Server和SGSN须利用现网网元。HLR、GGSN和SMSC既可新建，也可利用现网网元，但利用现网网元时，由于智能通道的需求，HLR、GGSN和SMSC均需进行升级改造以满足物联网的需要。

对于HLR、GGSN和SMSC是否新建专属网元，可以从以下几方面考虑：

（1）码号管理：为确保物联网发展丰富的码号资源，物联网将采用专属的码号资源。单独建设物联网专属HLR可便于对专属码号的支持及码号的统一管理、规划；

（2） 业务发展：物联网业务目前在移动性和实时在线上与现网业务不同，对网络也提出了新要求，未来物联网业务还将对网络提出新的扩展需求，为保证物联网业务的开展，单独建设物联网网元可便于新功能的扩展和快速提供；

（3） 规划建设：物联网未来将发展大量的终端，物联网应用的业务模型与现网业务差别较大，单独建设物联网网元可便于容量的规划和建设；

（4） 运维管理：专属网元有利于集中运维、集中管理。现网业务与物联网业务独立运行，不相互影响，有利于保证物联网的质量、畅通和效率；

（5） 对现网影响：建设专属网元可以最大程度上避免对现网业务的影响。为了支持物联网的通信管理和通信鉴权等功能，HLR、GGSN和SMSC均需进行相应的改造，届时可能对现网业务产生影响；

（6） 业务质量：独立建设物联网专属网元，可保证物联网的质量、畅通、效率、时延等。

因此，考虑到物联网业务模型与现网的差异，为了便于网络规划和建设、便于物联网新功能的快速部署及现网稳定、便于物联网码号的扩展、便于物联网的运维管理降低投资成本，核心网除MSC和SGSN利用现网设备外，建议单独建设物联网专属网元：M-HLR、M-GGSN、M-SMSC。

4.3 运营支撑平台设置方式建议

运营支撑平台应为物联网应用提供终端管理、通信管理、协议转换、路由转发、业务鉴权等能力。即运营支撑平台具有物联网业务的通信疏导功能和服务管理两部分功能，也就是说运营支撑平台可以分为物联网业务网关和运营管理平台两部分。

通过建设运营管理平台提供物联网业务管理功能，增强物联网业务管理能力，为用户提供终端卡状态查询及终端管理等增值服务能力；支撑终端厂家通过该平台提供终端维护、升级等管理服务；支撑应用厂家通过该平台提供的在线状态查询等能力提供更灵活的应用服务。

通过物联网业务网关提供统一接入，增强通信能力，为应用提供统一的系统接入能力，应用平台只需接入网关即可实现短信、GPRS等通信能力调用，如可实现运营管理平台、位置平台等应用能力调用，无需系统一一对接；便于提供业务鉴权、通信代理等增值服务，便于全面掌握物联网业务流量，提供更好的通信保障。

4.3.1 运营支撑平台的设置方式

运营支撑平台的两部分功能既可以采用综合设置在同一物理实体中的方式，也可以采用独立设置的方式，即建设独立的物联网运营管理平台和业务网关。表1为两种设置方式的方案比较。

表1 两种设置方式的方案比较

从长远发展看，建议在物联网网络层建设中分别设置物联网运营管理平台和业务网关，如图3所示。

4.3.2 物联网运营管理平台设置方式

目前，物联网运营管理平台的功能需求以完成终端通信状态管理和终端管理为主。物联网运营管理平台设置方式分为：方案1，集中建设全网运营管理平台。方案2，分省建设运营管理平台。

图3 设置方式

从实现“终端通信状态管理”的角度分析，以“终端通信状态管理”为主的“智能通道”业务是近期物联网业务发展的重点，且“终端通信状态管理”没有行业个性化需求，因此，“终端通信状态管理”的实现适于集中建设；集中建设便于业务标准化、便于业务统一运营管理。此外，由于物联网业务的ARPU值较低，集中建设可以降低成本。

从实现“终端管理”的角度分析，“终端管理”与应用相关，而大部分物联网应用都将分布在各省分别建设，因此分省建设实现“终端管理”更加灵活方便,对于响应市场需求会更快，有利于满足各省个性化管理需求，也便于各省开展各自的物联网应用。

为此，物联网运营管理平台的建设模式建议采用全国和省两级架构，即全网运营管理平台和省运营管理平台，全网运营管理平台集中建设，省运营管理平台在各省建设。

4.3.3 物联网业务网关设置方式

物联网业务网关需连接基础网络网元、运营管理平台、应用平台以完成终端接入、应用接入、智能路由、业务鉴权、能力调用、通信代理等，实现智能通道业务功能统一封装和能力开放。

物联网业务网关为一个新系统，需要相关设备厂家根据相关的规范进行研发。网关既可以新建，也可以采用改造现网适宜的设备的方式。

考虑到物联网网关与现网网关的功能差异，以及新建物联网业务网关可以实现物联网业务与现网业务独立运行、互不影响，有利于物联网新功能的快速提供及演进，有利于物联网业务容量规划和建设，有利于物联网业务的运维管理，建议新建物联网业务网关。

4.4 业务支撑平台的建设原则建议

业务支撑平台包括计费系统和网管系统。计费系统应做好为物联网应用提供计费、分账、统计等工作。网管系统需实现物联网相关网元的管理，并逐步将网管能力封装后向物联网运营支撑平台开放，根据网管提供的信息丰富增值服务内容。

4.5 网络层架构

总结以上的网络层建设方案分析，机器通信和人的通信将共用接入网；核心网应建设物联网专属HLR、GGSN和SMSC；业务网应为物联网建设独立的物联网网关和运营管理平台；业务支撑平台需要建设物联网运营支撑平台。物联网的网络层架构如图4所示。

图4 物联网网络层架构

5 小结

运营商在发展物联网业务上要做好从提供纯管道到提供智能通道的转变，首先要集中建设一批物联网基础网络平台，确保物联网的质量、畅通、效率和时延，其次，搭建和完善可管可控的运营支撑平台，形成并增强智能通道和集成应用运营能力，第三，要建设好业务支撑平台，做好物联网的计费、分账、统计和管理工作。