机器通信与网络演进

• 机器通信业务将向规模化、泛在化、产业化的方向加速发展
• 机器通信具备独特的通信模式和特征，对通信网络提出了新要求
• 通信网络承载机器通信的演进趋势可以划分为3个阶段：混同承载阶段、区别承载阶段以及远期的独立承载阶段

    通信网络从诞生开始，一直就以满足人与人的语音通信为目标。Internet兴起后，为了承载各种新型数据通信业务，在接入网、核心网和传输网等层面进行了相应的演进。而今，随着机器通信业务的蓬勃发展和对其未来的良好预期，通信网络的演进又获得了重要的推动力。

1 机器通信概述 
    机器通信，又称为M2M通信，指通信一方或双方是机器，且机器通过程序控制能自动完成整个通信过程的通信形式。机器通信包含机器到机器、人到机器和机器到人3种类型的通信业务。通过机器通信，不但机器和机器之间可以进行信息交互，机器还可以响应来自人或后端系统（也是一种机器）的控制指令，或将采集到的信息传送给人或后端系统。文章关注的机器通信业务，主要指借助电信运营商的通信网络（以下简称“通信网络”）进行广域互连的机器通信业务。同时，论述的重点以采用移动蜂窝网接入的机器通信业务为主。

    机器通信业务早已存在，只不过一方面，部分机器通信业务和公共通信网络无关，例如在一些特定行业里，数据采集与监控系统(SCADA)早已被用作远距离数据采集和设备控制的通信手段；另一方面，业务总体尚未到达一定规模，因而关注度相对不高。

    作为物联网体系中的重要一环，机器通信业务从2009年下半年开始，似乎突然间受到了社会的重点关注，形成了产业界的一股新浪潮。人们发现，一方面机器通信当前已经应用在很多领域里：环境感知类应用、车载信息类应用、无线金融支付类应用、Telemetry类应用和资产监控类应用；另一方面机器通信未来会有更广泛的应用：既有应用的内涵会加深、规模会逐渐扩大，并且将会出现节能减排、远程医疗、智能家居等更多的可以广泛应用的领域。

    对于电信运营商而言，机器通信业务还有一层重要意义：随着传统通信市场的逐渐饱和，机器通信业务成为运营商拓展空间的重要方向。这是因为，未来连入网络的机器数量十分可观，甚至超过连入网络的人的数量。电信运营商逐渐开始重视机器通信业务，并积极投身到机器通信业务的推进工作中。例如，Orange面对M2M业务，针对不同需求类型的客户，分别推出了通道化业务、标准业务平台业务和行业定制化业务。而在中国，中国电信和中国移动都在机器通信领域进行了大量的探索和实践工作。

    面对庞大的应用需求，在产业各方的积极推动下，机器通信业务将向规模化、泛在化、产业化的方向加速发展。那么，相对于传统的数据通信业务，机器通信有哪些特点？通信网络如何承载机器通信业务？这些问题已经成为当前通信界关注的热点。

2 机器通信特点 
    我们可以从多个角度来观察并分析机器通信的特点。例如数据的流向、数据流量所需带宽、机器终端的移动性、传输操作的触发机制和时间特性等等。

    （1）反向流量是机器通信的主要流量
    当前的大多数机器通信业务，处于机器通信发展的第一个阶段，特点是以信息采集为主。如智能测量中的抄表应用、水文监测应用、环境监测应用等。信息的流向是从采集点的机器终端通过通信网络传送到客户的后端应用系统。借用移动蜂窝网的术语，当前的机器通信业务以反向流量为主。随着机器通信发展第二个阶段的出现，远程控制功能得以加强、信息发布类应用广泛出现，前向流量会逐渐增加。而到了第三个阶段，机器通信的目标变成了其它机器，这种场景下数据流向特征可能就是基本对称了。

    总的来说，综合机器通信类应用的特点，尤其是后端客户应用系统的中枢智能特征等因素，反向流量将仍然长期是机器通信的主要流量。与此形成对照的是，目前手机终端的数据流量、上网卡的数据流量主要以前向流量为主。

    （2）小流量业务是机器通信主体
    从数据流量所需的带宽来看，机器通信大致可以分为大流量业务和小流量业务两大类。大流量业务主要体现在两类应用：视频采集类应用和数据汇聚传输类应用。视频采集类应用从监视区域采集视频信息以流媒体的形式上传到远端平台。在环保监控类应用、公交监控类应用中都有实际使用。数据汇聚传输类应用的主要体现形式是使用无线路由器的应用场景。

    大流量业务之外，更广泛的机器通信需求集中在小流量业务中。这些小流量应用的典型特征是一次通信过程中传输的数据极其有限，也就在1 ~10 kbit/s之间。这样的数据传输量，在通信质量较好的2.5 Gbit/s蜂窝网，如CDMA 1X网络里，数秒之内就可以传输完毕。典型案例如出租车辆的轨迹跟踪，一次通信过程主要向后端应用系统传送定位信息。而定位信息主要包含经度、纬度、高度、速度等信息，数据流量很小。甚至一些开关量应用，每次数据传送只是“开”或者“关”信息，数据流量就更小了。

    从当前应用情况来看，小流量业务是机器通信的主体。

    （3）大量终端具备低移动性的特点
    从机器终端的移动性角度来看，机器通信类应用有4种情况。第一种是大范围移动的机器终端，如车载终端，尤其是出租车车辆的车载终端；第二种是游牧型的机器终端，如无线POS；第三种是在一个很小范围内移动的机器终端，如在家居环境中的远程健康监测终端；第四种则是基本不移动，甚至可以说是在固定地点接入的机器终端，如很多用于环保监控的终端，基本就固定在环保监控源附近。

    虽然有4种类型的机器通信类应用，需要指出的是，符合第四种情况的机器终端应用，不在少数。

    （4）机器终端传输操作的触发机制和时间特性各不相同
    从传输操作触发机制和时间特性来看，主要可以分为3种类型。

    第一种是条件触发的即时性传输类型。此类机器终端在满足某种条件的情况下，将包含相关信息的数据立即传送到后台应用。所谓“某种条件”，会因具体应用的不同而存在不同情形。例如，开关量监控类应用，一旦开关量发生变化，终端应立即上报信息；指标监控类应用，一旦指标超过门限，终端应立即上报信息。位置触发类应用，一旦终端到达一定地域，终端应立即上报信息。

    第二种是时间触发的即时性传输类型。例如，车辆轨迹跟踪类应用。一般情况下，车辆终端会以一定时长为周期，周期性的上报车辆的定位信息。触发数据上报操作的是以时间为基准的内部触发机制。

    第三种是时间触发的非即时性传输类型。此类应用主要用于特定时刻的数据收集，后端应用采集这些数据主要用于后分析。此类应用，并不强调数据上传的即时性。终端可以在数据产生后的一定时间内上传数据即可。

    （5）机器通信的其它重要特征
    机器通信的一个重要特点就是通信终端的“程序自动控制”。程序自动控制通信操作，与人为控制通信操作有很大的不同。程序自动控制模式可以让终端在较短时间内产生大量的呼叫。例如，移动的机器终端可能会聚集到一个小区内，并都试图建立和网络的数据连接。由于小区容量有限，出现连接失败的情形。而连接失败的终端被程序控制，很快再次呼叫网络……如此往复，加剧了小区的通信处理负荷，甚至造成小区的拥塞。

    另外，很多行业终端散布在诸如野外等无法提供电源的地点。虽然可以采用太阳能供电，但出于成本的考虑，绝大多数此类终端只能使用电池供电。为了降低维护保养成本，这些电池供电的终端至少能够持续工作半年，目的甚至能够达到1年以上。这就要求，包括通信单元在内的整个终端单元必须具备低功耗，甚至超低功耗的特征。

    此外，机器通信还具备诸如“基于组的特性”、“双向触发”等特征。这里不再进行描述。总之，机器通信具备独特的通信模式和特征，对于主要基于传统语音通信和上网业务的通信网络提出了新的要求。

3 通信网络承载机器通信的演进趋势 
    当前的通信网络，尤其是蜂窝通信网络，在设计时是以所承载的业务主要是语音、上网等业务为前提的。从数据通道来看，无论从承载通道设计、信令交互设计、容量和覆盖规划等多个层面，都主要考虑的是以前向流量为主，以手机终端和上网卡为主的业务。在机器通信业务规模化发展的前景下，笔者认为，通信网络承载机器通信的演进趋势可以划分为3个阶段。如图1所示，即混同承载阶段、区别承载阶段以及远期的独立承载阶段。

    （1）业务发展初期，通信网络采用混同承载方式
    在混同承载阶段，通信网络从接入网开始，到核心网的各个环节都没有将机器通信和上网卡等数据业务区分开来。这些不同类型的通信业务，网络采用同一种模式进行承载。造成这种局面的主要原因是网络侧目前不能以比较简单的方式实现区分业务。而且虽然存在一定的需求，业务也开始形成一定的规模。但在机器通信发展的初期，业务规模仍然有限。从投入产出效益来看，没有足够的理由启动对网络的改造。

    在混同承载阶段，基本处理策略是网络不作大的改动，网络参数基本不变，主要通过终端侧采取一些措施，应对程序自动化等特征带来的问题，间接地增强网络对机器通信的承载能力。同时，运营商也在探索构建针对机器通信的业务平台，例如M2M平台，通过提供针对机器终端的监测控制、以及业务数据路由等功能，从另一方面增强网络的承载能力。

    （2）通信网络要实现对于机器通信的区别承载
    毕竟，机器通信有其不同于以往传统数据通信的特征。随着机器通信业务的不断发展，业务规模的增加，逐渐对包括码号资源、传输信道资源等在内的通信网络资源造成了较大的压力。为了避免这种压力对整个通信网络造成大的负面影响，必须在网络侧进行相应的改造来实现区别承载。

    欧洲电信标准化协会(ETSI)的专家们就此在M2M 功能架构中进行了相应阐述，如图2所示：

    ETSI的专家们提出在接入网、核心网以及传输网层面都可能需要进行改造，以提供承载机器通信的新的网络能力。此外，还需要提供一些服务能力来支撑机器通信业务的承载。笔者认为后者将主要依靠M2M平台的演进来实现，而前者的实现需要根据机器通信的具体特征采取相应的改进机制。例如，针对低移动性、甚至固定安放的机器终端，可以简化移动性管理相关的信令处理流程。这样做，一方面可以减少信令数据流量，另一方面也可以减少终端通信单元的信令交互操作，从而达到降低功耗的目的。

    要实现通信网络对于机器通信业务的区别承载，通信网络固然要具备针对性的承载机制。但首先，通信网络需要将机器通信业务从众多数据业务中识别出来，才能够进一步区别对待。要实现这种识别功能，可以采取多种措施，例如：

• 机器终端接入网络可以采用单独的网络接入标识符NAI；
• 机器终端可采用独立号段，将其和使用普通号段的终端区分开来；
• 在归属位置寄存器(HLR)等相关设备中，针对机器终端设置相应的区分标识。

    需要注意的是，一方面，上述这些措施，实施工作量大小不一；另一方面，可能需要多种措施综合使用，方能达到较好的效果。而且，不但是网络承载，包括业务承载（业务开通、计费等）同样需要借助这些手段实现区别对待。

    （3）远期，通信网络可能需要实现对于机器通信的独立承载
    当机器通信业务规模继续扩大，和其它共享通信信道的数据业务之间会出现较大的互干扰问题，单纯从技术手段解决可能过于复杂。另外，可能出现大量对通信服务等级协议(SLA)要求较高的机器通信业务。这些因素导致可能需要采用物理或逻辑隔离的网络承载（部分）机器通信业务。这可能包含了物理或逻辑独立的接入网，以及核心网中专设的互联子网。

4 小结和展望 
    近年来，中国和国际上的通信标准组织在机器通信方面陆续开始开展相关研究。国际电信联盟远程通信标准化组织(ITU-T)主要从下一代网络(NGN)的视角出发关注泛在网的需求和架构等。第三代合作伙伴计划(3GPP)则主要从移动网络出发关注机器通信的需求，以及面向机器通信的网络改进和优化工作。为推动M2M支撑技术的研究，3GPP2在2010年1月曼谷会议上也通过了M2M的立项。明确了当运营商部署M2M 应用时，应给运营商带来较低的运营复杂度；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。中国通信标准化协会(CCSA)于2010年2月初成立了泛在网技术委员会（TC10），统一部署和开展泛在网的应用和技术研究。但总的来看，关于机器通信的标准仍然处于需求和架构分析阶段，即处于起步阶段。

    从光接入、无线宽带接入、智能业务平台等通信网络的几大发展方向来看，机器通信对于无线宽带接入提出了更多的要求。机器通信业务具有和以往移动蜂窝网承载的数据通信业务不同的通信模式和特征，需要网络作出适应性的改变。如果说，机器通信业务的初始阶段，是业务适应网络。那么我们可以说，机器通信业务的大发展阶段，则应该是网络适应业务。当然，这是一个渐进的过程。而当前正处于从混同承载阶段向区别承载阶段的转变的过程之中。

    总之，从机器通信业务的承载现状，以及未来物联网的发展愿景来看，目前的通信网络仍然有很多通信需求未能满足。机器通信业务的发展，将进一步推动通信网络的演进。

5 参考文献
[1] Draft ETSI TS 102 690 V<0.1.3> [S]. 2010.
[2] 3GPP TR 23.888 V0.1.2 [S]. 2010.

收稿日期：2010-04-25

[摘要] 物联网是世界信息产业第三次浪潮，并已成为世界各国经济社会发展的新兴战略性产业。机器通信作为物联网实施的重要一环，受到越来越多的关注并已应用在很多领域。文章介绍了机器通信的模式和特点，其中最突出的特征是反向小流量业务是机器通信的主体。并将通信网络承载机器通信的演进趋势分为3个阶段：即混同承载、区别承载和独立承载。文章认为，机器通信业务的初始阶段，是业务适应网络；而机器通信业务如果规模化到一定程度后，网络应该适应业务。

[关键词] 机器通信；M2M；泛在网

[Abstract] Internet of Things is the third wave of the information industry and has become a strategic industry in economic and social development worldwide. The most important part in the implementation of Internet of Things, M2M has attracted increasing attention as it continues to be applied in many fields. This paper introduces the M2M module as well as the possible future of M2M; in particular, its application in small reverse flow business. It also proposes that development of M2M networks can be considered in three stages: mix-up bearing mode, differentiated bearing mode, and independent bearing mode. In the initial stage of M2M, business should adapt to suit the network; when it increases in scale, the network should adapt to suit business.

[Keywords] machine-type communication; M2M; ubiquitous network