M2M的业务范畴及其技术发展

('M2M的业务范畴及其技术发展续合元【摘要】指出M2M是使用电信运营商提供的网络和业务支撑平台并提供给其他各种规模垂直行业的公共物联网，它是物联网应用的一个子集。M2M的主要技术包括Thing-basedM2M技术、机器对机器直接通信技术和M2M通信网技术。M2M市场潜力巨大，但还存在很多不确定因素，需要我们开展更多研究。%M2MisakindofIoTthatsupportsalkindsofverticalindustryapplicationsthatarebasedonatelecommunicationnetworkandatelecommunicationserviceplatform.M2MapplicationisasubsetofIoTapplications.ThemainM2Mtechnologiesarething-basedM2Mtechnology,technologyfordirectcommunicationbetweenmachineandmachine,andM2Mcommunicationnetworktechnology.TheM2Mmarkethasgreatpotential,butthereisstilmuchuncertaintyandmoreresearchneedstobedone.【期刊名称】《中兴通讯技术》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】5页(P44-47,53)【关键词】机器对机器;物联网;机器类型通信;传感器;无线射频识别【作者】续合元【作者单位】工业和信息化部电信研究院通信标准研究所，北京100191【正文语种】中文【中图分类】TP393M2M业务支撑平台和终端之间的管理和维护协议、业务传送的协议需要构建通信网的应用服务体系同样适用于物联网的应用服务体系M2M通信也需要管理M2M终端，未来UPnP可以用来为之服务随着物联网应用日趋广泛，“M2M”也成为伴随物联网在信息通信领域中最热门的词汇，M2M应用、M2M业务、M2M平台等名词和术语层出不穷。如果把这些名词术语中的M2M替换为物联网，它们也是行业的高频词汇，而且这些词汇的内涵和M2M相关词汇的内涵非常相近。可以看出，物联网和M2M的内涵和外延非常接近，也说明了目前物联网和M2M的产业界线、业务研究范围、技术发展方向仍然没有特别清晰的认识。1.1ITU-T国际电信联盟远程通信标准化组织（ITU-T）M2M焦点组（FGM2M）首次会议于2012年4月17—18日在日内瓦召开。会议吸引了众多医疗和信息、通信和技术（ICT）领域的专家参与，共同探讨垂直医疗市场的M2M标准化需求。焦点组的工作集中在医疗领域中M2M的应用，并据此分为3个工作组：第1工作组负责M2M使用案例和业务模型；第2工作组负责确定M2M业务层的要求和架构框架；第3工作组负责M2M应用程序接口（API）和协议，其工作将在前两个工作组完成相关工作后逐步开始，目前主要是研究M2M业务层的需求和M2M业务层支持下的ehealth。ITU-TM2M焦点组的研究报告没有给出M2M的准确范畴和定义，目前只是给出M2M业务层研究的范畴，即处于物联网网络层和应用层的功能。1.2OneM2M为了促进国际物联网标准化活动的协调统一，减少重复工作，降低企业生产及运营成本，保障各行业的物联网应用，从而推动国际物联网产业持续健康发展，2012年7月，由中国通信标准化协会（CCSA）、日本的无线工业及商贸联合会（ARIB）和电信技术委员会（TTC）、美国的电信工业解决方案联盟（TIS）和通信工业协会（TIA）、欧洲电信标准化协会（ETSI），以及韩国的电信技术协会（TTA）等7家标准组织推进成立了OneM2M。OneM2M专注于物联网业务层标准的制订，并致力于M2M设备在全球范围内实现互通的技术规范和相关报告的制订。OneM2M已经成立了需求（WG1）、架构（WG2）、安全（WG3）、管理和语义（WG4）4个工作组。目前具体工作项目（WI）有：M2M需求、M2M术语、M2M架构3个项目，并有两个内部项目，分别对应用场景和标准组织提交的架构融合问题进行相关研究。1.33GPP第三代合作伙伴计划（3GPP）对M2M的研究聚焦在通过移动通信网络进行数据传输的机器通信，既MTC。3GPP从R10开始对MTC进行相关的标准化工作，目前R10阶段的工作已经完成，R11的相关标准研究接近尾声，R12的研究工作开始启动。R10阶段的标准化重点是移动通信核心网拥塞控制的优化；R11阶段的标准化涉及的内容包括MTC架构、标识、寻址、设备触发、RAN的拥塞控制；R12阶段则重点关注小数据和设备触发、监控增强、UE低功耗优化、基于组的优化。MTC是不需要人干预的一个或多个实体之间的数据通信，可以看出MTC实际就是我们平常说的M2M通信。1.4ETSI欧洲电信标准化委员会（ETSI）M2M工作组于2008年成立，以欧洲运营商主导，吸引了来自欧、美、中、日、韩等地区或国家的电信和ICT行业的参与，以制造商、网络运营商为主（分别占59%、26%），也包括研究团体、政府管理机构、大学和一些最终用户。ETSIM2MTC的主要研究目标是从端到端的全景角度研究机器对机器通信，并与ETSI内电信和互联网融合业务及高级网络协议（TISPAN）及3GPP已有的研究进行协同工作。目前ETSIM2MRelease1核心的3个系列标准已经发布：M2M需求（ETSITS102689）、M2M功能架构（ETSITS102690）和M2M接口描述（ETSITS102921）。OneM2M成立后，ETSIM2M的标准化成果将转移到OneM2M中继续研究，ETSI主要维护欧洲地区标准事务。M2M的范畴也在不断放大，例如有人把M2M的缩略语解释为机器对机器、人对机器或机器对人，这也就意味着M2M与物联网的目标类似，都是提供未来人与物、物与物的通信。特别是OneM2M标准组织的成立，从名称上就彰显出“一个”M2M就能够提供所有与机器相关的应用和业务，这似乎与物联网的目标和业务范畴一样。因此从产业、技术和标准化发展的角度有必要说明M2M的内涵及其与物联网的关系。物联网目前还没有大规模的应用，目前应用主要集中于各种小规模的垂直行业应用以及基于公众通信网支撑的应用中。物联网是在现有通信网的基础上，通过增强网络末梢的感知能力和应用层的信息处理能力来实现应用需求，因此通信网的应用服务体系同样适用于物联网的应用服务体系，即基于公众通信网（包括电信网和互联网）增强其感知能力构建公共物联网。公共物联网不仅可以提供公众物联网应用，还可以使其他服务行业共享这种公共信息基础设施，避免不同的行业物联网重复建设；而电力、交通等行业的信息化程度相对较高，又有其自身特殊的、封闭的应用需求，它们将基于各自现有行业的信息通信网络建设来发展行业专属的物联网，智能电网、智能交通（ITS）、智能工业将是这些行业专属物联网应用发展的目标，如图1所示[1-3]。这种公共物联网的应用提供方式不同于专属物联网的应用提供方式，它是开放、共享信息通信基础设施给应用提供者，因此从标准化的角度，有必要把这种方式与其他专属物联网应用提供的方式区别开。M2M近年来成为全球电信运营商广泛使用的词汇，电信运营商希望通过网关实现电信网与传感器网络等末梢延伸网的连接,从而实现公众通信网连接各种感知物理世界的感知设备，例如传感器、射频识别（RFID）装置，这种使用电信运营商提供的网络和业务支撑平台而提供各种小规模垂直行业应用的公共物联网，我们可以把它称为M2M。如果说物联网是一个全集，那么M2M就是基于电信运营商驱动的物联网业务应用，应该是物联网应用的一个子集。3.1Thing-BasedM2M图2是中国通信标准化协会基于电信运营商在物联网应用方面的实践制订的现阶段物联网总体框架。由于现阶段各行各业都在物联网的旗帜下发展各自的行业信息化应用，因此图2中虽然示意的是物联网，但实际就是电信运营商驱动的物联网应用——M2M。端节点和通信网之间建立网络连接的方式有两种：一种是直接连接方式，端节点向通信网直接进行注册认证，并从网络获取所需要的标志或地址等信息；另一种方式是通过接入网关和通信网建立连接，此时接入网关作为端节点和通信网之间的连接媒介和连接中转节点，同时向端节点提供必要的连接配置信息，而对于接入网关中继端节点到通信网之间的连接，某些端节点可能只具有近距离通信功能，为了连接到广域通信网络，需要通过延伸网和接入网关实现到广域网的接入。另外一种典型需求是利用接入网关来实现网络连接的汇聚和信息的汇聚，并简化网络连接和相应管理等。延伸网络位于端节点与接入网关之间，主要是在现有网络基础上实现通信的进一步延伸，使通信的覆盖区域和服务领域得到扩展。为了实现对各种物联网端节点的接入，特别是工作在特定环境或场景下的智能节点设备的接入，延伸网络通常会利用各种近距离技术、自组织组网技术等，通过多跳转发等方式，来实现信息的传递，同时业务支撑平台负责向应用提供一些共性的能力和支撑，并提供开放的接口，使应用可以接入和使用网络资源和能力。通过向具体应用屏蔽底层具体网络实现，可以简化和降低上层应用开发和部署的复杂度。应用可能由第三方运营，在这种情况下，可以通过业务网关来实现应用的安全接入，此时业务网关来屏蔽物联网网络结构，对应用进行认证和授权，并可以提供统一的应用程序编程接口（API）接口等[4]。目前典型的应用是利用物联网端节点（如传感器、RFID、视频采集器等）采集物理世界中的信息，然后经接入网关传送到应用层的服务器进行分析处理，再提供相应的应用。因此这种应用并非如M2M缩略语中的意思，提供机器到机器直接通信应用，因此我们就把它称作为ThingbasedM2M。Thing-basedM2M应用基本还是综合利用现有的信息通信技术（包括现有的信息采集技术、信息传递技术）提供应用，而接入网关和业务支撑平台则是需要重新构建功能或设备，此外由于电信运营商作为M2M平台的业务提供者需要管理和维护终端，因此M2M业务支撑平台和终端之间的管理和维护协议、业务传送的协议也需要构建。中国电信运营商，例如中国电信、中国移动都为之定义了企业协议。中国电信M2M通信协议称之为M2M终端管理协议（MDMP），中国移动M2M通信协议称之为无线M2M协议（WMMP）通信协议，设计这些协议的目的是为了屏蔽不同应用在延伸网使用的不同技术协议，在接入网关、M2M终端与业务支撑平台之间使用统一的协议实现M2M终端管理、控制和数据转发的功能。虽然这些技术已经具备，但是从技术标准的角度看，M2M平台和M2M通信协议由于不同运营商定义了不同的企业标准，因此还需要进一步的行业标准化[5]。3.2机器对机器通信通信网络技术的出现和发展，给社会生活带来了极大的变化，越来越多的设备需要通信和连网。目前仅仅是计算机和其他一些IT类设备具备与其他机器的直接通信的能力，众多的普通机器设备几乎不具备联网和其他机器直接通信的能力，例如工业设备、仪器仪表、家电、车辆、自动售货机、工厂设备等。M2M技术的目标就是使所有机器设备都具备连网和通信能力，预计未来用于人对人通信的终端可能仅占整个终端市场的1/3，而更大数量的通信是机器对机器的直接通信业务。事实上，目前机器的数量至少是人类数量的4倍，因此M2M具有巨大的市场潜力[6]。M2M通信将由M2M层、传送层、ID层、网络层、媒体接入控制（MAC）层、物理层构成，如图3所示。M2M层是为了实现采用不同语言的应用之间通信，而需要在网关设置代理实现语言翻译而设计的通信层，目前可用的协议有UPnP、DPWS、CoAP。传送层将用于提供端到端的性能保证，特别是按序并有一定的可靠性传送，因此在提供M2M应用时，传送层根据应用对服务质量（QoS）的要求可以是任选；ID层是对传统输控制协议/因特网互联协议（TCP/IP）协议栈簇增加的的标识层。由于IP作为全球寻址的技术出现，不仅用于标记“位置”，还用于标记“标志（资源名）”，目前业界正在研究位置与标识的分离；网络层用于分组包的寻址，目前基本还是采用IP的技术（可能是IPv4或IPv6）；MAC层和物理层决定于通信网具体采用的通信技术。（1）UPnP通用型即插即用（UPnP）是即插即用（PnP）的扩展，它可发现和控制各种网络设备，如网络打印机、Internet网关等，并能提供相应服务。但UPnP不是即插即用的简单扩展，它支持“0配置”和无线网络，可自动发现其他供应商提供的设备。在UPnP协议下，一个设备可动态加入网络，获得IP地址，广播其功能，并了解其他设备的功能。很多种类的设备都可以使用UPnP协议，包括智能设备、无线设备。UPnP使用标准的TCP/IP和Internet协议，能够很好地在现存网络中使用。使用这些标准协议使UPnP从已有的各种经验和知识中获利，打破各种信息孤岛，越过各种物理层，具有设备间的相互协作基本特点。M2M通信也需要管理M2M终端，未来UPnP可以用来为之服务。图4是UPnP协议栈。（2）DPWS设备的Web服务（DPWS），它定义了在资源有限的终端上使用的、用于实现安全的Web服务的最小接口集。WindowsVista上内置了DPWS的客户端类库（WSDAPI）,那些支持DPWS的设备（比如常见的某些支持DPWS的打印机）自动出现在WindowsVista的NetworkExplorer中。从某种程度上说，DPWS是UPnP的Web服务实现，未来M2M通信也需要用来管理M2M终端，因此DPWS可以用来为之服务。图5所示为DPWS的协议栈。（3）CoAPCoAP是一种面向网络的协议，它采用了与HTTP类似的特征，核心内容为资源抽象、指表述性状态转移（REST）式交互以及可扩展的头选项等等。HTTP作为IETF成功长期采用的标准，可以用较小的脚本程序来融合不同的资源和服务，并且它提供的互操作性正是物联网的关键讨论内容，因此它被推向设备层面。由于HTTP基于TCP传输协议，采用点对点的通信模型，因此不适合推送通知服务，而且对于资源能力受限的设备来说也过于复杂。CoAP协议基于REST构架，是互联网资源访问协议的一般性设计风格。为了克服HTTP对于受限环境的劣势，CoAP需要考虑到数据报长度的最优化以及可靠通信。一方面，CoAP提供统一资源标志符（URI），REST式的方法（如GET，POST，PUT和DELETE），以及可以独立定义的头选项提供的可扩展性。另一方面，CoAP基于轻量级的UDP协议，允许IP多播，而组通信是M2M最重要的需求之一。为了弥补UDP传输的不可靠性，CoAP定义了带有重传机制的事务处理机制，并且提供资源发现机制。CoAP协议不是盲目压缩了HTTP协议，考虑到资源受限设备的低处理能力和低功耗限制，CoAP重新设计了HTTP的部分功能以适应设备的约束条件。另外，为了使协议适应M2M应用，CoAP协议改进了一些机制，同时增加了一些功能。图6显示了HTTP和CoAP的协议栈。CoAP和HTTP在传输层有明显的区别。HTTP协议的传输层采用了TCP协议，而CoAP协议的传输层使用UDP协议，开销明显降低，并支持多播。3.3M2M对通信网的技术需求M2M应用具有海量终端接入和小数据频发等特点，但是目前的移动通信网的设计是针对人类的通话设计，因此直接使用现有的移动通信技术支持M2M应用将会造成对频率资源的低效使用。为了充分利用频谱资源，需要对移动通信网进行改造和增强。目前3GPP正在研究现有移动通信网如何高效支持M2M应用，包括体系架构、拥塞和过载控制、签约控制、标识和寻址、时间控制特性、MTC监控特性的研究。',)