3GPP 机器与机器通信标准化进展Word格式.docx
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M2M通信技术市场前景广阔,市场调研公司StrategyAnalytics预计移动M2M市场规模在2014年将超过570亿美元。
这样巨大的市场潜力使许多无线网络运营商和制造商纷纷看好M2M的前景,这也促使M2M通信技术成为移动通信领域关注的下一个焦点。
目前,国际上几大主要标准化组织从不同角度对M2M技术开展了标准研究工作。
ETSI(EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute)从典型物联网用例入手完成了M2M业务需求分析,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,其目的在于制定一个水平化的,不针对特定M2M应用的端到端标准化解决方案。
3GPP/3GPP2(3rdGenerationPartnershipProject)以移动通信技术为核心,在分析M2M通信业务需求的基础上,重点研究移动通信系统的优化技术、安全技术,以保证现有系统能够适应M2M通信的特点。
在我国,CCSA(ChinaCommunicationsStandardsAssociation),WGSN(WorkGroupofSensorNetworks)等标准化组织也对M2M技术展开了研究。
2009年9月,中国移动、华为、中兴、电信研究院、北大等单位共同参与完成了《移动M2M的业务研究报告》,报告指出:
中国M2M业务的标准化应该集中在M2M终端和平台的标准化,平台的标准化可以适当借鉴相应的国际标准。
本文主要介绍M2M技术在3GPP的标准化进展情况。
3GPP标准化概述
按照3GPP组织的工作流程,一项技术标准的制定可分为研究项目(StudyItem,SI)和工作项目(WorkItem,WI)两个阶段。
前者是可行性研究阶段,负责分析该技术的业务需求,提出各种可能的解决方案并对其可行性做出评估,形成技术报告(TechnicalReport,TR)。
后者是标准制定阶段,主要根据SI阶段的研究结论,在相应技术规范工作组(TechnicalSpecificationGroup,TSG)依次形成Stage1-Stage3三阶段的技术规范(TechnicalSpecification,TS)。
具体来讲,对于M2M通信技术,SA1工作组负责定义M2M业务需求及特性(Stage1)。
基于SA1提出的需求,SA2工作组负责设计M2M网络优化的总体技术方案,包括网络基本架构、主要功能和基本处理流程等(Stage2)。
SA3工作组关注整个3GPP系统的安全,负责分析M2M通信潜在的安全威胁及安全需求并提出可行的解决方案。
基于SA2的输出,TSGCT(CoreNetworkandTerminals)中各工作组负责终端及核心网方面M2M各种优化技术的实现(Stage3)。
TSGGERAN(GSM/EDGERadioAccessNetwork)和TSGRAN(RadioAccessNetwork)中各工作组负责M2M通信在无线接入网络中的优化。
图1给出了M2M技术在3GPP各工作组研究及标准化的发展历程,可以看出到目前为止Stage1-Stage3三个阶段的工作均已有所开展。
下面本文将具体介绍M2M技术在3GPP各工作组的标准进展。
各工作组标准进展
SA1为了能够使3GPP系统有效支持M2M业务及应用,早在2005年9月,SA#29全会SA1就启动了Rel-8阶段SI项目FacilitatingMachinetoMachineCommunicationinGSMandUMTS(M2M),开始对M2M通信的市场前景、应用场景、通信方式、大规模终端设备的管理、计费、安全以及寻址等方面问题的应用需求展开研究。
2007年3月,该研究项目完成并形成研究报告:
3GPPTR22.868。
研究结果表明M2M通信技术在物流跟踪、健康监护、远程管理/控制、电子支付、无线抄表等方面具有极为广阔的应用前景,由此对移动通信网络在支持机器类通信服务方面提出了新的需求。
在SI研究基础上,2008年9月SA#41全会正式启动了Rel-10阶段Stage1WI项目NetworkImprovementsforMachine-typeCommunications(NIMTC),旨在更加深入地分析M2M通信方式以及M2M业务行为特征对移动通信网络提出的优化需求,从而使传统面向H2H通信而设计的3GPP网络能够以较低成本为机器类通信应用提供服务。
2010年3月,NIMTC项目在SA#47全会上冻结并发布了3GPPTS22.368v10.0.0。
它定义了MTC(Machine-typeCommunications)通信场景,MTC一般服务需求和MTC特定服务需求,成为3GPPRel-10阶段MTC正式的需求规范。
在Rel-10阶段,3GPP主要研究MTC终端通过移动通信网络与MTC服务器进行通信的应用场景,而对MTC终端不与MTC服务器进行交互而直接相互通信的场景不予考虑。
如图2所示,MTC服务器可以位于运营商域之内或之外,网络运营商为MTC服务器提供到运营商域的网络连接。
当MTC服务器位于运营商域之内时,MTC服务器由网络运营商控制,MTC用户通过API(ApplicationProgramInterface)访问MTC服务器。
当MTC服务器位于运营商域之外时,MTC服务器不受网络运营商控制。
图2MTC应用场景(a)MTCServer位于OperatorDomain之外;
(b)MTCServer位于OperatorDomain之内
考虑到M2M业务的多样性以及与应用结合紧密的特点,SA1在TS22.368中将MTC需求划分为一般服务需求以及特定服务需求。
前者独立于MTC应用具体特征从宏观角度归纳定义了移动通信网络为支持MTC业务所应具备的基本功能;
后者则结合MTC具体应用特征从不同角度定义了若干MTC特性,并对每种特性描述了移动通信网络所应满足的功能要求。
这样做的好处在于:
系统在实现MTC一般服务需求的基础之上,只需综合调用一种或多种MTC特性就可实现对多种多样MTC应用的支持。
MTC一般服务需求包括如下方面:
通用需求、MTC设备触发、寻址、标识、计费、安全以及MTC设备远程管理等。
其中,MTC设备触发和远程管理是M2M所特有的,而其它需求在H2H通信中就已经存在,只是由于MTC终端数量的庞大以及MTC业务的多样使其呈现出有别于H2H通信的新特征。
在特定服务需求方面,TS22.368根据MTC应用在移动性、业务量特征、接入条件、优先级、群组特征等方面的不同定义了14种MTC特性,具体内容如表1所示。
在Rel-10阶段,3GPP完成了Stage1阶段M2M通信需求定义的工作。
然而,受到时间限制,在Rel-10时间框架内Stage2及Stage3工作仅完成了TS22.368中定义的部分MTC特性的研究。
因此,为了使剩余工作能够顺利完成,2010年6月,SA#48全会在SA1工作组启动了Stage1WI项目SystemImprovementsforMachine-typeCommunications(SIMTC),其主要目标是根据Stage2的研究进展对TS22.368中已定义的需求、用例以及功能做进一步完善。
该项目计划于2011年9月冻结。
除此之外,SA#48全会还批准SA1成立Rel-11阶段新的Stage1SI项目EnhancementsforMachine-TypeCommunications(MTCe),在允许MTC设备间的通信以及引入MTC网关等新场景下研究新增的功能需求。
项目计划于2011年6月完成研究报告:
3GPPTR22.888。
SA2
基于SA1在Stage1阶段标准化的MTC优化需求,SA2在2009年9月SA#45全会启动了Rel-10阶段SI项目NetworkImprovementsforMachine-TypeCommunications(NIMTC)来深入研究MTC通信对3GPP网络的影响及网络实现MTC通信的优化方案。
从2009年11月SA2#76会议起,SA2向3GPP各成员单位广泛征集对于MTC一般服务需求及特定服务需求的系统优化方案,并将其写入研究报告3GPPTR23.888。
由于TS22.368所定义的MTC特性众多,SA2很难在短时间内对所有特性进行全面细致的研究。
因此,SA#47全会给出了Rel-10阶段MTC需求研究的优先级。
Rel-10阶段需要研究的几点高优先级的MTC需求包括:
过载控制、标识、寻址、签约控制以及安全。
此外,SA2对于NIMTC的方案选择提出如下准则:
1.如果能采用非3GPP的解决方案,则应尽量选择非3GPP的解决方案。
2.如果不能采用非3GPP的解决方案,则应尽量选择对3GPP系统没有影响或影响小的方案。
3.只有一定需要对现有3GPP系统功能进行修改才能够满足SA1提出的需求时,才选择对当前3GPP系统有影响的解决方案。
从上述优化原则可以看出,3GPP组织希望通过一种较为保守的方式来实现网络对M2M通信的支持,在方案选择上将倾向于选择对现有系统影响最小的方案。
正如其名称一样,所立的项目NIMTC重点在于“优化”现有网络,而不是创造一些新的技术来全面改进现有网络。
根据SA全会的决定,SA2最终在Rel-10阶段仅对MTC概述,终端标识,过载控制等方面解决方案进行了标准化。
SA2采用扩展周期性TAU/RAU定时器,MME拥塞控制(包括基于OVERLOADSTART消息拒绝RRC连接建立请求的拥塞控制机制,NAS级拥塞控制机制,基于APN的拥塞控制机制等)以及PGW拥塞控制等优化方法来解决大量MTC终端同时接入网络时可能产生的信令拥塞问题。
这些方法具有良好的通用性,它们不仅适用于MTC通信引起的网络过载,也同样适用于普通终端引起的网络过载场景。
Rel-10阶段,SA2仅完成了Stage1部分需求的研究,对于剩余未完成的部分,SA2将在Rel-11阶段继续进行。
2010年6月,在SA#48全会SA2启动了Rel-11SI及Stage2WI项目SystemImprovementsforMachine-typeCommunications(SIMTC),计划在2012年3月完成全部MTC特性的研究。
目前,Rel-11阶段MTC网络架构方面的研究工作已开始起步,在2011年3月SA#50全会上SA2将首先对MTC特性研究的优先级顺序问题与其他工作组进行讨论。
SA3
SA3工作组主要负责通信安全方面问题的研究及标准化。
在Rel-9阶段,SA3启动了SI项目SecurityAspectsofRemoteProvisioningandChangeofSubscriptionforM2MEquipment,从安全角度出发研究远程管理M2M终端USIM应用的可行性并建立远程管理信任模型。
同时,该项目还负责分析在引入远程管理USIM应用之后带来的安全威胁及安全需求。
2009年12月,SI项目冻结,SA3发布研究报告:
3GPPTR33.812。
Rel-10阶段SA3没有开展对M2M通信安全相关问题的研究,安全问题将在Rel-11阶段进行。
目前,Rel-11阶段安全方面SI及Stage2WI项目SystemImprovementstoMachine-TypeCommunications(SIMTC)已经于2010年6月在SA#48全会得到立项,并计划于2011年12月完成相关工作。
CT
CT各工作组于2010年6月CT#48全会上启动Rel-10阶段Stage3WI项目NetworkImprovementsforMachineTypeCommunications(NIMTC)。
根据Stage2采用的网络优化方案,CT1、CT3以及CT4三个工作组对现有3GPP网络NAS协议、MAP协议、S6a/d协议、GTP-C协议、MBMS/CBC协议以及外部网络交互协议产生的影响进行评估,并对受到影响的协议进行更新及维护。
该项目计划于2011年3月CT#51全会完成,输出结果将直接体现在Rel-10Stage3相关协议规范中。
Rel-11阶段,CT各工作组Stage3项目研究还尚未立项。
RAN
为了使3GPP系统能够为大量MTC终端提供服务,提高网络资源利用率,2009年9月RAN#45全会启动了Rel-10阶段SI项目RANImprovementsforMachine-typeCommunications(NIMTC_RAN)来研究无线接入网络MTC增强技术,其主要目标是根据SA1提出的需求研究MTC业务模型及特征并尽可能重用UTRA和EUTRA系统现有特性从而以最小代价实现对M2M应用的支持。
该项目原计划于2010年12月RAN#50全会完成,并形成研究报告:
3GPPTR37.868。
项目前期,RAN2/RAN3工作组并没有对具体的MTC优化方案进行详细讨论,讨论热点更多集中在MTC用例、MTC特性优先级以及是否能够通过系统优化的方式实现等方面。
项目后期,工作组主要基于SA对MTC特性优先级顺序的结论,研究无线接入网过载方面的问题(包括过载场景及解决方案),并对当前3G和LTE(Longtermevolution)系统RACH信道容量进行了评估。
然而随着讨论的不断深入,负责网络架构标准化的SA2工作组认为由大量MTC设备接入而导致核心网信令过载和拥塞是Rel-10阶段需要解决的关键问题。
因此,2010年9月在RAN#49全会上Vodafone牵头启动了WI项目RANmechanismstoavoidCNoverloadduetoMachine-TypeCommunications(NIMTC-RAN_overload)以支持核心网在拥塞情况下对终端的接入控制。
同时,RAN决定将原先成立的SI项目挂起,直至2011年3月WI项目结束后再继续进行。
基于SA2的需求,WI关注两种由大量MTC终端引起的网络过载场景:
1.上层M2M应用引发大量MTC终端同时发起连接请求而导致服务网络发生过载;
2.大量漫游MTC终端在服务网络发生故障时同时选择驻留至当地其他网络从而导致这些网络发生过载。
对此,RAN2可能为终端引入新的指示用于在终端发起接入时告知RAN节点其接入类型,之后RAN2可制订可行的方案来配合核心网避免网络拥塞;
RAN3可能将扩展S1接口现有过载指示过程,从而使RAN能够与核心网交互网络拥塞及控制信息。
目前,经过两次会议的讨论,RAN2,RAN3在网络过载及拥塞控制方面取得了一定进展。
Rel-11阶段,RAN工作组的项目研究还尚未立项。
GERAN
作为当前移动通信网络中应用最为广泛的无线接入技术,GERAN无疑被人们视为是在中短期最具可能用于支持MTC技术的无线接入网络。
为了增强GERAN网络的能力并与SA2及其他工作组Rel-10阶段研究进程保持一致,2010年9月在GERAN#47全会上GERAN工作组启动Rel-10Stage3WI项目NetworkImprovementsforMachineTypeCommunications(NIMTC)旨在为GERAN网络寻找解决MTC终端信令拥塞及过载控制问题的方案。
目前,根据所制订的研究计划,该项目的重点在于研究如何使网络能够区分MTC终端与非MTC终端,并按照网络运营商的指示在任意给定时间对MTC终端进行接入控制从而降低空口的数据负载。
与RAN工作组Rel-10阶段WI项目时间表相同,该项目计划于2011年3月GERAN#49全会完成。
Rel-11阶段,GERAN工作组的项目研究也还尚未立项。
结束语
M2M技术是3GPP标准化组织Rel-10阶段主要研究内容之一。
在完成Stage1阶段需求定义工作的基础上,在网络优化方面Stage2阶段工作在终端标识及网络拥塞问题方面取得了一定成果,其余的MTC特性将成为Rel-11阶段讨论的重点。
然而,由于MTC特性迥异,如何将具有不同优化需求的MTC特性有效组织并有序进行研究是Stage2阶段工作面临的主要问题,它直接影响着Rel-11阶段各组工作的进展。
目前,得到大多数公司支持的处理方法是将MTC特性分类,在为其确定出优先级之后按照优先级顺序进行研究。
当前,3GPP组织对MTC通信的研究仅限于MTC终端通过移动通信网络与MTC服务器进行通信以及终端对网络直接可见的场景,这显然不能满足未来泛在网络灵活多样组网方式的需要。
因此,后续研究将考虑MTC终端间进行通信的场景并引入MTC网关节点,这将使现有网络架构变得更为复杂。
随之而来FUTUREMOBILECOMMUNICATIONFORUMFEB2011特别策划SpecialColumn29的终端节点标识、寻址,终端网络的组织管理,终端设备的注册、鉴权、安全管理以及移动性管理等问题将是3GPP组织未来需要研究的内容。
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