物联网中的M2M技术国内外标准进展

　　1  引言

　　物联网被称为继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，将给IT和通信带来广阔的新市场。

　　2005年国际电信联盟（ITU）在信息社会世界峰会（WSIS）上发布的《ITU互联网报告2005：物联网》报告中正式提出了“物联网”概念，报告指出：“无所不在的物联网通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷，从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换”。总的来说，物联网就是“物与物相连的网络”。这里有两层含义：首先，信息的提供者和使用者从人逐步扩展到物理实体，物体之间通过物联网实现通信和信息交换；其次，通过各种无线和/或有线的、长距离和/或短距离通讯网络实现物理实体间的互联互通，通信和传输过程不需要或仅需要有限的人工干预。

　　欧洲智能系统集成技术平台（EPoSS）在《Internet of Things in 2020》报告中分析预测，未来物联网的发展将经历4个阶段，2010年之前RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域，2010—2015年物体互联，2015—2020年物体进入半智能化，2020年之后物体进入全智能化。

　　M2M是“机器对机器通信（Machine to Machine）”或者“人对机器通信（Man to Machine）”的简称。主要是指通过“通信网络”传递信息从而实现机器对机器或人对机器的数据交换，也就是通过通信网络实现机器之间的互联、互通。移动通信网络由于其网络的特殊性，终端侧不需要人工布线、可以提供移动性支撑，有利于节约成本，并可以满足在危险环境下的通信需求，使得以移动通信网络作为承载的M2M服务得到了业界的广泛关注。

　　M2M作为物联网在现阶段的最普遍的应用形式，在欧洲、美国、韩国、日本等国家实现了商业化应用。主要应用在安全监测、机械服务和维修业务、公共交通系统、车队管理、工业自动化、城市信息化等领域。提供M2M业务的主流运营商包括英国的BT和Vodafone，德国的T-Mobile，日本的NTT-DoCoMo，韩国SK等。中国的M2M应用起步较早，目前正处于快速发展阶段，各大运营商都在积极研究M2M技术，尽力拓展M2M的应用市场。

　　国际上各大标准化组织中M2M相关研究和标准制定工作也在不断推进。几大主要标准化组织按照各自的工作职能范围，从不同角度开展了针对性研究。ETSI从典型物联网业务用例，例如智能医疗、电子商务、自动化城市、智能抄表和智能电网的相关研究入手，完成对物联网业务需求的分析、支持物联网业务的概要层体系结构设计以及相关数据模型、接口和过程的定义。3GPP/3GPP2以移动通信技术为工作核心，重点研究3G，LTE/CDMA网络针对物联网业务提供而需要实施的网络优化相关技术，研究涉及业务需求、核心网和无线网优化、安全等领域。CCSA早在2009年完成了M2M的业务研究报告，与M2M相关的其他研究工作已经展开。

　　本文主要介绍M2M在国际和国内标准化组织中的工作进展状况。

　　2  M2M在ETSI的进展概况

　　ETSI是国际上较早系统展开M2M相关研究的标准化组织，2009年初成立了专门的TC来负责统筹M2M的研究，旨在制定一个水平化的、不针对特定M2M应用的端到端解决方案的标准。其研究范围可以分为两个层面，第一个层面是针对M2M应用用例的收集和分析；第二个层面是在用例研究的基础上，开展应用无关的统一M2M解决方案的业务需求分析，网络体系架构定义和数据模型、接口和过程设计等工作。按照TC的计划，研究工作分为3个阶段进行，具体参见表1。

　　ETSI 研究的M2M相关标准有十多个，具体内容包括：

　　（1）M2M 业务需求，该研究课题描述了支持M2M通信服务的、端到端系统能力的需求。报告已于2010年8月发布。

　　（2）M2M 功能体系架构，重点研究为M2M应用提供M2M服务的网络功能体系结构，包括定义新的功能实体，与ETSI其他TB或其他标准化组织标准间的标准访问点和概要级的呼叫流程。本研究课题输出将是第三阶段工作的出发点，也是与其他标准组织物联网相关研究之间进行协调的参照点。图1是该报告中提出了M2M的体系架构，从图中可以看出，M2M技术涉及到了通信网络中从终端到网络再到应用的各个层面，M2M的承载网络包括了3GPP，TISPAN以及IETF定义的多种类型的通信网络。

图1  ETSI M2M通信功能体系架构

　　（3）M2M 术语和定义，对M2M的术语进行定义，从而保证各个工作组术语的一致性。目前正在进行初稿的讨论，预计2011年第1季度末发布正式版本。

　　（4）Smart Metering的M2M应用实例研究，该课题对Smart Metering的用例进行描述。包括角色和信息流的定义，将作为智能抄表业务需求定义的基础。

　　（5）eHealth的M2M应用实例研究，该课题通过对智能医疗这一重点物联网应用用例的研究，来展示通信网络为支持M2M服务在功能和能力方面的增强。该课题与ETSI TC eHEALTH中的相关研究保持协调，预计2011年7月发布正式版本。

　　（6）用户互联的M2M应用实例研究，该研究报告定义了用户互联这一M2M应用的用例，预计2011年7月发布正式版本。

　　（7）城市自动化的M2M应用实例研究，本课题通过收集自动化城市用例和相关特点，来描述未来具备M2M能力网络支持该应用的需求和网络功能与能力方面的增强。目前正在进行初稿的讨论，预计于2011年7月发布正式版本。

　　（8）基于汽车应用的M2M应用实例研究，课题通过收集自动化应用用例和相关特点，来描述未来具备M2M能力网络支持该应用的需求和网络功能与能力方面的增强。目前正在进行初稿的讨论，预计2011年7月发布正式版本。

　　（9）ETSI关于 M/441的工作计划和输出总结，这一研究属于欧盟Smart Meter项目（EU Mandate M/441）的组成部分，本课题将向EU Mandate M/441提交研究报告，报告包括支撑Smart Meter应用的规划和其他技术委员会输出成果。目前正在进行初稿的讨论，预计于2011年7月发布正式版本。

　　（10）智能电网对M2M平台的影响，该课题基于ETSI定义的M2M概要级的体系结构框架，研究M2M平台针对智能电网的适用性并分析现有标准与实际应用间的差异。目前正在启动前准备阶段，预计2011年5月发布正式版本。

　　（11）M2M 接口，该课题在网络体系结构研究的基础上，主要完成协议/API、数据模型和编码等工作。目前上述内容合在一个标准中，未来等标准进入稳定阶段，可能会按不同的接口拆分成多个标准文稿发布。目前正在处于初稿起草阶段，预计2011年2月发布正式版版本。

　　3  M2M在3GPP标准进展概况

　　3GPP早在2005年9月就开展了移动通信系统支持物联网应用的可行性研究，正式研究于R10阶段启动。M2M在3GPP内对应的名称为机器类型通信（MTC，Machine-Type Communication）。3GPP并行设立了多个工作项目（Work Item）或研究项目（Study Item），由不同工作组按照其领域，并行展开针对MTC的研究，下面按照项目的分类简述3GPP在MTC领域相关研究工作的进展情况。

　　（1）FS_M2M：这个项目是3GPP针对M2M通信进行的可行性研究报告，由SA1负责相关研究工作。研究报告《3GPP系统中支持M2M通信的可行性研究》于2005年9月立项，2007年3月完成。

　　（2）NIMTC相关课题，重点研究支持机器类型通信对移动通信网络的增强要求，包括对GSM、UTRAN、EUTRAN的增强要求，以及对GPRS，EPC等核心网络的增强要求，主要的项目包括：

　　●FS_NIMTC_GERAN：该项目于2010年5月启动，重点研究GERAN系统针对机器类型通信的增强。

　　●FS_NIMTC_RAN：该项目于2009年8月启动，重点研究支持机器类型通信对3G的无线网络和LTE无线网络的增强要求。

　　●NIMTC：这一研究项目是机器类型通信的重点研究课题，负责研究支持机器类型终端与位于运营商网络内、专网内或互联网上的物联网应用服务器之间通信的网络增强技术。由SA1，SA2，SA3和CT1，CT3，CT4工作组负责其所属部分的工作。

　　——3GPP SA1工作组负责机器类型通信业务需求方面的研究。于2009年初启动技术规范，将MTC对通信网络的功能需求划分为共性和特性两类可优化的方向。

　　——SA2工作组负责支持机器类型通信的移动核心网络体系结构和优化技术的研究。于2009年底正式启动研究报告《支持机器类型通信的系统增强》。报告针对第一阶段需求中给出共性技术点和特性技术点给出解决方案。

　　——SA3工作组负责安全性相关研究。于2007年启动了《远程控制及修改M2M终端签约信息的可行性研究》报告，研究M2M应用在UICC中存储时，M2M设备的远程签约管理，包括远程签约的可信任模式、安全要求极其对应的解决方案等。2009年启动的《M2M通信的安全特征》研究报告，计划在 SA2工作的基础上，研究支持MTC通信对移动网络的安全特征和要求。

 　　（3）FS_MTCe：支持机器类型通信的增强研究是计划在R11阶段立项的新研究项目。主要负责研究支持位于不同PLMN域的MTC设备之间的通信的网络优化技术。此项目的研究需要与ETSI TC M2M中的相关研究保持协同。

　　（4）FS_AMTC：本研究项目旨在寻找E.164的替代，用于标识机器类型终端以及终端之间的路由消息，是R11阶段新立项的研究课题，已于2010年2月启动。

　　（5）SIMTC： 支持机器类型通信的系统增强研究，此为R11阶段的新研究课题。在FS_MTCe项目的基础上，研究R10阶段NIMTC的解决方案的增强型版本。

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　　3GPP支持机器类型通信的网络增强研究课题在R10阶段的核心工作为SA2工作组正在进行的MTC体系结构增强的研究，其中重点述及的支持MTC通信的网络优化技术包括：

　　●体系架构

　　研究报告提出了对NIMTC体系结构的修改，其中包括增加MTC IWF功能实体以实现运营商网络与位于专网或公网上的物联网服务器进行数据和控制信令的交互，同时要求修改后的体系结构需要提供MTC终端漫游场景的支持。

　　●拥塞和过载控制

　　由于MTC终端数量可能达到现有手机终端数量的几个数量级以上，所以由于大量MTC终端同时附着或发起业务请求造成的网络拥塞和过载时移动网络运营商面对的最急迫的问题。研究报告在这一方面进行了重点研究，讨论了多种的拥塞和过载场景要求网络能够精确定位拥塞发生的位置和造成拥塞的物联网应用，针对不同的拥塞场景和类型，给出了接入层阻止广播，低接入优先级指示，重置周期性位置更新时间等多种解决方案。

　　●签约控制

　　研究报告分析了MTC签约控制的相关问题，提出SGSN/MME具备根据MTC设备能力，网络能力，运营商策略和MTC签约信息来决定启用或禁用某些MTC特性的能力。同时也指出了需要进一步研究的问题，例如网络获取MTC设备能力的方法，MTC 设备的漫游场景下等。

　　●标识和寻址

　　MTC通信的标识问题已经另外立项进行详细研究。本报告主要研究了MT过程中MTC终端的寻址方法，按照MTC服务器部署位置的不同，报告详细分析了寻址功能的需求，给出了NATTT和微端口转发技术寻址两种解决方案。

　　●时间控制特性

　　时间受控特性适用于那些可以在预设时间段内完成数据收发的物联网应用。报告指出，归属网络运营商应分别预设MTC终端的许可时间段和服务禁止时间段。服务网络运营商可以根据本地策略修改许可时间段，设置MTC终端的通信窗口等。

　　●MTC监控特性

　　MTC监控是运营商网络为物联网签约用户提供的针对MTC终端行为的监控服务。包括监控事件签约、监控事件侦测、事件报告和后续行动触发等完整的解决方案。

　　4  M2M在3GPP2的标准进展概况

　　为推动CDAM系统M2M支撑技术的研究，3GPP2在2010年1月曼谷会议上通过了M2M的立项。建议从以下方面加快M2M的研究进程。

　　（1）当运营商部署M2M 应用时，应给运营商带来较低的运营复杂度。

　　（2）降低处理大量M2M设备群组对网络的影响和处理工作量。

　　（3）优化网络工作模式，以降低对M2M终端功耗的影响等研究领域。

　　（4）通过运营商提供满足M2M需要的业务，鼓励部署更多的M2M应用。

　　3GPP2中M2M的研究参考了3GPP中定义的业务需求，研究的重点在于cdma2000网络如何支持M2M通信，具体内容包括3GPP2体系结构增强、无线网络增强和分组数据核心网络增强。

　　5  M2M在CCSA的进展概况

　　M2M相关的标准化工作在中国通信标准化协会中主要在移动通信工作委员会（TC5）和泛在网技术工作委员会（TC10）进行。主要工作内容如下：

　　（1）TC5 WG7完成了移动M2M业务研究报告，描述了M2M的典型应用、分析了M2M的商业模式、业务特征以及流量模型，给出了M2M业务标准化的建议。

　　（2）TC5 WG9于2010年立项的支持M2M通信的移动网络技术研究，任务是跟踪3GPP的研究进展，结合国内需求，研究M2M通信对RAN和核心网络的影响及其优化方案等。

　　（3）TC10 WG2 M2M业务总体技术要求，定义M2M业务概念、描述M2M场景和业务需求、系统架构、接口以及计费认证等要求。

　　（4）TC10 WG2 M2M通信应用协议技术要求，规定M2M通信系统中端到端的协议技术要求。

　　6  结束语

　　M2M研究是ETSI和3GPP以及3GPP2标准化组织的研究重点之一，研究相对更加系统，进展也比较快，在完成需求阶段工作基础上，第二阶段网络系统架构也已获得初步成果。3GPP的研究重点在于移动网络优化技术，目前已经有了阶段性的研究成果；ETSI研究了多种行业应用需求，成果向应用的移植过程比较平稳，同时这两个标准化组织注意保持两个研究体系间的协同和兼容，国内的标准化工作正在如火如荼的进行。标准化是物联网发展过程中的重要一环，研究和制定M2M的标准化工作有对物联网的发展有着重要的意义，对我国物联网技术发展，乃至对通信业与物联网应用行业间的融合有着重要的借鉴价值和指导意义。