3GPPMTC物联网技术调研报告非常重要.docx
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3GPPMTC物联网技术调研报告非常重要
3GPPMTC(物联网)技术调研报告
2011年03月
一、技术概要
1.1.技术综述
问题一:
什么物联网?
物联网是新一代信息技术的重要组成部分。
物联网的英文名称叫“TheInternetofthings”。
顾名思义,物联网就是“物物相连的互联网”。
这有两层意思:
第一,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;第二,其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间,进行信息交换和通信。
因此,物联网的定义是:
通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物体与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
问题二:
物联网的由来[1]
物联网(InternetofThings)的概念最早于1999年由美国麻省理工学院提出,当时是指用射频识别(RFID)技术自动识别物品,识别码保存在一定的载体中附着于物体上。
通过射频阅读器可读出编码,经解析后就可以得到存储物体信息的互联网服务器地址,及其他相关信息,从而实现所谓的物体与互联网的联接。
物联网的主要定位是在物流、供应链等需要企业间信息共享的开环应用。
随着技术和应用的发展,物联网的内涵变得更加丰富。
2005年国际电信联盟(ITU)发布的物联网报告中,物联网联接的对象从只有非智能物体扩展到包括具有一定信息处理和通信能力的智能装置,还包括通过传感器感知的整个物理世界。
实现这一目标的支撑技术从RFID扩展到包括传感器、无线传感器网络(WSN)等技术。
基础网络除了互联网,还扩展到包括内联网、下一代网(NGN),无线移动网等任何网络。
目前,这种概念已经基本被世界各国接受。
从ITU的报告可以看出无线传感网、RFID都是物联网的一部分。
前者侧重于实现物理世界状态变化信息的感知,后者侧重物品的自动识别。
还有一个与物联网紧密相关的概念——M2M,它源于工业界的机器通信,近年来成为国内外电信运营商广泛使用的一个业务词汇。
M2M联接的物体主要是智能装置,使用的通信网络主要是蜂窝移动网等传统电信网。
运营商通过M2M网关实现电信网与传感器网络等末梢延伸网的连接。
因而,传感器网络、M2M、RFID都是物联网的子集,只是采用的技术、网络和功能侧重各有不同,三者并非孤立,而是融合协作,共同支撑各种物联网应用的实现。
M2M在3GPP标准中被称为MTC(
)。
问题三:
国际标准化情况
ITU是最早进行传感网标准化的组织之一,侧重从NGN角度进行泛在传感网(USN)研究。
USN要求(Y.2221)和USN中间件要求(F.744)已于2009年底完成,现正制定USN安全(X.usnsec1-3)和应对气候变化(F.USN-cc)方面的标准。
ISO/IECJTC12007年底成立传感网研究组(SGSN),并于2009年发布了《SGSN技术报告》。
同年10月,正式成立传感网标准化工作组(WG7),并于2010年3月召开了第一次会议,目前传感网参考架构和美国提出的传感网智能电网应用接口标准已经立项。
IEEE1451系列传感器接口标准规定了智能传感器的通用接口命令和操作集合,一定程度上解决了当前工业总线标准不统一的问题,降低了传感网应用集成开发的难度。
IEEE是近距离无线通信物理层和MAC层标准的主要制定者,已有了蓝牙、UWB、802.15.4(低速率、低功耗通信)等一系列适合不同速率、功耗和应用需求的标准。
802.15.4已在无线传感网、工控网等延伸网广泛使用,是IEEE目前的重点。
上层组网方面,Zigbee是目前应用最广的标准,ISA100则在工业自动化领域获得了较好的应用。
IETF目前正在进行IPv6应用于低速、低功耗近距离无线通信的标准研制,已有了基于IEEE802.15.4实现IPv6通信(6LowPAN)、低功率损耗网络中的路由(ROLL)、基于802.15.4的应用协议等标准项目。
ETSI于2008年底成立M2MTC(在3GPP中,M2M被称为MTC,即Machine-TypeCommunications),致力于M2M业务及运营需求、端到端高层架构、应用、解决方案间的互操作性研究。
需求、架构、智能计量用例、eHealth用例方面的标准基本完成。
目前已经开始第三阶段具体接口和协议标准的制定,同时继续进行M2M用例调研。
3GPP主要致力于制定满足机器通信特别需求的蜂窝移动通信网改进和优化标准,前期研究已经完成,2009年立项进行架构和RAN优化研究。
本文主要关注3GPP的MTC技术发展及标准化进展。
Fig.1:
MTC3GPP标准化进程
1.2.MTC应用场景[2]
MTC的应用场景主要有以下几个方面:
Security
Alarmsystems
Backupforlandline
Accesscontrol
Car/driversecurity
Tracking&Tracing
FleetManagement
OrderManagement
Payasyoudrive
AssetTracking
Navigation
Trafficinformation
Roadtolling
Trafficoptimisation/steering
Payment
Pointofsales
Vendingmachines
Loyaltyconcepts
Gamingmachines
Health
Monitoringvitalsigns
Supportingtheagedorhandicapped
WebAccessTelemedicinepoints
Remotediagnostics
RemoteMaintenance/Control
PLCs
Sensors
Lighting
Pumps
Valves
Elevatorcontrol
Vendingmachinecontrol
Vehiclediagnostics
Metering
Power
Gas
Water
Heating
Gridcontrol
Industrialmetering
Table1:
MTCusecases[2]
现在已经有的MTC应用如下:
UseCase1:
Payasyoudrive(PAYD)
这个Usecase已经在英国和意大利得到广泛应用,是一种根据汽车使用情况,如速度、历程、使用时间等而灵活收取汽车保险费用的服务。
该服务中,利用GPS和其他各种传感器将采集的数据传输给保险公司,因此,汽车可被看出是MTC设备。
一张UICC被安装在汽车内,以防止调换和篡改行车记录。
UseCase2:
TrackingandTracing
跟踪功能被官方的应用在汽车租赁市场,以防止高档汽车的丢失。
此usecase也被应用在一些贵重物品的运输上。
该场景中MTCdevice有较高的移动性,从安全性的方面看,UICC需要安装在不容易被触及,不容易被破坏的地方。
UseCase3:
Metering
该应用场景中,Meteringdevice一旦被安装就会长时间的无需人为维护。
该场景中MTCdevice没有移动性,但考虑到用户可能会更换powersupplier或者房屋可能更改用户,因此需要考虑用户签约数据的更改方法。
根据上面usecases的分析,可以看出,由于usecase的不同,MTCdevice在安全相关功能方面可以引出以下重要问题:
●Issue1:
Howtopreventtheftofandtamperingwithsubscriptioncredentials
●Issue2:
HowtoinitiallyprovisionanewM2MequipmentwithanewUSIMapplicationfromanoperatorofM2Msubscriberchoice
●Issue3:
Howtochangesubscriptiontoadifferentoperator
●Issue4:
Howtoupgradesoftwareandsecuritycredentials
1.3.3GPPMTC应用特征和服务需求[5]
●MTCFeatures
由于并不是所有的MTC应用都具有一样的特征,所以3GPP给出了如Table2所示的MTCFeatures表,以便用不同的MTC应用特征来定义不同的MTC应用,从而达到有目标的优化MTC的目的。
Table2:
3GPPMTC应用特征[5]
●Servicerequirement
⏹commonservicerequirements
根据3GPP的规定,MTC应具备以下的commonservicerequirements(所谓的commonservicerequirement就是所有的MTCDevice都必须具备的功能):
-ThenetworkshallenablethenetworkoperatortoidentifypersubscriptionwhichindividualMTCFeaturesareprovidedtoaparticularMTCSubscriber.
-ThenetworkshallprovideamechanismfortheMTCSubscribertoactivateordeactivateMTCFeatures.
-ThenetworkshallprovideamechanismforthenetworkoperatortocontroltheadditionorremovalofindividualMTCFeaturestoasubscription(e.g.basedonmatchingormismatchingofMTCFeatures).
-ThenetworkshallprovideamechanismforthenetworkoperatortorestrictactivationofMTCFeatures(e.g.basedonmatchingormismatchingofMTCFeatures).
-ThenetworkoperatorshallbeabletorestricttheuseofaUSIMtospecificMEs/MTCDevices(e.g.basedonmatchingormismatchingofMTCFeaturesand/orothertypesofMTCDevices).
-ThenetworkshallprovideamechanismtoreducepeaksinthedataandsignallingtrafficresultingfromverylargenumbersofMTCDevices(almost)simultaneouslyattemptingdataand/orsignallinginteractions.
-Thenetworkshallprovideamechanismtorestrictdownlinkdataandsignallingwhenthenetworkisoverloaded.
-ThenetworkshallprovideamechanismtorestrictaccesstowardsaspecificAPNwhenthenetworkisoverloaded.
-ThesystemshallprovidemechanismstoefficientlymaintainconnectivityforalargenumberofMTCDevices.
-ThesystemshallprovidemechanismstolowerpowerconsumptionofMTCDevices.
-MTCDevicesmaybekeptofflineoronlinewhennotcommunicating,dependingonoperatorpoliciesandMTCApplicationrequirements.
-MTCDevicesmaykeeptheirdataconnectionornotkeeptheirdataconnectionwhennotcommunicating,dependingonoperatorpoliciesandMTCApplicationrequirements.
除了以上列出的commonservicerequirements外,所有MTCDevice还应该具备以下能力:
MTCdevicetriggering:
网络侧应该具备触发MTCDevice与MTCserver建立连接的能力;MTCDevice应该具备接受网络的triggerindication并且与MTCserver建立连接的能力。
Addressing:
Thesystemshallprovideamechanism,accordingtooperatorpolicy,whereanMTCServerinapublicaddressspacecansuccessfullysendamobileterminatedmessagetotheMTCDeviceinsideaprivateIPaddressspace
Identifiers:
系统必须能唯一的地故意一个ME;系统必须能够唯一的定义MTCsubscriber;MTCGroup应该可以被3GPP网络唯一的定义;应该有某种机制使得networkoperator有效的管理用户,定义MTCsubscriber。
Chargingrequirements:
Securityrequirements:
RemoteMTCdevicemanagement:
⏹Specificservicerequirements(MTCFeatures)
Lowmobility:
对于某些MTCDevices,被认为是“notmove,moveinfrequently,ormoveonlywithinacertainregion”因此,具备Feature是:
operator可以changethefrequencyofmobilitymanagementprocedures,or只进行简单的移动性管理;operatior可以定义locationupdate的频率。
Timecontrolled:
对于某些MTCDevices,被认为其服务和时间具有相关性(数据和信令只在定义的周期内发送)。
因此,operator可以拒绝或允许MTCDevices在定义的accessgranttimeinterval内接入;网络侧可以在已定义的forbiddentimeinterval内拒绝MTC的接入;本地网络可根据本地策略更新accessgranttimeinterval;……
Timetolerant:
对于某些MTCDevices,被认为其服务对时间不明感,容忍一定的延时。
PacketSwitched(PS)only:
MTCDevices只能通过PS域提供MTC服务。
Smalldatatransmissions:
……
其他见Table2。
1.4.框架结构和接入场景
网络框架
如Fig.2所示为MTC的3GPP网络框架图。
Fig.2:
3GPPArchitectureforMachine-TypeCommunication
MTCu:
提供MTCdevice接入到3GPP网络的接口。
用作传输用户平面和控制平面的数据。
MTCu接口可以给予Uu、Um、Ww和LTE-Uu接口。
MTCi:
MTCi是MTCserver连接到3GPP网络的参考点,由于MTCi的存在,使MTCserver可以通过3GPPbearerservice或IMS与MTCdevice实现连接。
MTCi可以基于Gi、Sgi和Wi接口。
MTCsms:
MTCsms是MTCserver连接到3GPP网络的参考点。
由于MTCsms的存在,使得MTCserver可以通过3GPPSMS与MTCdevice实现连接。
接入场景
Fig.3:
Communicationscenarios-1
3GPP给出了MTC三种接入场景,其中MTCDevicescommunicatingwithoneormoreMTCServer的接入场景分为:
ServerislocatedintheoperatordomainandMTCserverislocatedoutsidetheoperatordomain,如Fig.3所示。
MTCDevicescommunicatingwitheachother的接入场景如Fig.4所示:
Fig.4:
MTCDevicescommunicatingdirectlywitheachotherwithoutintermediateMTCserver
二、MTC未来演进方向和潜在方案[4]
2.1.KeyIssues
2.1.1.KeyIssue-GroupBasedOptimization
如果将一些具有相似特性、相似地理位置或属于同一用户的MTCDevices组成一个group,然后对该group进行统一的管理,数据统一发送,这样会在很大程度上节约信令和overhand。
从而达到避免拥塞的目的。
2.1.2.KeyIssue-MTCDevicescommunicatingwithoneormoreMTCServers
一个用户可能需要将多个MTCDevices通过PLMN连接到多个MTCservers上,这要求MTC具备一系列的能力:
addressing,identifiers,charging,security……
为了达到MTCdevice和MTCservers通信的目的,需要满足一下需求:
-需要具备多个MTCservers与同一个MTCsubscriber的多个MTCDevices连接的能力。
-PLMN需要允许在MTCserver和MTCdevice之间传输数据的能力。
-PLMN需要在为Device提供连接前,具备鉴别和授权MTCdevice的能力。
-需要唯一的标识MTCDevice。
-需要唯一的标识MTCgroup。
2.1.3.KeyIssue-IPv4Addressing
由于有众多的MTCDevices和MTCservers,且MTCservers由于考虑具备集中控制的功能,因此MTCservers需要可以发起与多个MTCDevices的连接。
由于IPv4地址空间的限制,MTCDevices只能分配私有的不可路由的IPv4地址,这样就无可达性?
2.1.4.KeyIssue-OnlineSmallDataTransmission
由MTCDevice的功能决定,某些MTCDevice需要频繁的接收或者发送小量的数据。
如果处理这些大量的频繁的小数据发送?
2.1.5.KeyIssue–OfflineSmallDataTransmission
由MTCDevice的功能决定,某些MTCDevice需要偶尔发送一些少量的离线数据。
对于这种场景,可以采取某种优化方式,是系统资源利用率更高(如在没有数据发送的时候就detach)。
2.1.6.KeyIssue–LowMobility
对一些低移动性的MTCDevice,有如下usecases:
-notmovefrequentlyandmaymoveonlywithinsmallarea:
e.g.healthmonitoringathome.
-notmovefrequentlybutmaymovewithinwidearea:
e.g.mobilesalesterminals.
-notmovenormally,i.e.withfixedlocation:
e.g.watermetering.
因此,对于这些场景的MTCDevices,需要研究如何减少频繁的移动性管理过程,如何优化paging。
2.1.7.KeyIssue–MTCSubscriptions
根据[5]的描述,MTC的feature是可由subscription“订阅”和控制的。
因此需要允许用户根据operatorpolicy激活或者去激活MTCfeatures。
也就是说需要实现为多个MTCDevice共享签约数据,实现签约数据的HomePLMN。
本issue旨在确定关于MTCsubscriptions的需求框架,以及MTCdevices,MTCsubscriptions和MTCarchitecture的关系。
2.1.8.KeyIssue-MTCDeviceTrigger
某些MTC应用中,用户期望可以对MTCDevice的连接进行控制,而不希望Device随意的连接到server,只是偶尔的MTCServer会从Devices处获得采集数据。
因此,MTCserver需要具备触发MTCDevice附着或者建立PDP/PDN连接的能力。
2.1.9.KeyIssue–TimeControlled
具备TimeControlledMTCfeature的MTCDevice只能在预先确定的timeperiod内发送和接收数据。
网络operators能够修改和预定义timeperiod。
本issue的主要目标是确定如何限制MTCDevice的连接,避免outsidetimeperiod的没有必要的网络负载。
如Fig.5所示,给出了Timecontrol的潜在解决方案示范图。
Fig.5:
TimeControlTerminology
2.1.10.KeyIssue-MTCMonitoring
某些MTCDevice需要被安装在一些高风险位置,对于这些MTCDevices网络需要能够检测和汇报各种事件,一旦事件发送,网络需要配置进行一个特别的行为。
因此,需要用户可以对监控的参数进行设置,并配置各种事
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