基于移动网络的机器通讯研究

吴险峰，王寅峰

（深圳信息职业技术学院软件学院，广东 深圳510000）

0 引言

物联网作为一项新兴的技术,已经引起国内学术界、工业界的高度重视[1]。机器通讯(M2M，Machine to Machine)属于物联网在现阶段的重要应用[2]。各标准组织如3GPP、欧洲欧洲电信标准化协会 (ETSI，European Telecommunications Standards Institute）和中国通信标准化协会 (CCSA，China Communications Standards Association)等都已经启动关于 M2M 的标准化工作，但总体而言仍处于初级阶段。针对 M2M 标准化进程中关键技术的分析和研究，对M2M未来的普及有着重要的指导作用。文献[3-4]对国内外 M2M 标准进展情况做了描述，文献[5-6]分别介绍了M2M国内应用情况和M2M终端标准化进展。但因为标准还在进行和完善中，原有的 M2M 部分重要技术草案有了不同程度的修订和变化[7-8]。考虑到3GPP类型的移动网络在全球占据绝对优势，本文重点研究3GPP定义的M2M技术。在 3GPP的定义中，M2M 也称为机器类型通信(MTC，Machine-type Communications)。

1 3GPP M2M研究概况

按照 3GPP组织的工作流程，一项技术标准的制定可分为研究项目(SI ，Study Item)和工作项目(WI ，Work Item)两个阶段。前者是可行性研究阶段，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其可行性做出评估，形成技术报告(TR，Technical Report)。后者是标准制定阶段，主要根据SI阶段的研究结论，在相应技术规范工作组(TSG, Technical Specification Group)依次形成技术规范(TS ，Technical Specification)，通过版本号进行区分。版本一旦冻结就不能再增加新特性，只能在原有基础上修订。到2011年10月，各阶段主要进展概况如表1示。

2 MTC基本架构

图1是R11阶段的最新3GPP MTC整体框架[11]。主要接口有：①MTCsp：负责 MTC功能模块（图中的MTC-IWF）和MTC的信令交互；②MTCi：通过Ip方式和MTC服务器连接；③MTCsms：通过网络短信方式与MTC服务器连接。

表1 3GPP M2M研究概况

图1 R11阶段MTC方案最新架构

MTC通讯分成3类模型：

1）间接模型（Indirect Model）分为2种情况。MTC服务器不在运营商域内，由第三方MTC服务提供商提供MTC通讯，MTCi、MTCsp 和 MTCsms是运营商网络的外部接口；MTC服务器在运营商域内，MTCi, MTCsp 和 MTCsms 是运营商网络内部接口。

2）直接模型（Direct Model）：MTC应用直接连接到运营商网络，不需要MTC服务器。

3）混合模型（Hybrid Model）：直接模型和间接模型同时使用。典型例子就是用户平面采用直接模型，而控制平面采用间接模型。

为了支持 MTC的间接模型和混合模型，3GPP专门定义了MTC交互功能模块（MTC-IWF，MTC InterWorking Function），主要完成功能：①终结MTCsp协议；②提供MTC服务鉴权；③对来自MTC服务器的控制平面请求进行授权，具体的请求消息种类还需要进一步研究；④为3GPP网络和MTC服务器之间的安全通讯提供支持；⑤需要进一步扩展的其他功能。

MTC-IWF可以是单独网元，或者是其他网元中的一个功能模块。由于只是研究报告，而不是最终的规范，网元还存在变数，后期可能根据需要增加新的网元。即使对于已有的网元如HLR/HSS、SGSN/MME、和GGSN/PGW等，都需要增加支持MTC通讯的功能模块。并且此框架还没有考虑漫游情况。

3 MTC接口协议栈

3.1 用户平面

如图2所示，MTC接入部分继续沿用已有协议，只是到了MTC 服务器就改成新的MTCi接口。用户平面功能模块（MTC UP Function）不是一个必须的模块，只是表示如果系统出现此类模块，那么应该包含在MTC服务器中。

图2 MTC用户平面协议栈

3.2 控制平面

包含MTCsp（如图3）和MTCsms（如图4）的协议栈结构。对于 MTCsp协议栈，MTC-IWF到3GPP其他网元接口还没有最后定论，而MTC-IWF本身协议栈在 MTC直接模式和间接模式的不同情况下也有待研究。

图3 MTC用户平面协议栈MTCsp类型

图4 MTC用户平面协议栈MTCsms类型

4 结语

和R10阶段的MTC架构[10]比较，新的MTC架构出现了较大变化。在R10阶段，还没有考虑核心网，主要想通过无线侧就解决机器的接入。但后来 3GPP发现大量机器的接入会导致信令拥塞，也需要对核心网进行优化，于是后面的版本中，有关核心网的网元也涉及其中。个人认为这是导致架构出现变革的最主要原因。同时用户平面和控制平面分离，并定义了新的 MTCsp接口，可实现更灵活高效的组网。现在的MTC架构还只是一个技术报告，而不是一个标准的技术规范，已有的网元的 MTC功能扩展还没有完成定义。3GPP需要将其逐步转化为标准。国内的M2M标准也在同步制定中，跟踪3GPP在这方面的最新进展，对中国M2M标准化研究有很好的参考借鉴作用。

[1] 赵静,喻晓红,黄波,等. 物联网的结构体系与发展[J].通信技术, 2010,43(09):112-114.

[2] 孙鹏,王耀辉,陈超. 物联网核心技术与应用场景[J].通信技术, 2011,44(05):106-108.

[3] 彭晓睿.物联网中M2M技术与标准进展[J]. 信息技术与标准, 2010 (11): 33-35.

[4] 朱浩,刘荣朵. M2M国内外标准进展[J]. 电信网技术，2010(10):43-47.

[5] 音春. M2M业务信息化应用研究[J]. 移动通信,2011(01)：75-79.

[6] 张随,张明坤,董文兴. M2M终端标准化之研究[J]. 山东通信技术,2011(02):5-7.

[7] ETSI TS 102 689. Machine-to-Machine Communications(M2M):M2M Service Requirements[S].France:[s.n.],2010.

[8] ETSI TS 102 690.Machine-to-Machine Communications(M2M)Functional architecture[S].France:[s.n.],2011.

[9] 3GPP TS 22.368. Service Requirements for Machine-Type Communications[S].USA:3GPP,2011.

[10] 3GPP TR 23.888. System improvements for Machine-Type Communications (Rel-10）[S]. USA:3GPP, 2010.

[11] 3GPP TR 23.888. System improvements for Machine-Type Communications (Rel-11）[S]. USA:3GPP,2011.