物联网M2M智能管道关键技术研究

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1 M2M应用模式和智能管道

1.1 M2M应用发展模式

作为暨互联网后又一个新型网络基础设施以及信息技术革命的新一代浪潮，物联网是国家大力推动的战略性新兴产业，产业界也纷纷预测物联网具有庞大的市场规模和美好的前景。

M2M(Machine-to-Machine)，泛指没有人介入的通信，中文可称作机器通信；M2M网络连接服务是指为机器终端提供网络接入的服务。围绕物联网应用中信息通信环节所开展的M2M业务是电信运营商在物联网市场上的核心业务，其中M2M网络连接服务又是电信运营商在M2M业务中所应提出的基础服务。根据Machina Research的预测[1]，从现在至2020年，全球移动运营商40%以上的新增连接来自于M2M业务；至2020年M2M连接数将占移动蜂窝总连接数的20%。

在物联网发展模式方面，除了以IT为核心、通过系统集成商进行产业链资源整合的传统性行业信息化模式外，以CT为核心、通过生态系统进行产业链资源整合的创新性M2M应用模式逐渐成熟[2]。M2M应用模式，是在标准化的基础上，通过产业链各环节的协同合作，形成多类应用能够通用共享的水平化服务，以专业化分工来实现产业链各环节的规模化发展。M2M应用的水平化共性服务可以分别呈现在多个层次，至少会包括应用服务层、业务能力层、网络连接层。

1.2 M2M业务体系架构

在国际标准方面，M2M应用宏观架构由三层构成已成为业内共识。各层间通过标准API进行能力调用，通过分层来推动在各层上独立而又兼容的技术创新。

通过综合分析ESTI M2M架构[3]和oneM2M的M2M架构[4]，结合国际电信运营商的先期实践经验，本文提出电信运营商物联网M2M业务体系应采用“三层两域一支撑”的架构如图1所示。“三层”即网络连接层、业务能力层和应用服务层；“两域”即终端域和网络域；“一支撑”即M2M专用业务支撑系统。而M2M智能管道是网络连接层的重要基础性服务之一。

图1 电信运营商物联网M2M业务体系架构

在M2M应用的三层产业结构中，电信运营商能够完全直接控制的环节就是网络连接层，也是与其他企业在业务能力层和应用服务层服务上形成差异化优势的基础。网络连接层需要实现通道本身是可根据设定策略而执行相应管控措施的“智能管道”，更要求对通道的管控是可通过API暴露给应用服务商的，而不是封闭在内部仅由电信运营商的网管来控制。

1.3 现有智能管道技术标准及其局限性

现阶段，移动通信网络实现智能管道的基础性技术是3GPP制定的策略和计费控制技术(Policy and Charging Control，PCC)。3GPP于2006年Release7版本中提出了最初的PCC架构，并随后在各版本中均不断升级和完善相关功能[5]。

PCRF(Policy and Charging Rules Function)可以根据用户和业务信息、用户状态信息等输入，动态进行决策，并通过Gx接口[6]指示GGSN中的PCEF执行相应策略控制或计费控制规则——统称PCC规则(PCC Rules)。PCEF(Policy and Charging Enforcement Function)是位于GGSN中负责策略和计费执行的逻辑实体，实施差别计费等计费控制以及限速、门控和业务重定向等策略控制。GGSN还可将QoS信息传递给SGSN及无线侧，使无线接入网和核心网共同配合进行端到端的承载资源管理。

虽然PCC的标准和产品化均已比较成熟，在国外先进运营商的网络中已有一定规模化的商用部署，但是还存在两个方面的局限性。一是产品化的部署主要是为了满足人人通信场景下运营商的业务经营需求，无法满足M2M场景下应用服务商的自主管控需求。二是现有3GPP标准中基于Rx接口所实现第三方数据连通性(Sponsored Data Connectivity)功能，主要是针对IMS等运营商自有业务，接口复杂、功能单一，没有便于外部应用服务商调用的API。

本文将PCC架构作为探索实现M2M智能管道的研究启点，通过理论设计和研发环境内的实际验证，针对M2M的需求提出了增强PCC架构和相应网元设备的功能的建议，给出了M2M智能管道的建设部署方案、产品设计方案和业务流程设计方案。

2 基于PCC架构改进的M2M智能管道

2.1 M2M业务的管控需求

M2M应用模式的分层架构决定了在大多数情况下电信运营商提供的并不是最终的应用服务产品。电信运营商提供的M2M服务是作为一种使能构件销售给应用服务商或设备制造商，再由它们将最终应用服务提供给用户。这种B2B2C和B2B2B的商业模式，在业务服务上就是电信运营商向应用服务商的能力开放，在产品形态上就是面向应用服务商提供的API，同时要实现基于生态系统的经营模式和盈利模式[7]。

在B2B2B或B2B2C模式下，M2M通信成为应用服务商向最终用户提供服务时的一个成本项。应用服务商希望能够对M2M终端的通信行为进行管控，防止滥用、盗用、误用，从而避免不必要的通信成本支出。同时，电信运营商希望通过新型资费结构来引导应用服务商实施网络友好型的应用服务、选择更适合其服务特性的通道产品、更合理地使用电信运营商的网络资源，从而提升电信运营商自身EBITDA和利润。因此，电信运营商和应用服务商都希望对M2M终端通信行为进行更强有力的策略与计费控制。

通过借鉴国内外电信运营商在M2M业务方面的实践经验以及国际标准组织的标准架构，在总体技术方案上电信运营商应通过建设M2M专用业务支撑体系(如图2所示)，来构建网络连接层和业务能力层的水平通用共性能力，并进一步基于这些能力形成标准化的服务(或产品)，为内外部应用系统提供通用支撑能力(如图3所示)。

通过局数据配置，电信运营商可将专用MSISDN和IMSI号段指向专用M-HLR，使M-HLR负责M2M终端签约信息的集中管理，并根据M2M管控平台下发的联机指令进行M2M SIM卡的开通和关停。通过M2M终端签约信息中的APN配置和DNS解析，电信运营商将M2M业务数据流量汇聚到专用M-GGSN。通过M2M专用支撑体系的建设，电信运营商将所提供的M2M服务由传统电信通道服务向M2M智能通信服务升级；基于开放API、打造开发者社区，形成以CT为核心的M2M生态系统，提升网络价值；同时基于M2M开放能力，进一步拓展应用层服务。

图2 M2M专用业务支撑体系

图3 电信运营商M2M业务总体策略

2.2 M2M专用业务支撑系统中PCC技术的部署

电信运营商在M2M专用业务支撑体系中应用PCC技术，需要依据M2M业务流程和商业模式的特性，在PCC标准架构基础上“因地制宜”地使用和改进。

图4 M2M专用业务支撑体系及基于PCC架构的M2M智能管道实现

基于对PCC标准的理论研究和对M2M智能管道的需求分析，本文提出如图4所示的基于PCC架构的智能管道实现以及能力开放方案，并在利用中国联通物联网研究院位于无锡的研发环境进行了连接现网的实际技术验证。

在该部署方案中，需特别说明如下几点。

1) 为实现对IP数据通道管控能力的开放，PCRF要与M2M业务管控平台实现对接，使M2M应用服务商(M2M ASP)能够在M2M业务管控平台的门户上、在授权范围内为其所属终端配置决策生成逻辑模板和PCC规则模板中的具体参数，并同步给PCRF，同时配置终端属性参数下发给SPR和OCS。

2) 通过Restful API(而不是通过基于Diameter协议的Rx接口)来实现PCRF与M2M管控平台之间、通过Restful API或自服务门户来实现M2M管控平台与应用服务商的应用平台之间的策略和计费控制相关配置信息的交互，从而使应用服务商能自助实现对所属M2M终端通信行为的策略控制(门控和QoS控制)、用量监控、消费监测等。

3) 启用PCRF与专用OCS间的Sy接口，用以传递与用户消费限额(Subscriber Spending Limits)相关信息。这时，OCS承担记录每个终端或群组累计消费的功能，使OCS成为PCRF生成规则时所需决策信息的另一个重要来源，从而高效实现基于累计消费的策略控制。M2M专用OSC不是要将M2M终端作为预付费用户进行计费，不与传统预付费用户的OSC进行互联；而是用于帮助应用服务商实现对所属终端通信消费的监测和控制。

4) 在M2M应用场景下，电信运营商和应用服务商应实现依据IP报头的IP五元组将应用平台与M2M终端间的各种数据业务流区分开。因此，M2M专网的GGSN上可暂时不启用DPI，也不需部署单独的TDF网元。

2.3 M2M管控能力的能力开放

为了将基于PCC架构的动态策略控制能力开放给M2M应用服务商(M2M ASP)，需要M2M专用BSS与M2M管控平台，M2M管控平台与PCRF、OCS和SPR进行相关配置信息的交互。相关配置和信息交互流程如下。

1) 电信运营商需要通过网管系统在专用GGSN上为每个M2M产品类型或拥有较多终端的大型应用服务商配置一个APN。在M2M管控平台上，每个产品类型对应一个预先设计的决策生成逻辑模板，以及PCC规则模板。针对每个产品类型中的各个产品套餐，电信运营商配置决策生成逻辑模板中那些与计费相关的逻辑以及高优先级的逻辑中的具体参数；应用服务商可被授权自助设定决策生成逻辑模板中某些与策略控制相关的低优先级决策生成逻辑中的具体参数。各产品类型中对应用服务商不同的授权，实际上代表着电信运营商向应用服务商开放的不同策略控制措施。

2) 应用服务商在M2M管控平台中自助开户，确认电信运营商提供的相应套餐和APN，为其所属的M2M终端(以M2M SIM卡中的IMSI为标识)申请正式开通通信服务。M2M管控平台将M2M终端对应的IMSI、MSISDN、APN等签约信息实时传递给M2M专用BSS，由其完成在专用HLR及相关各省BSS系统中的业务开通。

3) 应用服务商可通过M2M管控平台所提供自助服务门户中的可视化界面或所提供的Restful API，在产品类型所开放的能力范围内，随时设置或更新某些授权其进行配置参数的取值。这包括：

● 为每个终端或每个业务数据流，设置或更新其订购关系属性，并同步至SPR；

● 为每个终端设置或更新用户消费限额相关参数以及用于信用管理的信用余额阈值，并同步至OCS；

● 设置或更新决策生成逻辑以及PCC规则中的参数，并同步至PCRF；

● 同时，应用服务商可将终端划分为若干个群组，并基于群组来设定相应业务属性、用户消费限额(Subscriber Spending Limits)、用量监测控制(Usage Monitoring Control)和决策生成逻辑等PCC相关参数。

4) GGSN在收到终端发起建立PDP连接的请求时，会根据APN来判别终端是否启用策略与计费控制。针对启用策略与计费控制的终端，GGSN会向PCRF上报终端的IMSI、终端所分配的IP地址、终端位置等相关信息。PCRF根据电信运营商和应用服务商共同设定的决策生成逻辑，向SPR和OSC获取决策所需相关信息、并结合GGSN上报的信息，动态决定GGSN应采取的策略控制措施或计费方式和费率，并下发给GGSN。在PDP会话过程中，GGSN还会向PCRF上报相关触发事件；根据该触发事件的输入，PCRF中的决策生成逻辑可能生成新的决策，并要求GGSN来执行相应更新后的规则。

2.4 M2M智能管道产品的设计

基于网络连接层的开放能力，将M2M通信管控能力和基于多种计费模式的流量组合，电信运营商可形成面向应用服务商的多种智能管道产品。产品设计示例可参见表1中的产品套餐A和套餐B。

表1 M2M智能管道产品设计示例

电信运营商在M2M产品套餐A中使用了群组计费、分时计费和流控功能，同时将基于端口和位置的门控能力开放给直接客户——应用服务商。在M2M产品套餐B中使用了群组计费、按次计费和用量监测控制功能，同时将基于消费限额进行门控功能开放给直接用户。在产品资费引导下，应用服务商会对最终用户设定具体的门控规则。

在这种“产品塑形＋自助管控”的产品设计中，电信运营商所启用的各项策略与计费控制措施是为了保障产品的特定属性(资费、计费方式、速率、用量等)，可被称为“产品塑形规则”；而开放给应用服务商的某些策略控制措施是为了实现客户对通信通道的自主管理，可被称为“自助管控规则”。这种在产品塑形规则下对通信通道的自助管控，是M2M智能管道产品区别于电信运营商传统智能管道产品的根本。

3 M2M智能管道技术的发展建议

GSMA预测2020年中国M2M移动蜂窝连接数将达4.8亿，M2M业务对电信运营商收入的持续增长具有毋庸置疑的战略意义。随着物联网的普及，基于水平共性服务的M2M应用模式也逐渐成为物联网发展的主要模式。在M2M应用的三层架构中，电信运营商首先必须建设形成网络连接层的M2M智能管道能力。

电信运营商在的M2M专用业务支撑系统内引入进行适应性改进的PCC架构后，通过在PCRF上合理设计和实现“产品塑性策略”和“自主管控策略”，可以有效提供能将管控能力开放给应用服务商的M2M智能管道产品，满足市场上应用服务商的需求，能够有利推动水平化的M2M应用模式的发展和相应生态系统的繁荣。

此外，根据产业发展的前瞻需求，电信运营商未来在M2M智能管道关键技术方面还需进一步推动以下研究工作。一是PCRF的虚拟化技术。随着网内M2M终端数量的增长，每个PRCF管理的GGSN和所需处理进程的数量也会快速增加。因此，需引入虚拟化技术，以Scale Out的方式通过不断增加虚机来支撑PCRF的容量和性能的扩充。二是PCC与大数据技术的结合。随着未来大数据技术的成熟和应用，对应用服务商的应用数据和网络信令等网络产生的数据进行大数据分析形成的结果将可会成为PCRF进行决策一个新的输入源。三是PCC与业务能力层平台的协同管控。随着未来业务能力层标准的发布和产品化，业务能力层所提供的通信管控功能将可以与网络连接层提供的基于PCC架构的管控能力协同工作。

参考文献

[1]Machina Research.Connected Intelligence database:2020 connected devices overview[R]

[2]马彦,王陆军,张凤全,等.物联网运营之路-开放物联时代的电信运营[M].北京:人民邮电出版社,2014

[3]ETSI TS 102 690. Machine-to-Machine communications(M2M); Functional architecture[S]

[4]王.M2M应用与3GPP MTC标准化[J].邮电设计技术,2014(12):58

[5]3GPP TS 23.203 V12.3.0.Policy and charging control architecture (Release 12)[S]

[6]3GPP TS 29.212 V12.3.0.Policy and Charging Control(PCC) over Gx/Sd reference point(Release 12)[S]

[7]马彦,王.电信运营商拓展M2M市场的战略思考[J].电信工程技术与标准化,2012(6):1