探討物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)體系架構(gòu)演進(jìn)
1、引言
M2M是Machine-to-Machine/Man的簡(jiǎn)稱,是一種以機(jī)器終端智能交互為核心的、網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用與服務(wù)。通過在機(jī)器內(nèi)部嵌入無線通信模塊,為客戶提供監(jiān)控、指揮調(diào)度、數(shù)據(jù)采集和測(cè)量等方面的信息化解決方案。
物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things)是指通過信息傳感設(shè)備,按照約定的協(xié)議,把任何物品與信息網(wǎng)絡(luò)連接起來,進(jìn)行信息交換和通訊,以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。
與M2M相比,物聯(lián)網(wǎng)將機(jī)器的通信延伸到物與物之間的通信,將有限的信息采集提升到信息的全面感知,將移動(dòng)通信技術(shù)擴(kuò)展為多種通信技術(shù)的結(jié)合,并最終將以機(jī)器通信為核心的服務(wù)發(fā)展到以物理世界信息化為核心的服務(wù),在更多的應(yīng)用領(lǐng)域中衍生出豐富多彩的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
目前,物聯(lián)網(wǎng)尚處于起步階段,M2M是物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)階段主要的應(yīng)用形式。為了實(shí)現(xiàn)M2M應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化發(fā)展,以及端到端業(yè)務(wù)管理和運(yùn)營(yíng)支撐,國(guó)外的Orange、Vodafone、Telenor和國(guó)內(nèi)的中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信等運(yùn)營(yíng)商已開始建設(shè)自己的M2M運(yùn)營(yíng)體系。但隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起,現(xiàn)有M2M運(yùn)營(yíng)體系已越來越難以滿足物聯(lián)網(wǎng)全面感知、信息匯聚、用戶規(guī)模接入、端到端QoS等方面的需求。
為了解決以上問題,構(gòu)建適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)體系架構(gòu),已成為當(dāng)前M2M運(yùn)營(yíng)體系未來演進(jìn)的必由之路。
2、現(xiàn)有M2M運(yùn)營(yíng)體系
M2M運(yùn)營(yíng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
◆終端接入
連接通信網(wǎng)關(guān)和GGSN等網(wǎng)元,M2M終端可以采用SMS/USSD/MMS/GPRS等通信方式與管理平臺(tái)進(jìn)行信息交互。
◆應(yīng)用接入
平臺(tái)向集團(tuán)客戶應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一接入接口,實(shí)現(xiàn)客戶應(yīng)用系統(tǒng)的接入、認(rèn)證鑒權(quán)、監(jiān)控和連接管理等功能。
◆終端管理
實(shí)現(xiàn)M2M終端的接入、認(rèn)證鑒權(quán)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程告警、遠(yuǎn)程故障診斷、遠(yuǎn)程軟件升級(jí)、遠(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程控制、終端接口版本差異管理的功能。
◆業(yè)務(wù)處理
根據(jù)M2M終端或者應(yīng)用發(fā)出的請(qǐng)求消息的命令執(zhí)行對(duì)應(yīng)的邏輯處理,實(shí)現(xiàn)M2M終端管理和控制的業(yè)務(wù)邏輯。M2M管理平臺(tái)能夠?qū)I(yè)務(wù)消息請(qǐng)求進(jìn)行解析、鑒權(quán)、協(xié)議轉(zhuǎn)換、路由和轉(zhuǎn)發(fā),并提供流量控制功能。
◆業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)支撐
提供業(yè)務(wù)開通、計(jì)費(fèi)、網(wǎng)管、業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)分析和管理門戶等功能。
3、物聯(lián)網(wǎng)對(duì)運(yùn)營(yíng)支撐的新需求和M2M管理平臺(tái)的局限性
與M2M管理平臺(tái)功能相比。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對(duì)業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)支撐能力提出了更多新的需求,具體有以下幾個(gè)方面:
(1)傳感器網(wǎng)管理需求
通過與位于感知層和網(wǎng)絡(luò)層之間的傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)信息交互,實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點(diǎn)的管理,包括傳感網(wǎng)設(shè)備/服務(wù)發(fā)現(xiàn)、節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)、狀態(tài)管理、節(jié)點(diǎn)控制、任務(wù)協(xié)同和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞裙芾砉δ堋?
(2)終端多種
通信方式接入的需求M2M通信協(xié)議主要支持移動(dòng)網(wǎng)接入的終端,為了滿足物聯(lián)網(wǎng)終端接入的多樣性需求,通信協(xié)議應(yīng)擴(kuò)展支持包括有線接八方式在內(nèi)的多種通信技術(shù)。
(3)增強(qiáng)通道管理需求
物聯(lián)網(wǎng)對(duì)通信網(wǎng)的要求已不再是單純的通道,而要求通信網(wǎng)能夠適應(yīng)不同業(yè)務(wù)特性終端的通信需求,滿足客戶端到端QoS要求,并提供通信故障的快速定位和排除服務(wù)。
(4)信息聚合服務(wù)需求
信息聚合服務(wù)是物聯(lián)網(wǎng)的未來主要服務(wù)形態(tài),能夠在獲取海量信息的基礎(chǔ)上,將信息經(jīng)過存儲(chǔ)、共享、挖掘、聚合,從而打破信息孤島,提高信息的附加值,提升對(duì)物理世界、經(jīng)濟(jì)社會(huì)各種活動(dòng)和變化的洞察力,實(shí)現(xiàn)智能化的決策和控制。
(5)應(yīng)用生成環(huán)境需求
為降低物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)的技術(shù)門檻和成本。充分實(shí)現(xiàn)資源重用,推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的迅速部署,需要運(yùn)營(yíng)商為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)者提供可視化應(yīng)用開發(fā)、編譯、測(cè)試、發(fā)布和執(zhí)行的應(yīng)用生成環(huán)境。
綜上。面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)出的新需求,現(xiàn)有M2M管理平臺(tái)在功能和架構(gòu)上的局限性已愈發(fā)明顯,關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)體系架構(gòu)的研究成為了目前業(yè)內(nèi)的熱點(diǎn)。
4、物聯(lián)網(wǎng)參考業(yè)務(wù)體系架構(gòu)
4.1系統(tǒng)架構(gòu)
基于對(duì)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)支撐需求的梳理,結(jié)合現(xiàn)有M2M管理平臺(tái)的技術(shù)方案,本文提出了一種物聯(lián)網(wǎng)參考業(yè)務(wù)體系架構(gòu),如圖2所示:
4.2功能模塊
在物聯(lián)網(wǎng)參考業(yè)務(wù)體系架構(gòu)中,業(yè)務(wù)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力和運(yùn)營(yíng)支撐能力的核心組成部分,本文重點(diǎn)對(duì)該部分進(jìn)行詳細(xì)闡述。業(yè)務(wù)網(wǎng)位于核心網(wǎng)與應(yīng)用層之間,由通信業(yè)務(wù)能力層、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力層、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)接八層和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)管理域4個(gè)功能模塊構(gòu)成,提供通信業(yè)務(wù)能力、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力、業(yè)務(wù)能力統(tǒng)一封裝、業(yè)務(wù)路由分發(fā)、應(yīng)用接入管理、業(yè)務(wù)鑒權(quán)和業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)管理等核心功能。
◆通信業(yè)務(wù)能力層
由各類通信業(yè)務(wù)能力平臺(tái)構(gòu)成,通過物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)接八層提供通信業(yè)務(wù)能力的調(diào)用,包括短信、彩信、WAP、語音和位置等多種能力。
◆物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力層
由各類物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力平臺(tái)構(gòu)成,通過物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)接入層為應(yīng)用提供物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力的調(diào)用,包括終端管理、感知層管理、物聯(lián)網(wǎng)信息匯聚中心、應(yīng)用開發(fā)環(huán)境等能力平臺(tái)。終端管理能力平臺(tái)除了實(shí)現(xiàn)M2M管理平臺(tái)的終端管理功能外,還提供對(duì)有線接入方式終端的管理功能。感知層管理能力平臺(tái)實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)、注冊(cè)、節(jié)點(diǎn)控制、狀態(tài)管理、路由尋址、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾淼裙δ堋N锫?lián)網(wǎng)信息匯聚中心收集和存儲(chǔ)來自于不同地域、不同行業(yè)、不同學(xué)科的海量數(shù)據(jù)和信息,并利用數(shù)據(jù)挖掘和分析處理技術(shù),為客戶提供新的信息增值服務(wù)。應(yīng)用開發(fā)環(huán)境為開發(fā)者提供從終端到應(yīng)用系統(tǒng)的端到端應(yīng)用開發(fā)、測(cè)試和執(zhí)行環(huán)境,并將物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議、通信能力和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力封裝成API、組件/構(gòu)件和應(yīng)用開發(fā)模板。
◆物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)接入層
原M2M管理平臺(tái)同時(shí)承擔(dān)了管理和業(yè)務(wù)處理的職能,為了使網(wǎng)元功能職責(zé)劃分更加清晰,保證業(yè)務(wù)流的高效處理,在物聯(lián)網(wǎng)參考業(yè)務(wù)體系架構(gòu)中引入了物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)接入層,將通信業(yè)務(wù)能力和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力進(jìn)行封裝,供業(yè)務(wù)能力的使用者統(tǒng)一接入和調(diào)用,并實(shí)現(xiàn)協(xié)議解析、協(xié)議適配、路由轉(zhuǎn)發(fā)、業(yè)務(wù)鑒權(quán)等業(yè)務(wù)處理功能。為了實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)通道功能。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)接入層還提供增強(qiáng)通道執(zhí)行功能。
◆物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)管理域
在物聯(lián)網(wǎng)參考業(yè)務(wù)體系架構(gòu)中,物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)管理域只負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)管理和運(yùn)營(yíng)支撐功能,原M2M管理平臺(tái)承擔(dān)的業(yè)務(wù)處理功能和終端管理業(yè)務(wù)能力被分別劃撥到物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)接入層和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力層。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)管理域的功能主要包括業(yè)務(wù)能力管理、應(yīng)用接入管理、用戶管理、訂購(gòu)關(guān)系管理、鑒權(quán)管理、增強(qiáng)通道管理、計(jì)費(fèi)結(jié)算、業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)和管理門戶等功能。增強(qiáng)通道管理由核心網(wǎng)、接入網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)接入層配合完成,包括用戶業(yè)務(wù)特性管理、QoS管理和通信故障管理等功能。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的承載,接入網(wǎng)和核心網(wǎng)也需要進(jìn)行配合優(yōu)化,提供適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的通信能力。通過識(shí)別物聯(lián)網(wǎng)通信業(yè)務(wù)特征,進(jìn)行移動(dòng)性管理、網(wǎng)絡(luò)擁塞控制、信令擁塞控制、群組通信管理等功能的補(bǔ)充和優(yōu)化,并提供端到端QoS管理以及故障管理等增強(qiáng)通道功能。
4.3方案技術(shù)要點(diǎn)分析
(1)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)模式的實(shí)現(xiàn)方案
物聯(lián)網(wǎng)參考業(yè)務(wù)體系架構(gòu)能夠提供三類物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)模式。實(shí)現(xiàn)方案說明如下:
◆純通道模式
運(yùn)營(yíng)商基于現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò),提供的基本的通信通道服務(wù)。在該模式下,運(yùn)營(yíng)商提供不區(qū)分于人人通信的基本通信業(yè)務(wù)。
◆增強(qiáng)通道模式
運(yùn)營(yíng)商在通信通道的基礎(chǔ)上,根據(jù)用戶差異化服務(wù)需求,提供端到端QoS服務(wù)、通信故障管理定位等增值服務(wù)。其實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示。
物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)管理域通過管理接口,實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)通道配置數(shù)據(jù)和故障管理指令下發(fā)功能,接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、通信業(yè)務(wù)能力層和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)接入層負(fù)責(zé)執(zhí)行增強(qiáng)通道功能??蛻敉ㄟ^業(yè)務(wù)管理域可以實(shí)現(xiàn)對(duì)終端通信故障的查詢、定位和排除。
◆應(yīng)用集成模式
運(yùn)營(yíng)商提供的端到端物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)、集成、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)服務(wù),終端和應(yīng)用系統(tǒng)采用運(yùn)營(yíng)商定義的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議,接受物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)管理域的運(yùn)營(yíng)和管理,該模式下可以同時(shí)選擇使用增強(qiáng)通道。其實(shí)現(xiàn)方案如圖4所示。
終端、應(yīng)用系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)接入層分別采用標(biāo)準(zhǔn)的終端一接入層接口協(xié)議、應(yīng)用一接入層接口協(xié)議,實(shí)現(xiàn)終端管理、感知能力管理信息和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)承載等功能。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)接入層實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)和終端的接入,負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)鑒權(quán)發(fā)起、協(xié)議解析、路由分發(fā)和協(xié)議適配功能。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)管理域完成業(yè)務(wù)鑒權(quán)、計(jì)費(fèi)等功能。
(2)對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)優(yōu)化的要求及部署策略
物聯(lián)網(wǎng)對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)的優(yōu)化技術(shù)要求體現(xiàn)在增強(qiáng)通道特性上,具體包括:
◆適應(yīng)不同業(yè)務(wù)特性終端通信要求
通過業(yè)務(wù)控制,能夠充分有效的利用移動(dòng)通信網(wǎng)資源,滿足不同業(yè)務(wù)特性終端的通信服務(wù)要求。并有效緩解物聯(lián)網(wǎng)終端大量涌入對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成的壓力。
3GPP定義了16類物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特征,要求移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)終端簽約的業(yè)務(wù)特征,進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)控制。這些業(yè)務(wù)特征概括為以下幾方面:終端接入控制(根據(jù)時(shí)間段、延遲容忍度等,或只允許PS域接入);業(yè)務(wù)發(fā)起方式控制(僅終端發(fā)起、僅網(wǎng)絡(luò)發(fā)起、位置觸發(fā)等);會(huì)話管理(永遠(yuǎn)在線、業(yè)務(wù)結(jié)束后去激活、終端狀態(tài)感知、狀態(tài)變化告警等);移動(dòng)性管理(低移動(dòng)、低功耗終端的移動(dòng)性管理策略);業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)控制;終端和服務(wù)器安全連接;用戶群組通信管理。
這些業(yè)務(wù)特征大部分可以通過升級(jí)核心網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn),部分需要升級(jí)無線網(wǎng)。業(yè)務(wù)初期,可在物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求較集中的區(qū)域建設(shè)功能升級(jí)后的核心網(wǎng)元或升級(jí)原核心網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)。
◆端到端QoS保證
要求核心網(wǎng)和無線網(wǎng)支持QoS功能,能夠根據(jù)HLR中用戶QoS簽約參數(shù),以及MS、BSS、SGSN和GGSN之間的協(xié)商決定MS的QoS特性。并通過網(wǎng)絡(luò)資源的分配和調(diào)度最終實(shí)現(xiàn)QoS。
實(shí)際部署時(shí),應(yīng)統(tǒng)一建立物聯(lián)網(wǎng)端到端QoS服務(wù)模型,確定業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量從業(yè)務(wù)網(wǎng)到核心網(wǎng)、接入網(wǎng)的映射關(guān)系,以保證端到端QoS策略的一致性。
◆通信故障管理
要求網(wǎng)絡(luò)維護(hù)用戶終端通信狀態(tài),對(duì)于狀態(tài)異常的終端應(yīng)向物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)管理域發(fā)起告警,業(yè)務(wù)管理域能夠?qū)τ脩敉ㄐ殴收线M(jìn)行分析和排查。由于網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)發(fā)起告警的功能對(duì)網(wǎng)絡(luò)有較大改造量,可以采用業(yè)務(wù)管理域向網(wǎng)絡(luò)定期獲取終端移動(dòng)性和會(huì)話狀態(tài)信息的方式實(shí)現(xiàn).或通過信令采集和分析的方式實(shí)現(xiàn)。
(3)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議功能擴(kuò)展和標(biāo)準(zhǔn)化問題
現(xiàn)有M2M通信協(xié)議主要完成M2M終端的注冊(cè)、配置、控制、數(shù)據(jù)傳輸、告警和軟件升級(jí)等功能。終端與M2M管理平臺(tái)之間通常采用二進(jìn)制協(xié)議報(bào)文接口。以減少對(duì)終端硬件資源要求;應(yīng)用與M2M管理平臺(tái)之間主要采用SOAP和RESTful接口。
物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議應(yīng)該是對(duì)M2M協(xié)議功能的擴(kuò)展和改進(jìn),同時(shí)應(yīng)充分考慮協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化問題。為了支持物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求,物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議主要擴(kuò)展的功能包括:需支持對(duì)有線接入終端的管理,解決在有線接入條件下終端注冊(cè)、認(rèn)證、路由尋址、安全和NAT等問題;支持對(duì)傳感器網(wǎng)關(guān)和感知外設(shè)的管理;支持對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的封裝,實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)管理功能;支持終端到終端通信,以及終端之間自組織功能。
在標(biāo)準(zhǔn)化方面,目前業(yè)內(nèi)尚未形成統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。在技術(shù)選擇上,終端與業(yè)務(wù)網(wǎng)的接口有TR069、DM、CoAP和二進(jìn)制協(xié)議報(bào)文等多種方案。
TR069和DM是已有協(xié)議,不適合資源受限終端,需要對(duì)協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展,并提供到終端應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開放接口。CoAP是IETF正在研究基于REST架構(gòu)的協(xié)議,由于硬件資源要求低,適合資源受限終端使用。二進(jìn)制報(bào)文則是部分運(yùn)營(yíng)商M2M通信協(xié)議所采用的協(xié)議,適合資源受限終端。在業(yè)務(wù)發(fā)展初期,可能存在多種協(xié)議并存的情況,因此需要兼容和適配主流的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議通信。
5、結(jié)束語
隨著物聯(lián)網(wǎng)新應(yīng)用的興起。M2M運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)演進(jìn)到物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)體系架構(gòu)已成為業(yè)務(wù)和技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì),也是運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用規(guī)?;茝V和聚合產(chǎn)業(yè)鏈資源的核心手段。
應(yīng)該看到,目前業(yè)內(nèi)關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)網(wǎng)架構(gòu)的研究尚處于起步階段,在業(yè)務(wù)需求、功能架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)改造等方面還有很多問題有待解決,在標(biāo)準(zhǔn)化方面短時(shí)間內(nèi)還難以形成統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系。運(yùn)營(yíng)商應(yīng)該引導(dǎo)建立多方共贏的商業(yè)模式,充分調(diào)用產(chǎn)業(yè)鏈各方的積極性,推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)體系架構(gòu)的研究、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。