1、M2M技术基础,第2部分 M2M的架构及协议 第四章 M2M的需求及高层架构原则,,4.1 引言,为了充分理解目前发生在不同标准的工作背后的动机，以及最近的市场开发，熟悉基本M2M需求是必要的 大多数标准化组织，包括3GPP，3GPP2和ETSI都采取了用例驱动的方法作为一种手段来获得进一步定义业务架构的需求 本章的目的是为了展示需求是怎样得出的，以及M2M给潜在的系统强加了哪些新约束,4.2 用例驱动方法获取M2M需求,4.2.1 用例 根据OMG（对象管理组织），一个用例描述了一个或多个参与者与所讨论的系统之间的交互，这些交互被表示为一系列简单的步骤。其中，参与者是存在于系统之外的某物（终
2、端）或某人（一个或多个人），通过参加一系列与系统的交互来实现一个给定的目标 用例把系统视为一个进行交互的黑盒子，包括响应和感知外部系统。 用例还将描述参与者通过系统的互动要完成什么，即目标。,4.2.2 ETSI M2M的用例,ETSI TC M2M主要聚焦于业务层方面，以用例中的一组应用实例的工作为基础，其中用例构成了需求定义的输入 ESTI采取了一种更为正式的描述用例的方法，这个方法中有5个主要用例成员： 智能计量 电子健康 联网消费 汽车行业 城市自动化,用例的选择,在用例的选择上不可能做到面面俱到，因为，一个系统的方法可能很片面，不能真正提供太大的额外价值，而记录太多的潜在用例又可能给
3、参与者之间的创新和区分留下很少的空间。因此，选择的目标是能够覆盖足够多的用例，以确保所有重要需求被满足，提供的架构可以为潜在的大量M2M应用提供基础。,4.2.3 用例开发的方法论-用例模板,ETSI TC M2M使用的用例模板： 一般用例描述：以高层术语描述的用例的对象/目标列出了主要突出的问题 利益相关者：用例所涉及的人或物的列表，包括消费者、网络运营商、数据库、账单实体等 场景案例描述：用例的描述性文本，展示了利益相关者是如何使用此系统的。这部分可以为用例提供前提条件和触发机制。 信息交换：信息流的分段式描述，例如用例中蕴含的注册、数据检索、数据传送。 潜在的新需求：源于用例的需求列表。
4、 用例源：参考文档或开发用例的实体。,4.3 ETSI M2M智能计量方法,4.3.1 引言 智能计量工作于欧盟委员会关于智能计量的M/441授权密切相关，此授权具有以下目标： 总目标是创建欧洲标准，将使对公共事业计量表（水、气、电、热）的互操作成为可能，来提高客户的消费意识，以便及时适应客户的需求 智能计量把提高能源效率作为目标 智能计量消除了估算账单和人工抄表的需求，可以准确，按时地给客户提供能源使用情况信息。在此基础上还可以提供其他服务，如能源消耗控制能力。,智能计量的6个功能,智能计量协调小组（SMCC）的一份报告记载了智能计量相对于传统计量方式提供的功能外可以提供的6类主要功能： 计
5、量寄存器的远程读取和对指定的市场组织的供应：计量系统的功能是通过一个在预定义的时间计划通过标准化得接口给指定的市场组织远程提供计量表寄存器的值 计量系统和指定市场组织之间的双向通信：计量系统远程检索数据的能力，指定市场组织远程配置计量系统和执行固件/软件升级的能力，计量系统接受信息的能力,支持预付费和支付系统的计量表：允许客户以适当的方式预付使用费用的能力，在预付消费后或一定的时间段后自动连接供应适量能源并断开连接。提供价目表。 允许供应远程禁用和启用的计量表 显示和潜在分析：为终端用户或被终端用户指定的第三方输出计量数据及潜在分析 通过接口或网关给室内或建筑物以及其他辅助设备显示计量信息,智
6、能计量的6个功能,4.3.2 典型的智能计量部署方案,智能计量用例：预付款功能,一般用例描述 配置一个智能计量系统是为了给被计费实体支付预付款功能。用例描述的场景是在本地的智能计量信息系统上进行和在远程对计费实体管理的情况 利益相关者 计费实体：负责给消费者开账单的组织 消费者：消费能源的组织或人，也可以是与计费实体签订合同来付费的组织或个人 资产实体：负责智能计量信息系统资产安装、配置、操作和维护的组织,场景案例描述 先决条件：智能计量信息系统被安装和配置来作为一个预付费系统，系统识别计费实体和/或资产实体，并分配地址给它们 后置条件：智能计量信息系统确认预付费触发操作已完成的计费实体和资产
7、实体。计费实体和/或资产实体使系统意识到故障发生 触发：付费实体或消费者决定在智能计量信息系统上执行一个预付费行为,智能计量用例：预付款功能,信息交换 基本流程 资产实体或计费实体发送消息到智能计量信息系统来改变付款状态 智能计量信息系统验证请求 智能计量信息系统改变付款状态 资产实体或计费实体确认付款状态改变完成 智能计量信息系统从资产实体或计费实体显示预配置信息 消费者从显示器读取信息 消费者能否对这一信息采取行动，如向智能计量信息系统增加信用或减少紧急信用安排 当此行为结束时，智能计量信息系统向资产实体或计费实体发回确认信息 智能计量信息系统按预定时间间隔或根据计费实体的要求提供状态信息
8、,智能计量用例：预付款功能,可选流程1：步骤2失败智能计量信息系统无法验证请求 资产实体或计费实体发送消息到智能计量信息系统来改变付款状态 智能计量信息系统认为请求无效，无法改变付款状态或显示预配置信息 智能计量信息系统连同日期/时间标识一起记录事件（错误） 智能计量信息系统通知计费实体和/或资产实体发生了一个错误 结束,智能计量用例：预付款功能,可选流程2：步骤5失败智能计量信息系统未能显示来自计费实体和/或资产实体的预配置信息 资产实体或计费实体发送消息到智能计量信息系统来改变付款状态 智能计量信息系统验证请求 智能计量信息系统改变付款状态 资产实体或计费实体确认付款状态改变完成 智能计量
9、信息系统未能显示来自计费实体和/或资产实体预配置信息 智能计量信息系统认为请求无效，无法显示预配置的信息 智能计量信息系统连同日期/时间标识一起记录事件（错误） 智能计量信息系统通知计费实体和/或资产实体发生了一个错误 结束,智能计量用例：预付款功能,来自用例的新需求 M2M系统应该为M2M区域网络支持自动配置功能 M2M系统应该支持精确和安全的时间同步功能。M2M设备和M2M网关应该支持时间同步和安全时间同步 M2M系统应该支持远程更改M2M设备状态的能力，例如启用和禁用 M2M系统应该支持能够处理此功能的协助对象间的事务处理,智能计量用例：预付款功能,M2M系统应该支持以下机制，用于接收来
10、自M2M设备和网关的信息： 接收未经请求的信息（被动检索） 接收预定信息 M2M系统的终端应该可以验证交换数据的完整性。 用例源 ESMIG（欧洲智能计量产业集团），文件：智能计量功能的用例，ESMCR003-002-1.0，2009年10月,智能计量用例：预付款功能,用例分析,支持事务的需要 用例清楚表明，所有预付流程的步骤是不可分割的 安全问题 将网络连接到电表使系统易受到恶意和虚假使用的攻击，因此需要强加一些安全需求，如在智能计量表和后端应用或平台之间执行共同认证的需要，以及所有交换信息的验证。还需确保设备或其他软件未被恶意篡改。 定时和主动计量 在允许后端终端定时发送命令的同时，又需要
11、一个主动计量读数来解决高峰需求时期的状况,4.4 ETSI M2M中的电子健康方法,4.4.1 引言 电子健康应用和相关设备正在被越来越多的部署，如： 远程病人监控（RPM）：使医疗保健提供者通过远程收集、存储、检索和分析病人的健康信息来监控和诊断健康状况 疾病管理：支持病人疾病的远程管理，如提供报警功能来触发一个警报引起医生或患者的注意 独居老人监护：由监测老人的生命体征，确保病人按时服药和跟踪他们的活动水平 个人健康和健康改善：电子健康M2M应用可以用来记录保健和健康指标，以及锻炼的频率和持续时间、强度等，作为医生或健身教练的参考,便携式传感器,电子健康用例,需求 位置跟踪 支持关键时刻消
12、息的处理和传送 支持时间安全同步：数据分析的需要,4.4.1.1 电子健康用例例子：干扰隔离,一般用例描述 在一个远程病人监控的情况中，远程健康监测的目的是为了获得低电压的身体信号，而这个获取过程可能被无线电波或蜂窝无线电通信活动干扰，如GSM/GPRS，避免或减少任何可能干扰的信号，可以实现一个可靠的电子健康服务 在有时间限制的测量期间中断无线电传输，然后在测量时间结束时恢复它，控制无线电发射机,电子健康用例例子：干扰隔离,利益相关者 病人 RMD（远程监控设备）：一个带有传感器、用户界面和/或驱动器，以及一个M2M网络接口的M2M电子设备。该设备收集病人信息，通过M2M网络与适当的M2M服
13、务器提供者和/或M2M应用通信。此外，该设备可以接收和执行来自M2M服务提供者和M2M应用的命令，或提供信息给病人 M2M服务提供者：一个给M2M应用实体提供M2M通信服务的网络实体 M2M应用实体,来自用例的新需求 电子医疗设备的无干扰性 无线电传输活动指示：根据M2M业务的类型，所有M2M设备（或网关）的无线电传输部分（如GSM/GPRS）应向M2M设备上的应用/网关提供一个无线电传输活动的实时指示 无线电传输活动控制：根据M2M服务的类型，所有M2M设备（或网关）的无线电传输部分可能会被M2M设备/网关上的应用实时指示，来暂停/恢复无线电传输活动。 用例源：意大利电信公司对M2M ETS
14、I TC的贡献,电子健康用例例子：干扰隔离,该用例提供了另一套具有挑战性的需求：如果GSM/GPRS设备用来传送测量数据，那么它必须不被身体信号干扰，以确保测量数据的准确性。此外，当执行关键传感时，需要一个机制来允许暂停和随后的数据传输的恢复,电子健康用例的需求,4.5 ETSI M2M服务要求：高层概括和不同细分市场的适用性,结论,最重要的结论是，几个M2M应用有许多类似的需求，这些需求可以通过稳定的好用的软件模块被处理，从而使一个用例有一个更简化更轻量级的应用和开放的API来更好的体现M2M的服务能力 进一步的结论是，与个人通信相比，M2M通信加入了新的业务需求。如设备的升级，及设备密钥的
15、升级,4.6 M2M细分市场/应用说明,汽车 智能遥测 监控和安全 销售点 自动售货机 电子健康 视频直播 楼宇自动化 M2M工业自动化,4.7.1 汽车,汽车的M2M部分指的是安装在车辆里的设备和提供以下服务的网络应用 汽车事故应急呼叫业务：交通事故后，向驾驶员提供自动化的援助。如美国通用的Onstar业务，欧洲的PSA、BMW和Volvo等 跟踪和交互式业务：提供车辆跟踪业务，包括多个应用： 被偷车辆的跟踪和交互停止 按里程付费汽车保险 基于区域分区的付款 车队管理 旅游信息推送 基于位置的广告和商业业务,汽车,交互式商业和娱乐应用，包括 视频点播下载 互动游戏 交互式付款 互联网接入 汽
16、车应用的业务特征/网络影响： 高移动性 高数据传输率，特别是对商业和娱乐应用 多承载连接,4.7.2 智能遥测,智能遥测应用的业务特征/网络影响： 固定设备没有移动性 低数据传输率 可预见的行为 延迟容忍 同步效应,4.7.3 监控和安全,监控和安全主要部署在住宅和商业楼来为安全警报提供图片和视频监控信息 监控和安全应用的业务特征/网络影响： 没有移动性 当触发警报过程时，信息周期性交换而非不可预知的突发信息交换 偶尔业务高峰 多承载连接,4.7.4 销售点（PoS）,PoS终端（包括ATM）提供如现金分配、支付和所有收银台的服务。为了与大量应用交换信息，PoS终端既与局域网相连，又与广域网相
17、连。 PoS/数值标识应用的业务特征/网络影响： 有限的移动性 低数据传输率 持久的承载,4.7.5 自动售货机,连接自动售货机到通信网络的主要目的是通过更好的知识和需求与供应的控制来提高操作效率 自动售货机的业务特征/网络影响： 无移动性 低数据传输率 持久的承载 同步效应 延迟容忍,4.7.6 电子健康,远程医疗/医疗应用的业务特征/网络影响： 低移动性 低至中等的数据传输率 多承载应用 同步效应,4.7.7 视频直播,视频直播应用的业务特征/网络影响： 固定设备没有移动性 启动设备的高移动性 紧急连接 中到高的数据传输率,4.7.8 楼宇自动化,楼宇自动化的特点是一组重要的传感器、开关、
18、监控和遥测设备，所有的都使用网关首先连接到私有，然后连接到一个公共的网络 应用的例子包括冷却设备的维护和监控、电梯的监控和维护，电源监控等 楼宇自动化应用的业务特征/网络影响： 低或没有移动性 低数据传输率,4.7.9 M2M工业自动化,工业自动化应用和相关设备如PDA被用于商业和工业领域来支持一组工作流程和定义明确的业务流程。工业自动化应用可能另外收集来自遥测设备的数据 工业自动化应用的业务特征/网络影响： 低或没有移动性 低数据传输率,4.8 M2M的流量特性,4.8.1 智能计量的详细流量特性,4.8.2 全局流量特性,本节讨论2G、3G和4G业务的全局流量特性，考虑以下方面： 全球移动
19、运营商在2G、3G和4G的部署特性（包括市场份额，技术部署等） 依据人口密度、城市/农村指示的全球范围地理特征 依据全球收入和运营商收入的全球范围经济利益率 当地监管机构的推荐,4.8.2.1 2G业务,图4-7 每个站点的平均M2M业务量（2G，NA，2014）,结论,通过以上数据，可以得出以下结论： 2G M2M业务流量在2010到2014年间大约每两年翻一番 全球2G模块业务流量倾向于对称 在1h之内平均比特率是相当低的。峰值比率可能大得多（如图4-8所示，峰值比图4-54-7所显示的每小时估计比特率平均要高20倍），但很难显示。,4.8.2.2 3G业务,结论,因为模块价格相对昂贵，3
20、G M2M业务从2012年才开始对网络产生重大影响 3G全球业务流量很不对称，其中上行业务是下行业务的56倍 到2014年，3G全球M2M业务流量比2G业务流量高出10倍,4.8.2.3 4G业务,结论,由于4G模块的价格现在仍然很高，相比2G和4G，3G业务占市场的主导地位 业务流量呈不对称，与3G相似，且上行业务流量比下行更多 M2M业务是突发的，而现行网络负载模式并非如此 总的来说，M2M混合业务的高峰时间与个人通信是相同的,4.9 M2M通信的高层架构原则,根据M2M需求，它们都依赖于一组类似的构建模块，特别是当涉及相关通信和底层网络的所有方面 M2M设备的部署将比个人通信设备高一个数
21、量级，因此，网络不得不变成M2M感知和利用所有M2M业务的特点,未来M2M部署的关键原则,应用将越来越集中在应用业务逻辑和外包功能，比如一个设备管理的数据中介、安全、DNS等。对这个水平平台功能的接入将通过一套开放的、标准化的API 利用一个水平平台向一组较大的核心网络接口提供接入，如位置、QoS和寻址，接入时没有实施协议的负担，因为通过独立开放的API隐藏了复杂性 接入和核心网络必须能够感知M2M。它的目标是重新使用2G、3G和4G架构，使M2M业务的网络得到优化,设备实现了一个对水平平台的开放界面和可能配置现成的功能来实现网络水平平台同样的功能：M2M业务功能,未来M2M部署的关键原则,3GPP标准化的功能,低移动性 时间控制：在定义的时间通信 时间容忍 仅分组交换：仅PS域服务 较少的在线数据传输 优先警报消息,
