物联网业务网关组网方案研究

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本文摘自《电信快报》2012年11期。【作者】 吴丽华（1982—），女，工程师，硕士，主要从事移动通信核心网、IMS网络、物联网等规划与咨询工作。

【机构】 中国移动通信设计院有限公司；

【摘要】 物联网业务网关南向连接GGSN(网关GPRS〔通用无线分组业务〕支持节点),北向连接业务平台和短彩信网关等,组网相对较复杂。文章主要针对物联网业务网关组网相关问题进行探讨,分析分区域+集中组网和负荷分担组网两种组网方式,从业务开展和业务体验角度,指出负荷分担组网更为可行。

【关键词】 M2M(Machine/Man to Machine/Man)； 物联网； 物联网业务网关； 组网；

1物联网概述

1.1物联网概念

M2M是“Machine/Man to Machine/Man”（机器对机器、人对机器或机器对人）的简称，主要是指通过无线网络传递信息，并通过后端的服务器网络来实现机器与机器或人与机器的实时数据交换，也就是机器互联互通。

物联网是指通过机器内部潜入芯片和软件，使之具有一定的感知能力、计算能力和执行能力，按照约定的协议，把任何物体与信息网络连接起来，机器终端通过网络实现智能交互、协同处理，从而实现物与物、人与物之间的通信。

各类M2M应用从终端设备结构、网络通信协议到应用管理平台大部分都基于私有体系，这些异构、私有、非开放的体系造成了一个个信息孤岛。物联网是M2M的下一发展阶段，物联网通过对协议的统一、模块的标准化，可以构建一个开放的接入、开放的应用开发环境，可以在更多的应用领域中衍生出丰富多彩的物联网应用。

1.2物联网体系架构

物联网可划分为一个由感知层、网络层和应用层组成的三层体系。

1)感知层

包括二维码标签和识读器、RFID(射频识别）标签和读写器、摄像头、GPS(全球定位系统）、传感器和物联网终端、近距离感知子网（例如传感器网络）和物联网接入网关（例如传感器网络网关）等。感知层主要负责对物理世界的信息采集以及接受远程网络和应用系统的控制与反馈。

2)网络层

网络层按照平台属性划分为基础网络平台、物联网业务接入层、业务能力层、物联网业务管理域。原M2M管理平台的业务处理功能和终端管理功能分别划到物联网业务接入层和物联网业务管理域。

基础网络平台包括各种通信网络与互联网形成的融合网络，当前主要是以移动通信网络和有线接入的通信网络为主，涵盖接入网、承载网和核心网。

物联网业务接入层即物联网业务网关，将业务能力进行封装，供业务能力使用者统一接入和调用，实现协议解析、协议适配、路由转发、业务鉴权等功能。

业务能力层由各类业务能力平台组成，包括短信、彩信、WAP(无线应用协议）、语音、位置等多种通信业务能力，以及终端管理、感知层管理、物联网信息汇聚中心、应用开发环境等物联网业务能力。

物联网业务管理域实现物联网终端管理、通信管理、能力管理、业务运营管理等功能。

3)应用层

包括各物联网业务平台。

2 物联网业务网关建设需考虑的问题

运营商初期进行物联网业务网关建设时，由于初期用户数不多，可以采用全网集中建设物联网业务网关的方式，但随着物联网业务的发展，单套物联网业务网关容量无法满足需求，这就需要设置多套物联网业务网关。

多套物联网业务网关的组网需要考虑以下问题：a)物联网业务网关全网负载均衡组网还是分区域组网。b)物联网业务网关的南向连接基础网络的接口和北向连接能力平台、业务平台的接口可分别采用不同的组网方式。c)组网时应重点考虑物联网终端的体验，尽量做到终端对网络的扩容和调整无感知，即网络扩容和调整不会引起终端的升级和配置修改。

3 物联网业务网关组网方案

运营商开展物联网业务时，存在省内业务和全国业务的情况。省内业务仅在省内开放，本省用户使用，并支持用户漫游至他省时使用业务。全国业务可在全网范围内开放，全网用户均可使用。因此从业务范围的角度来看，物联网业务网关有两种组网方案：

方案一：物联网业务网关集中+分省/区域设置，全网物联网业务网关接入全网业务平台/能力平台，各省/区域物联网业务网关接入省内/区域内业务平台/能力平台。

该方案的业务平台仅需接入一套业务网关，业务网关的新增扩容不涉及业务平台的配置调整，但需要基础网元根据APN(接入点名称）或短信代码路由至业务网关，若基础网元无法根据APN或短信代码路由，需要业务网关之间根据协议报头中的业务代码进行转发。

方案二：多套物联网业务网关全网负荷设置，每业务平台/能力平台均接入所有物联网业务网关。

该方案的业务平台需接入多套业务网关，并且需要业务平台记录用户注册时接入的业务网关，以便下行数据的路由，对业务平台有额外的功能要求。但该方案便于基础网元以负荷分担的方式接入业务网关，能实现业务网有效的负载均衡，且终端侧APN等数据配置也较简单，业务网的调整不涉及APN的修改。

下面详细分析这两种方案。

3.1多套业务网关集中+分区域设置的组网方案

1)终端短信接入业务网关方案

短信中心接入物联网业务网关有两种方式。

方式一：短信中心同时接入多套物联网业务网关，如图1所示。

上行短信从物联网终端上行到对应区域的短信中心，短信中心根据短信代码路由至短信代码相应区域的物联网业务网关或全网业务网关，物联网业务网关根据短信代码路由到相应的业务平台。

下行短信由业务平台下行到业务网关，业务网关根据终端码号路由至对应区域的短信中心，再由短信中心下行到终端。

方式二：短信中心只接入本区域对应的物联网业务网关，如图2所示。

上行短信从物联网终端上行到对应区域的短信中心，短信中心上行到对应区域的业务网关，业务网关根据目标短信代码进行路由，如果是本区域各省的短信代码，则直接路由到本区域的业务平台。如果是外区域或集中平台短信代码，则路由到对应区域业务网关或全网业务网关，业务网关路由到对应的业务平台。

下行短信由业务平台下行到业务网关，业务网关根据终端码号判断是否是本区域对应省的终端，如果是则由业务网关直接下发到本区域对应的短信中心，否则路由到用户码号归属省对应区域的业务网关，由该业务网关下行到对应的短信中心，再由短信中心下行到终端。全网业务网关根据终端号码路由到对应区域的业务网关，由该区域的业务网关下发到本区域的短信中心。

两种方式比较：a)在用户漫游和用户使用全网业务的情况下，方式二比方式一多转接1次。b)两种方式均需要对短信代码进行号码规划，以便于路由，否则新业务平台接入有可能需要全网短信中心或业务网关进行数据配置。c)两种方式组网复杂度相当，方式一为短信中心与业务网关之间网状组网，方式二为业务网关之间网状组网。

通过比较，方式一较具优势。

2)GPRS(通用分组无线业务)接入业务网关方案

GGSN(网关GPRS支持节点）接入物联网业务网关有两种方式。

方式一：GGSN同时接入多套物联网业务网关，GGSN根据APN路由。

上行GPRS数据从物联网终端上行到拜访地GGSN，GGSN根据APN路由至相应区域的物联网业务网关或全网物联网业务网关，物联网业务网关或全网物联网业务网关根据终端签约信息和包头中业务ID信息路由到本区域的业务平台。

下行物联网数据下行到业务网关，业务网关根据终端PDP(分组数据协议）激活时记录的GGSN IP地址路由至对应的GGSN，再由GGSN下行到终端。

方式二：GGSN只接入本区域对应的物联网业务网关。

上行GPRS数据从物联网终端上行，对于全网APN上行到拜访地GGSN，对于区域APN上行到归属地GGSN。GGSN上行到对应区域的业务网关，业务网关根据终端签约信息和包头中业务代码信息进行路由，如果是本区域业务代码，则直接路由到本区域的业务平台。如果是集中平台的业务代码，则路由到全网业务网关，由全网业务网关路由到对应的业务平台。

下行物联网数据由业务平台下行到业务网关，由各区域业务网关下发至本区域GGSN，GGSN再下行到终端。全网业务网关根据记录的宿主业务网关地址，路由至对应区域的业务网关，由该业务网关下行到本区域GGSN，再下行到终端。

两种方式比较：a)在用户漫游和用户使用全网业务的情况下，方式二比方式一多转接1次。b)两种方式均需要对APN进行规划，各区域、全网业务采用不同的APN以便于路由，方式一由GGSN根据APN路由至业务网关，方式二由SGSN(GPRS服务支持节点）根据APN路由至GGSN。业务进行调整，如省内业务转成全网业务时，需要对物联网终端的APN配置信息进行相应调整。c)方式一可以实现GGSN的负载均衡。d)方式一组网较复杂，方式一为GGSN与业务网关之间网状组网，方式二为全网业务网关与区域业务网关之间一到多点组网。

通过比较，方式一较具优势。

3.2 多套业务网关全网负荷分担设置的组网方案

1)短信业务负载均衡方案

该场景下，建议短信中心也以负荷分担的方式接入所有物联网业务网关，以便实现对业务网关短信业务的完全负载均衡。
上行短信从物联网终端上行到对应区域的短信中心，短信中心以负荷分担的方式将短信分发到物联网业务网关，物联网业务网关根据短信代码路由到相应的业务平台。

下行短信由业务平台按上行的业务网关地址进行路由，业务网关根据终端码号路由至对应区域的短信中心，再由短信中心下行到终端。

2)GPRS业务负载均衡方案

由于物联网终端需要配置业务网关的IP地址或域名，若物联网终端支持配置物联网网关域名，则可通过DNS(域名系统）解析，实现对GPRS业务的负载均衡。但由于现网大量物联网终端均不支持配置域名，也需要通过SGSN/GGSN实现对GPRS业务的负载均衡。

方式一:通过DNS实现GPRS业务负载均衡，如图3所示。

终端配置DNS服务器的地址及业务网关域名，由DNS服务器将业务网关地址以轮询方式返回给终端，以实现业务网关GPRS业务负载均衡。

下行数据由业务平台按上行的业务网关地址进行路由，业务网关根据终端PDP激活时记录的GGSNIP地址路由至对应的GGSN，再由GGSN下行到终端。

方式二：通过SGSN/GGSN实现对GPRS业务的负载均衡，如图4所示。

上行GPRS数据从物联网终端上行到SGSN，SGSN以负荷分担的方式路由到GGSN，根据GGSN和业务网关的容量，一套业务网关与一组GGSN对应连接，GGSN路由到与之有连接关系的业务网关，业务网关根据终端签约信息和包头中业务ID信息路由到本区域的业务平台。

b)下行数据由业务平台按上行的业务网关地址进行路由，业务网关根据终端PDP激活时记录的GGSNIP地址路由至对应的GGSN，再由GGSN下行到终端。

两种方式比较：a)方式一需要终端支持配置域名和DNS协议，方式二对终端无额外要求。b)两种方式下，若在会话周期内PDP重新激活，有可能会选择另一个物联网业务网关接入，由于该业务网关无会话信息而无法维持该会话。c)两种方式均能实现对物联网业务网关GPRS业务的负载均衡。

建议对于新物联网终端进行规范化，使之支持配置域名和DNS协议。在新老终端共存的阶段，网络同时支持两种方式，对于新终端采用方式一，对于原有老终端采用方式二。

3.3物联网业务网关组网方案小结

多物联网业务网关的组网方案比较见表1。

综上所述，方案二符合业务负载均衡的要求，单套业务网关故障影响较小，且对终端来说一次配置之后无需修改，业务体验较好。但方案二对业务平台要求较高，需要通过鉴权信息统一存储等方式来解决数据不一致风险，并需对协议进行优化以解决PDP重新激活引起的会话中断问题。方案一实现较简单，但无法实现负载均衡，终端的体验也较差。从业务开展和业务体验角度，建议优选方案二。

4结束语

构建一个高质、高效、安全的物联网网络，是运营商快速开展物联网业务的基础。运营商在发展物联网业务时要做好从提供纯管道到提供智能通道的转变，物联网业务网关是其中的一个关键网元。本文通过对物联网业务网关组网方案的深入分析，建议采用多套物联网业务网关负荷分担的方式进行组网，当然，其中还有数据一致性、协议优化等问题尚待解决。

参考文献
1彭巍，肖青.物联网业务体系架构演进研究[J].移动通信，2010(15):15_20.
2唐雄燕，胡昌玮.电信运营商的物联网发展思考[J].邮电设计技术，2011(7):1_4.
3周莹，冷锦，刘中华.物联网与移动通信网的融合发展研究[J].邮电设计技术，2011(7):25_29.