中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司 北京 100033

1 M2M應(yīng)用模式和智能管道

1.1 M2M應(yīng)用發(fā)展模式

作為暨互聯(lián)網(wǎng)后又一個新型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施以及信息技術(shù)革命的新一代浪潮，物聯(lián)網(wǎng)是國家大力推動的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)界也紛紛預(yù)測物聯(lián)網(wǎng)具有龐大的市場規(guī)模和美好的前景。

M2M(Machine-to-Machine)，泛指沒有人介入的通信，中文可稱作機器通信；M2M網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)是指為機器終端提供網(wǎng)絡(luò)接入的服務(wù)。圍繞物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中信息通信環(huán)節(jié)所開展的M2M業(yè)務(wù)是電信運營商在物聯(lián)網(wǎng)市場上的核心業(yè)務(wù)，其中M2M網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)又是電信運營商在M2M業(yè)務(wù)中所應(yīng)提出的基礎(chǔ)服務(wù)。根據(jù)Machina Research的預(yù)測[1]，從現(xiàn)在至2020年，全球移動運營商40%以上的新增連接來自于M2M業(yè)務(wù)；至2020年M2M連接數(shù)將占移動蜂窩總連接數(shù)的20%。

在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展模式方面，除了以IT為核心、通過系統(tǒng)集成商進行產(chǎn)業(yè)鏈資源整合的傳統(tǒng)性行業(yè)信息化模式外，以CT為核心、通過生態(tài)系統(tǒng)進行產(chǎn)業(yè)鏈資源整合的創(chuàng)新性M2M應(yīng)用模式逐漸成熟[2]。M2M應(yīng)用模式，是在標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，通過產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的協(xié)同合作，形成多類應(yīng)用能夠通用共享的水平化服務(wù)，以專業(yè)化分工來實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的規(guī)?；l(fā)展。M2M應(yīng)用的水平化共性服務(wù)可以分別呈現(xiàn)在多個層次，至少會包括應(yīng)用服務(wù)層、業(yè)務(wù)能力層、網(wǎng)絡(luò)連接層。

1.2 M2M業(yè)務(wù)體系架構(gòu)

在國際標(biāo)準(zhǔn)方面，M2M應(yīng)用宏觀架構(gòu)由三層構(gòu)成已成為業(yè)內(nèi)共識。各層間通過標(biāo)準(zhǔn)API進行能力調(diào)用，通過分層來推動在各層上獨立而又兼容的技術(shù)創(chuàng)新。

通過綜合分析ESTI M2M架構(gòu)[3]和oneM2M的M2M架構(gòu)[4]，結(jié)合國際電信運營商的先期實踐經(jīng)驗，本文提出電信運營商物聯(lián)網(wǎng)M2M業(yè)務(wù)體系應(yīng)采用“三層兩域一支撐”的架構(gòu)如圖1所示。“三層”即網(wǎng)絡(luò)連接層、業(yè)務(wù)能力層和應(yīng)用服務(wù)層；“兩域”即終端域和網(wǎng)絡(luò)域；“一支撐”即M2M專用業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)。而M2M智能管道是網(wǎng)絡(luò)連接層的重要基礎(chǔ)性服務(wù)之一。

圖1 電信運營商物聯(lián)網(wǎng)M2M業(yè)務(wù)體系架構(gòu)

在M2M應(yīng)用的三層產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，電信運營商能夠完全直接控制的環(huán)節(jié)就是網(wǎng)絡(luò)連接層，也是與其他企業(yè)在業(yè)務(wù)能力層和應(yīng)用服務(wù)層服務(wù)上形成差異化優(yōu)勢的基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)連接層需要實現(xiàn)通道本身是可根據(jù)設(shè)定策略而執(zhí)行相應(yīng)管控措施的“智能管道”，更要求對通道的管控是可通過API暴露給應(yīng)用服務(wù)商的，而不是封閉在內(nèi)部僅由電信運營商的網(wǎng)管來控制。

1.3 現(xiàn)有智能管道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及其局限性

現(xiàn)階段，移動通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)智能管道的基礎(chǔ)性技術(shù)是3GPP制定的策略和計費控制技術(shù)(Policy and Charging Control，PCC)。3GPP于2006年Release7版本中提出了最初的PCC架構(gòu)，并隨后在各版本中均不斷升級和完善相關(guān)功能[5]。

PCRF(Policy and Charging Rules Function)可以根據(jù)用戶和業(yè)務(wù)信息、用戶狀態(tài)信息等輸入，動態(tài)進行決策，并通過Gx接口[6]指示GGSN中的PCEF執(zhí)行相應(yīng)策略控制或計費控制規(guī)則——統(tǒng)稱PCC規(guī)則(PCC Rules)。PCEF(Policy and Charging Enforcement Function)是位于GGSN中負(fù)責(zé)策略和計費執(zhí)行的邏輯實體，實施差別計費等計費控制以及限速、門控和業(yè)務(wù)重定向等策略控制。GGSN還可將QoS信息傳遞給SGSN及無線側(cè)，使無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)共同配合進行端到端的承載資源管理。

雖然PCC的標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品化均已比較成熟，在國外先進運營商的網(wǎng)絡(luò)中已有一定規(guī)?；纳逃貌渴?，但是還存在兩個方面的局限性。一是產(chǎn)品化的部署主要是為了滿足人人通信場景下運營商的業(yè)務(wù)經(jīng)營需求，無法滿足M2M場景下應(yīng)用服務(wù)商的自主管控需求。二是現(xiàn)有3GPP標(biāo)準(zhǔn)中基于Rx接口所實現(xiàn)第三方數(shù)據(jù)連通性(Sponsored Data Connectivity)功能，主要是針對IMS等運營商自有業(yè)務(wù)，接口復(fù)雜、功能單一，沒有便于外部應(yīng)用服務(wù)商調(diào)用的API。

本文將PCC架構(gòu)作為探索實現(xiàn)M2M智能管道的研究啟點，通過理論設(shè)計和研發(fā)環(huán)境內(nèi)的實際驗證，針對M2M的需求提出了增強PCC架構(gòu)和相應(yīng)網(wǎng)元設(shè)備的功能的建議，給出了M2M智能管道的建設(shè)部署方案、產(chǎn)品設(shè)計方案和業(yè)務(wù)流程設(shè)計方案。

2 基于PCC架構(gòu)改進的M2M智能管道

2.1 M2M業(yè)務(wù)的管控需求

M2M應(yīng)用模式的分層架構(gòu)決定了在大多數(shù)情況下電信運營商提供的并不是最終的應(yīng)用服務(wù)產(chǎn)品。電信運營商提供的M2M服務(wù)是作為一種使能構(gòu)件銷售給應(yīng)用服務(wù)商或設(shè)備制造商，再由它們將最終應(yīng)用服務(wù)提供給用戶。這種B2B2C和B2B2B的商業(yè)模式，在業(yè)務(wù)服務(wù)上就是電信運營商向應(yīng)用服務(wù)商的能力開放，在產(chǎn)品形態(tài)上就是面向應(yīng)用服務(wù)商提供的API，同時要實現(xiàn)基于生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)營模式和盈利模式[7]。

在B2B2B或B2B2C模式下，M2M通信成為應(yīng)用服務(wù)商向最終用戶提供服務(wù)時的一個成本項。應(yīng)用服務(wù)商希望能夠?qū)2M終端的通信行為進行管控，防止濫用、盜用、誤用，從而避免不必要的通信成本支出。同時，電信運營商希望通過新型資費結(jié)構(gòu)來引導(dǎo)應(yīng)用服務(wù)商實施網(wǎng)絡(luò)友好型的應(yīng)用服務(wù)、選擇更適合其服務(wù)特性的通道產(chǎn)品、更合理地使用電信運營商的網(wǎng)絡(luò)資源，從而提升電信運營商自身EBITDA和利潤。因此，電信運營商和應(yīng)用服務(wù)商都希望對M2M終端通信行為進行更強有力的策略與計費控制。

通過借鑒國內(nèi)外電信運營商在M2M業(yè)務(wù)方面的實踐經(jīng)驗以及國際標(biāo)準(zhǔn)組織的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，在總體技術(shù)方案上電信運營商應(yīng)通過建設(shè)M2M專用業(yè)務(wù)支撐體系(如圖2所示)，來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)連接層和業(yè)務(wù)能力層的水平通用共性能力，并進一步基于這些能力形成標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)(或產(chǎn)品)，為內(nèi)外部應(yīng)用系統(tǒng)提供通用支撐能力(如圖3所示)。

通過局?jǐn)?shù)據(jù)配置，電信運營商可將專用MSISDN和IMSI號段指向?qū)Ｓ肕-HLR，使M-HLR負(fù)責(zé)M2M終端簽約信息的集中管理，并根據(jù)M2M管控平臺下發(fā)的聯(lián)機指令進行M2M SIM卡的開通和關(guān)停。通過M2M終端簽約信息中的APN配置和DNS解析，電信運營商將M2M業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量匯聚到專用M-GGSN。通過M2M專用支撐體系的建設(shè)，電信運營商將所提供的M2M服務(wù)由傳統(tǒng)電信通道服務(wù)向M2M智能通信服務(wù)升級；基于開放API、打造開發(fā)者社區(qū)，形成以CT為核心的M2M生態(tài)系統(tǒng)，提升網(wǎng)絡(luò)價值；同時基于M2M開放能力，進一步拓展應(yīng)用層服務(wù)。

圖2 M2M專用業(yè)務(wù)支撐體系

圖3 電信運營商M2M業(yè)務(wù)總體策略

2.2 M2M專用業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)中PCC技術(shù)的部署

電信運營商在M2M專用業(yè)務(wù)支撐體系中應(yīng)用PCC技術(shù)，需要依據(jù)M2M業(yè)務(wù)流程和商業(yè)模式的特性，在PCC標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)基礎(chǔ)上“因地制宜”地使用和改進。

圖4 M2M專用業(yè)務(wù)支撐體系及基于PCC架構(gòu)的M2M智能管道實現(xiàn)

基于對PCC標(biāo)準(zhǔn)的理論研究和對M2M智能管道的需求分析，本文提出如圖4所示的基于PCC架構(gòu)的智能管道實現(xiàn)以及能力開放方案，并在利用中國聯(lián)通物聯(lián)網(wǎng)研究院位于無錫的研發(fā)環(huán)境進行了連接現(xiàn)網(wǎng)的實際技術(shù)驗證。

在該部署方案中，需特別說明如下幾點。

1) 為實現(xiàn)對IP數(shù)據(jù)通道管控能力的開放，PCRF要與M2M業(yè)務(wù)管控平臺實現(xiàn)對接，使M2M應(yīng)用服務(wù)商(M2M ASP)能夠在M2M業(yè)務(wù)管控平臺的門戶上、在授權(quán)范圍內(nèi)為其所屬終端配置決策生成邏輯模板和PCC規(guī)則模板中的具體參數(shù)，并同步給PCRF，同時配置終端屬性參數(shù)下發(fā)給SPR和OCS。

2) 通過Restful API(而不是通過基于Diameter協(xié)議的Rx接口)來實現(xiàn)PCRF與M2M管控平臺之間、通過Restful API或自服務(wù)門戶來實現(xiàn)M2M管控平臺與應(yīng)用服務(wù)商的應(yīng)用平臺之間的策略和計費控制相關(guān)配置信息的交互，從而使應(yīng)用服務(wù)商能自助實現(xiàn)對所屬M2M終端通信行為的策略控制(門控和QoS控制)、用量監(jiān)控、消費監(jiān)測等。

3) 啟用PCRF與專用OCS間的Sy接口，用以傳遞與用戶消費限額(Subscriber Spending Limits)相關(guān)信息。這時，OCS承擔(dān)記錄每個終端或群組累計消費的功能，使OCS成為PCRF生成規(guī)則時所需決策信息的另一個重要來源，從而高效實現(xiàn)基于累計消費的策略控制。M2M專用OSC不是要將M2M終端作為預(yù)付費用戶進行計費，不與傳統(tǒng)預(yù)付費用戶的OSC進行互聯(lián)；而是用于幫助應(yīng)用服務(wù)商實現(xiàn)對所屬終端通信消費的監(jiān)測和控制。

4) 在M2M應(yīng)用場景下，電信運營商和應(yīng)用服務(wù)商應(yīng)實現(xiàn)依據(jù)IP報頭的IP五元組將應(yīng)用平臺與M2M終端間的各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流區(qū)分開。因此，M2M專網(wǎng)的GGSN上可暫時不啟用DPI，也不需部署單獨的TDF網(wǎng)元。

2.3 M2M管控能力的能力開放

為了將基于PCC架構(gòu)的動態(tài)策略控制能力開放給M2M應(yīng)用服務(wù)商(M2M ASP)，需要M2M專用BSS與M2M管控平臺，M2M管控平臺與PCRF、OCS和SPR進行相關(guān)配置信息的交互。相關(guān)配置和信息交互流程如下。

1) 電信運營商需要通過網(wǎng)管系統(tǒng)在專用GGSN上為每個M2M產(chǎn)品類型或擁有較多終端的大型應(yīng)用服務(wù)商配置一個APN。在M2M管控平臺上，每個產(chǎn)品類型對應(yīng)一個預(yù)先設(shè)計的決策生成邏輯模板，以及PCC規(guī)則模板。針對每個產(chǎn)品類型中的各個產(chǎn)品套餐，電信運營商配置決策生成邏輯模板中那些與計費相關(guān)的邏輯以及高優(yōu)先級的邏輯中的具體參數(shù)；應(yīng)用服務(wù)商可被授權(quán)自助設(shè)定決策生成邏輯模板中某些與策略控制相關(guān)的低優(yōu)先級決策生成邏輯中的具體參數(shù)。各產(chǎn)品類型中對應(yīng)用服務(wù)商不同的授權(quán)，實際上代表著電信運營商向應(yīng)用服務(wù)商開放的不同策略控制措施。

2) 應(yīng)用服務(wù)商在M2M管控平臺中自助開戶，確認(rèn)電信運營商提供的相應(yīng)套餐和APN，為其所屬的M2M終端(以M2M SIM卡中的IMSI為標(biāo)識)申請正式開通通信服務(wù)。M2M管控平臺將M2M終端對應(yīng)的IMSI、MSISDN、APN等簽約信息實時傳遞給M2M專用BSS，由其完成在專用HLR及相關(guān)各省BSS系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)開通。

3) 應(yīng)用服務(wù)商可通過M2M管控平臺所提供自助服務(wù)門戶中的可視化界面或所提供的Restful API，在產(chǎn)品類型所開放的能力范圍內(nèi)，隨時設(shè)置或更新某些授權(quán)其進行配置參數(shù)的取值。這包括：

● 為每個終端或每個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，設(shè)置或更新其訂購關(guān)系屬性，并同步至SPR；

● 為每個終端設(shè)置或更新用戶消費限額相關(guān)參數(shù)以及用于信用管理的信用余額閾值，并同步至OCS；

● 設(shè)置或更新決策生成邏輯以及PCC規(guī)則中的參數(shù)，并同步至PCRF；

● 同時，應(yīng)用服務(wù)商可將終端劃分為若干個群組，并基于群組來設(shè)定相應(yīng)業(yè)務(wù)屬性、用戶消費限額(Subscriber Spending Limits)、用量監(jiān)測控制(Usage Monitoring Control)和決策生成邏輯等PCC相關(guān)參數(shù)。

4) GGSN在收到終端發(fā)起建立PDP連接的請求時，會根據(jù)APN來判別終端是否啟用策略與計費控制。針對啟用策略與計費控制的終端，GGSN會向PCRF上報終端的IMSI、終端所分配的IP地址、終端位置等相關(guān)信息。PCRF根據(jù)電信運營商和應(yīng)用服務(wù)商共同設(shè)定的決策生成邏輯，向SPR和OSC獲取決策所需相關(guān)信息、并結(jié)合GGSN上報的信息，動態(tài)決定GGSN應(yīng)采取的策略控制措施或計費方式和費率，并下發(fā)給GGSN。在PDP會話過程中，GGSN還會向PCRF上報相關(guān)觸發(fā)事件；根據(jù)該觸發(fā)事件的輸入，PCRF中的決策生成邏輯可能生成新的決策，并要求GGSN來執(zhí)行相應(yīng)更新后的規(guī)則。

2.4 M2M智能管道產(chǎn)品的設(shè)計

基于網(wǎng)絡(luò)連接層的開放能力，將M2M通信管控能力和基于多種計費模式的流量組合，電信運營商可形成面向應(yīng)用服務(wù)商的多種智能管道產(chǎn)品。產(chǎn)品設(shè)計示例可參見表1中的產(chǎn)品套餐A和套餐B。

表1 M2M智能管道產(chǎn)品設(shè)計示例

電信運營商在M2M產(chǎn)品套餐A中使用了群組計費、分時計費和流控功能，同時將基于端口和位置的門控能力開放給直接客戶——應(yīng)用服務(wù)商。在M2M產(chǎn)品套餐B中使用了群組計費、按次計費和用量監(jiān)測控制功能，同時將基于消費限額進行門控功能開放給直接用戶。在產(chǎn)品資費引導(dǎo)下，應(yīng)用服務(wù)商會對最終用戶設(shè)定具體的門控規(guī)則。

在這種“產(chǎn)品塑形＋自助管控”的產(chǎn)品設(shè)計中，電信運營商所啟用的各項策略與計費控制措施是為了保障產(chǎn)品的特定屬性(資費、計費方式、速率、用量等)，可被稱為“產(chǎn)品塑形規(guī)則”；而開放給應(yīng)用服務(wù)商的某些策略控制措施是為了實現(xiàn)客戶對通信通道的自主管理，可被稱為“自助管控規(guī)則”。這種在產(chǎn)品塑形規(guī)則下對通信通道的自助管控，是M2M智能管道產(chǎn)品區(qū)別于電信運營商傳統(tǒng)智能管道產(chǎn)品的根本。

3 M2M智能管道技術(shù)的發(fā)展建議

GSMA預(yù)測2020年中國M2M移動蜂窩連接數(shù)將達4.8億，M2M業(yè)務(wù)對電信運營商收入的持續(xù)增長具有毋庸置疑的戰(zhàn)略意義。隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及，基于水平共性服務(wù)的M2M應(yīng)用模式也逐漸成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要模式。在M2M應(yīng)用的三層架構(gòu)中，電信運營商首先必須建設(shè)形成網(wǎng)絡(luò)連接層的M2M智能管道能力。

電信運營商在的M2M專用業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)內(nèi)引入進行適應(yīng)性改進的PCC架構(gòu)后，通過在PCRF上合理設(shè)計和實現(xiàn)“產(chǎn)品塑性策略”和“自主管控策略”，可以有效提供能將管控能力開放給應(yīng)用服務(wù)商的M2M智能管道產(chǎn)品，滿足市場上應(yīng)用服務(wù)商的需求，能夠有利推動水平化的M2M應(yīng)用模式的發(fā)展和相應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)的繁榮。

此外，根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前瞻需求，電信運營商未來在M2M智能管道關(guān)鍵技術(shù)方面還需進一步推動以下研究工作。一是PCRF的虛擬化技術(shù)。隨著網(wǎng)內(nèi)M2M終端數(shù)量的增長，每個PRCF管理的GGSN和所需處理進程的數(shù)量也會快速增加。因此，需引入虛擬化技術(shù)，以Scale Out的方式通過不斷增加虛機來支撐PCRF的容量和性能的擴充。二是PCC與大數(shù)據(jù)技術(shù)的結(jié)合。隨著未來大數(shù)據(jù)技術(shù)的成熟和應(yīng)用，對應(yīng)用服務(wù)商的應(yīng)用數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)信令等網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析形成的結(jié)果將可會成為PCRF進行決策一個新的輸入源。三是PCC與業(yè)務(wù)能力層平臺的協(xié)同管控。隨著未來業(yè)務(wù)能力層標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和產(chǎn)品化，業(yè)務(wù)能力層所提供的通信管控功能將可以與網(wǎng)絡(luò)連接層提供的基于PCC架構(gòu)的管控能力協(xié)同工作。

參考文獻

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