摘要：物聯(lián)網(wǎng)是世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮，并已成為世界各國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。機(jī)器通信作為物聯(lián)網(wǎng)實施的重要一環(huán)，受到越來越多的關(guān)注并已應(yīng)用在很多領(lǐng)域。文章介紹了機(jī)器通信的模式和特點，其中最突出的特征是反向小流量業(yè)務(wù)是機(jī)器通信的主體。并將通信網(wǎng)絡(luò)承載機(jī)器通信的演進(jìn)趨勢分為3個階段：即混同承載、區(qū)別承載和獨立承載。文章認(rèn)為，機(jī)器通信業(yè)務(wù)的初始階段，是業(yè)務(wù)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)；而機(jī)器通信業(yè)務(wù)如果規(guī)?；揭欢ǔ潭群?，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該適應(yīng)業(yè)務(wù)。

　　機(jī)器通信業(yè)務(wù)將向規(guī)?；⒎涸诨?、產(chǎn)業(yè)化的方向加速發(fā)展

　　機(jī)器通信具備獨特的通信模式和特征，對通信網(wǎng)絡(luò)提出了新要求

　　通信網(wǎng)絡(luò)承載機(jī)器通信的演進(jìn)趨勢可以劃分為3個階段：混同承載階段、區(qū)別承載階段以及遠(yuǎn)期的獨立承載階段

　　通信網(wǎng)絡(luò)從誕生開始，一直就以滿足人與人的語音通信為目標(biāo)。Internet興起后，為了承載各種新型數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，在接入網(wǎng)、核心網(wǎng)和傳輸網(wǎng)等層面進(jìn)行了相應(yīng)的演進(jìn)。而今，隨著機(jī)器通信業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展和對其未來的良好預(yù)期，通信網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)又獲得了重要的推動力。

　　1 機(jī)器通信概述

　　機(jī)器通信，又稱為M2M通信，指通信一方或雙方是機(jī)器，且機(jī)器通過程序控制能自動完成整個通信過程的通信形式。機(jī)器通信包含機(jī)器到機(jī)器、人到機(jī)器和機(jī)器到人3種類型的通信業(yè)務(wù)。通過機(jī)器通信，不但機(jī)器和機(jī)器之間可以進(jìn)行信息交互，機(jī)器還可以響應(yīng)來自人或后端系統(tǒng)（也是一種機(jī)器）的控制指令，或?qū)⒉杉降男畔魉徒o人或后端系統(tǒng)。文章關(guān)注的機(jī)器通信業(yè)務(wù)，主要指借助電信運(yùn)營商的通信網(wǎng)絡(luò)（以下簡稱“通信網(wǎng)絡(luò)”）進(jìn)行廣域互連的機(jī)器通信業(yè)務(wù)。同時，論述的重點以采用移動蜂窩網(wǎng)接入的機(jī)器通信業(yè)務(wù)為主。

　　機(jī)器通信業(yè)務(wù)早已存在，只不過一方面，部分機(jī)器通信業(yè)務(wù)和公共通信網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，例如在一些特定行業(yè)里，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)早已被用作遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制的通信手段；另一方面，業(yè)務(wù)總體尚未到達(dá)一定規(guī)模，因而關(guān)注度相對不高。

　　作為物聯(lián)網(wǎng)體系中的重要一環(huán)，機(jī)器通信業(yè)務(wù)從2009年下半年開始，似乎突然間受到了社會的重點關(guān)注，形成了產(chǎn)業(yè)界的一股新浪潮。人們發(fā)現(xiàn)，一方面機(jī)器通信當(dāng)前已經(jīng)應(yīng)用在很多領(lǐng)域里：環(huán)境感知類應(yīng)用、車載信息類應(yīng)用、無線金融支付類應(yīng)用、Telemetry類應(yīng)用和資產(chǎn)監(jiān)控類應(yīng)用；另一方面機(jī)器通信未來會有更廣泛的應(yīng)用：既有應(yīng)用的內(nèi)涵會加深、規(guī)模會逐漸擴(kuò)大，并且將會出現(xiàn)節(jié)能減排、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能家居等更多的可以廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域。

　　對于電信運(yùn)營商而言，機(jī)器通信業(yè)務(wù)還有一層重要意義：隨著傳統(tǒng)通信市場的逐漸飽和，機(jī)器通信業(yè)務(wù)成為運(yùn)營商拓展空間的重要方向。這是因為，未來連入網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器數(shù)量十分可觀，甚至超過連入網(wǎng)絡(luò)的人的數(shù)量。電信運(yùn)營商逐漸開始重視機(jī)器通信業(yè)務(wù)，并積極投身到機(jī)器通信業(yè)務(wù)的推進(jìn)工作中。例如，Orange面對M2M業(yè)務(wù)，針對不同需求類型的客戶，分別推出了通道化業(yè)務(wù)、標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)平臺業(yè)務(wù)和行業(yè)定制化業(yè)務(wù)。而在中國，中國電信和中國移動都在機(jī)器通信領(lǐng)域進(jìn)行了大量的探索和實踐工作。

　　面對龐大的應(yīng)用需求，在產(chǎn)業(yè)各方的積極推動下，機(jī)器通信業(yè)務(wù)將向規(guī)?；?、泛在化、產(chǎn)業(yè)化的方向加速發(fā)展。那么，相對于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，機(jī)器通信有哪些特點？通信網(wǎng)絡(luò)如何承載機(jī)器通信業(yè)務(wù)？這些問題已經(jīng)成為當(dāng)前通信界關(guān)注的熱點。

　　2 機(jī)器通信特點

　　我們可以從多個角度來觀察并分析機(jī)器通信的特點。例如數(shù)據(jù)的流向、數(shù)據(jù)流量所需帶寬、機(jī)器終端的移動性、傳輸操作的觸發(fā)機(jī)制和時間特性等等。

　　（1）反向流量是機(jī)器通信的主要流量

　　當(dāng)前的大多數(shù)機(jī)器通信業(yè)務(wù)，處于機(jī)器通信發(fā)展的第一個階段，特點是以信息采集為主。如智能測量中的抄表應(yīng)用、水文監(jiān)測應(yīng)用、環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用等。信息的流向是從采集點的機(jī)器終端通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到客戶的后端應(yīng)用系統(tǒng)。借用移動蜂窩網(wǎng)的術(shù)語，當(dāng)前的機(jī)器通信業(yè)務(wù)以反向流量為主。隨著機(jī)器通信發(fā)展第二個階段的出現(xiàn)，遠(yuǎn)程控制功能得以加強(qiáng)、信息發(fā)布類應(yīng)用廣泛出現(xiàn)，前向流量會逐漸增加。而到了第三個階段，機(jī)器通信的目標(biāo)變成了其它機(jī)器，這種場景下數(shù)據(jù)流向特征可能就是基本對稱了。

　　總的來說，綜合機(jī)器通信類應(yīng)用的特點，尤其是后端客戶應(yīng)用系統(tǒng)的中樞智能特征等因素，反向流量將仍然長期是機(jī)器通信的主要流量。與此形成對照的是，目前手機(jī)終端的數(shù)據(jù)流量、上網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)流量主要以前向流量為主。

　?。?）小流量業(yè)務(wù)是機(jī)器通信主體

　　從數(shù)據(jù)流量所需的帶寬來看，機(jī)器通信大致可以分為大流量業(yè)務(wù)和小流量業(yè)務(wù)兩大類。大流量業(yè)務(wù)主要體現(xiàn)在兩類應(yīng)用：視頻采集類應(yīng)用和數(shù)據(jù)匯聚傳輸類應(yīng)用。視頻采集類應(yīng)用從監(jiān)視區(qū)域采集視頻信息以流媒體的形式上傳到遠(yuǎn)端平臺。在環(huán)保監(jiān)控類應(yīng)用、公交監(jiān)控類應(yīng)用中都有實際使用。數(shù)據(jù)匯聚傳輸類應(yīng)用的主要體現(xiàn)形式是使用無線路由器的應(yīng)用場景。

 　　大流量業(yè)務(wù)之外，更廣泛的機(jī)器通信需求集中在小流量業(yè)務(wù)中。這些小流量應(yīng)用的典型特征是一次通信過程中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)極其有限，也就在1 ~10 kbit/s之間。這樣的數(shù)據(jù)傳輸量，在通信質(zhì)量較好的2.5 Gbit/s蜂窩網(wǎng)，如CDMA 1X網(wǎng)絡(luò)里，數(shù)秒之內(nèi)就可以傳輸完畢。典型案例如出租車輛的軌跡跟蹤，一次通信過程主要向后端應(yīng)用系統(tǒng)傳送定位信息。而定位信息主要包含經(jīng)度、緯度、高度、速度等信息，數(shù)據(jù)流量很小。甚至一些開關(guān)量應(yīng)用，每次數(shù)據(jù)傳送只是“開”或者“關(guān)”信息，數(shù)據(jù)流量就更小了。

　　從當(dāng)前應(yīng)用情況來看，小流量業(yè)務(wù)是機(jī)器通信的主體。

　　（3）大量終端具備低移動性的特點

　　從機(jī)器終端的移動性角度來看，機(jī)器通信類應(yīng)用有4種情況。第一種是大范圍移動的機(jī)器終端，如車載終端，尤其是出租車車輛的車載終端；第二種是游牧型的機(jī)器終端，如無線POS；第三種是在一個很小范圍內(nèi)移動的機(jī)器終端，如在家居環(huán)境中的遠(yuǎn)程健康監(jiān)測終端；第四種則是基本不移動，甚至可以說是在固定地點接入的機(jī)器終端，如很多用于環(huán)保監(jiān)控的終端，基本就固定在環(huán)保監(jiān)控源附近。

　　雖然有4種類型的機(jī)器通信類應(yīng)用，需要指出的是，符合第四種情況的機(jī)器終端應(yīng)用，不在少數(shù)。

　　（4）機(jī)器終端傳輸操作的觸發(fā)機(jī)制和時間特性各不相同

　　從傳輸操作觸發(fā)機(jī)制和時間特性來看，主要可以分為3種類型。

　　第一種是條件觸發(fā)的即時性傳輸類型。此類機(jī)器終端在滿足某種條件的情況下，將包含相關(guān)信息的數(shù)據(jù)立即傳送到后臺應(yīng)用。所謂“某種條件”，會因具體應(yīng)用的不同而存在不同情形。例如，開關(guān)量監(jiān)控類應(yīng)用，一旦開關(guān)量發(fā)生變化，終端應(yīng)立即上報信息；指標(biāo)監(jiān)控類應(yīng)用，一旦指標(biāo)超過門限，終端應(yīng)立即上報信息。位置觸發(fā)類應(yīng)用，一旦終端到達(dá)一定地域，終端應(yīng)立即上報信息。

　　第二種是時間觸發(fā)的即時性傳輸類型。例如，車輛軌跡跟蹤類應(yīng)用。一般情況下，車輛終端會以一定時長為周期，周期性的上報車輛的定位信息。觸發(fā)數(shù)據(jù)上報操作的是以時間為基準(zhǔn)的內(nèi)部觸發(fā)機(jī)制。

　　第三種是時間觸發(fā)的非即時性傳輸類型。此類應(yīng)用主要用于特定時刻的數(shù)據(jù)收集，后端應(yīng)用采集這些數(shù)據(jù)主要用于后分析。此類應(yīng)用，并不強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)上傳的即時性。終端可以在數(shù)據(jù)產(chǎn)生后的一定時間內(nèi)上傳數(shù)據(jù)即可。

　　（5）機(jī)器通信的其它重要特征

　　機(jī)器通信的一個重要特點就是通信終端的“程序自動控制”。程序自動控制通信操作，與人為控制通信操作有很大的不同。程序自動控制模式可以讓終端在較短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的呼叫。例如，移動的機(jī)器終端可能會聚集到一個小區(qū)內(nèi)，并都試圖建立和網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)連接。由于小區(qū)容量有限，出現(xiàn)連接失敗的情形。而連接失敗的終端被程序控制，很快再次呼叫網(wǎng)絡(luò)……如此往復(fù)，加劇了小區(qū)的通信處理負(fù)荷，甚至造成小區(qū)的擁塞。

　　另外，很多行業(yè)終端散布在諸如野外等無法提供電源的地點。雖然可以采用太陽能供電，但出于成本的考慮，絕大多數(shù)此類終端只能使用電池供電。為了降低維護(hù)保養(yǎng)成本，這些電池供電的終端至少能夠持續(xù)工作半年，目的甚至能夠達(dá)到1年以上。這就要求，包括通信單元在內(nèi)的整個終端單元必須具備低功耗，甚至超低功耗的特征。

　　此外，機(jī)器通信還具備諸如“基于組的特性”、“雙向觸發(fā)”等特征。這里不再進(jìn)行描述?？傊?，機(jī)器通信具備獨特的通信模式和特征，對于主要基于傳統(tǒng)語音通信和上網(wǎng)業(yè)務(wù)的通信網(wǎng)絡(luò)提出了新的要求。

　　3 通信網(wǎng)絡(luò)承載機(jī)器通信的演進(jìn)趨勢

　　當(dāng)前的通信網(wǎng)絡(luò)，尤其是蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)，在設(shè)計時是以所承載的業(yè)務(wù)主要是語音、上網(wǎng)等業(yè)務(wù)為前提的。從數(shù)據(jù)通道來看，無論從承載通道設(shè)計、信令交互設(shè)計、容量和覆蓋規(guī)劃等多個層面，都主要考慮的是以前向流量為主，以手機(jī)終端和上網(wǎng)卡為主的業(yè)務(wù)。在機(jī)器通信業(yè)務(wù)規(guī)?；l(fā)展的前景下，筆者認(rèn)為，通信網(wǎng)絡(luò)承載機(jī)器通信的演進(jìn)趨勢可以劃分為3個階段。如圖1所示，即混同承載階段、區(qū)別承載階段以及遠(yuǎn)期的獨立承載階段。

　?。?）業(yè)務(wù)發(fā)展初期，通信網(wǎng)絡(luò)采用混同承載方式

　　在混同承載階段，通信網(wǎng)絡(luò)從接入網(wǎng)開始，到核心網(wǎng)的各個環(huán)節(jié)都沒有將機(jī)器通信和上網(wǎng)卡等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)區(qū)分開來。這些不同類型的通信業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)采用同一種模式進(jìn)行承載。造成這種局面的主要原因是網(wǎng)絡(luò)側(cè)目前不能以比較簡單的方式實現(xiàn)區(qū)分業(yè)務(wù)。而且雖然存在一定的需求，業(yè)務(wù)也開始形成一定的規(guī)模。但在機(jī)器通信發(fā)展的初期，業(yè)務(wù)規(guī)模仍然有限。從投入產(chǎn)出效益來看，沒有足夠的理由啟動對網(wǎng)絡(luò)的改造。

　　在混同承載階段，基本處理策略是網(wǎng)絡(luò)不作大的改動，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)基本不變，主要通過終端側(cè)采取一些措施，應(yīng)對程序自動化等特征帶來的問題，間接地增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)對機(jī)器通信的承載能力。同時，運(yùn)營商也在探索構(gòu)建針對機(jī)器通信的業(yè)務(wù)平臺，例如M2M平臺，通過提供針對機(jī)器終端的監(jiān)測控制、以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)路由等功能，從另一方面增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的承載能力。

 　?。?）通信網(wǎng)絡(luò)要實現(xiàn)對于機(jī)器通信的區(qū)別承載

　　畢竟，機(jī)器通信有其不同于以往傳統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的特征。隨著機(jī)器通信業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，業(yè)務(wù)規(guī)模的增加，逐漸對包括碼號資源、傳輸信道資源等在內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)資源造成了較大的壓力。為了避免這種壓力對整個通信網(wǎng)絡(luò)造成大的負(fù)面影響，必須在網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行相應(yīng)的改造來實現(xiàn)區(qū)別承載。

　　歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(ETSI)的專家們就此在M2M 功能架構(gòu)中進(jìn)行了相應(yīng)闡述，如圖2所示：

　　ETSI的專家們提出在接入網(wǎng)、核心網(wǎng)以及傳輸網(wǎng)層面都可能需要進(jìn)行改造，以提供承載機(jī)器通信的新的網(wǎng)絡(luò)能力。此外，還需要提供一些服務(wù)能力來支撐機(jī)器通信業(yè)務(wù)的承載。筆者認(rèn)為后者將主要依靠M2M平臺的演進(jìn)來實現(xiàn)，而前者的實現(xiàn)需要根據(jù)機(jī)器通信的具體特征采取相應(yīng)的改進(jìn)機(jī)制。例如，針對低移動性、甚至固定安放的機(jī)器終端，可以簡化移動性管理相關(guān)的信令處理流程。這樣做，一方面可以減少信令數(shù)據(jù)流量，另一方面也可以減少終端通信單元的信令交互操作，從而達(dá)到降低功耗的目的。

　　要實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)對于機(jī)器通信業(yè)務(wù)的區(qū)別承載，通信網(wǎng)絡(luò)固然要具備針對性的承載機(jī)制。但首先，通信網(wǎng)絡(luò)需要將機(jī)器通信業(yè)務(wù)從眾多數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中識別出來，才能夠進(jìn)一步區(qū)別對待。要實現(xiàn)這種識別功能，可以采取多種措施，例如：

　　機(jī)器終端接入網(wǎng)絡(luò)可以采用單獨的網(wǎng)絡(luò)接入標(biāo)識符NAI；
機(jī)器終端可采用獨立號段，將其和使用普通號段的終端區(qū)分開來；
在歸屬位置寄存器(HLR)等相關(guān)設(shè)備中，針對機(jī)器終端設(shè)置相應(yīng)的區(qū)分標(biāo)識。

　　需要注意的是，一方面，上述這些措施，實施工作量大小不一；另一方面，可能需要多種措施綜合使用，方能達(dá)到較好的效果。而且，不但是網(wǎng)絡(luò)承載，包括業(yè)務(wù)承載（業(yè)務(wù)開通、計費(fèi)等）同樣需要借助這些手段實現(xiàn)區(qū)別對待。

　　（3）遠(yuǎn)期，通信網(wǎng)絡(luò)可能需要實現(xiàn)對于機(jī)器通信的獨立承載

　　當(dāng)機(jī)器通信業(yè)務(wù)規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)大，和其它共享通信信道的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)之間會出現(xiàn)較大的互干擾問題，單純從技術(shù)手段解決可能過于復(fù)雜。另外，可能出現(xiàn)大量對通信服務(wù)等級協(xié)議(SLA)要求較高的機(jī)器通信業(yè)務(wù)。這些因素導(dǎo)致可能需要采用物理或邏輯隔離的網(wǎng)絡(luò)承載（部分）機(jī)器通信業(yè)務(wù)。這可能包含了物理或邏輯獨立的接入網(wǎng)，以及核心網(wǎng)中專設(shè)的互聯(lián)子網(wǎng)。

　　4 小結(jié)和展望

　　近年來，中國和國際上的通信標(biāo)準(zhǔn)組織在機(jī)器通信方面陸續(xù)開始開展相關(guān)研究。國際電信聯(lián)盟遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)化組織(ITU-T)主要從下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)的視角出發(fā)關(guān)注泛在網(wǎng)的需求和架構(gòu)等。第三代合作伙伴計劃(3GPP)則主要從移動網(wǎng)絡(luò)出發(fā)關(guān)注機(jī)器通信的需求，以及面向機(jī)器通信的網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)和優(yōu)化工作。為推動M2M支撐技術(shù)的研究，3GPP2在2010年1月曼谷會議上也通過了M2M的立項。明確了當(dāng)運(yùn)營商部署M2M 應(yīng)用時，應(yīng)給運(yùn)營商帶來較低的運(yùn)營復(fù)雜度；優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)工作模式，以降低對M2M終端功耗的影響等研究領(lǐng)域。中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(CCSA)于2010年2月初成立了泛在網(wǎng)技術(shù)委員會（TC10），統(tǒng)一部署和開展泛在網(wǎng)的應(yīng)用和技術(shù)研究。但總的來看，關(guān)于機(jī)器通信的標(biāo)準(zhǔn)仍然處于需求和架構(gòu)分析階段，即處于起步階段。

　　從光接入、無線寬帶接入、智能業(yè)務(wù)平臺等通信網(wǎng)絡(luò)的幾大發(fā)展方向來看，機(jī)器通信對于無線寬帶接入提出了更多的要求。機(jī)器通信業(yè)務(wù)具有和以往移動蜂窩網(wǎng)承載的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)不同的通信模式和特征，需要網(wǎng)絡(luò)作出適應(yīng)性的改變。如果說，機(jī)器通信業(yè)務(wù)的初始階段，是業(yè)務(wù)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。那么我們可以說，機(jī)器通信業(yè)務(wù)的大發(fā)展階段，則應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)業(yè)務(wù)。當(dāng)然，這是一個漸進(jìn)的過程。而當(dāng)前正處于從混同承載階段向區(qū)別承載階段的轉(zhuǎn)變的過程之中。

　　總之，從機(jī)器通信業(yè)務(wù)的承載現(xiàn)狀，以及未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展愿景來看，目前的通信網(wǎng)絡(luò)仍然有很多通信需求未能滿足。機(jī)器通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，將進(jìn)一步推動通信網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)。

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