ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ
Ближайшие мероприятия
Новости

Использование инфраструктуры сетей LTE при построении сетей М2М

д.э.н., проф. Тихвинский В.О., Заместитель Генерального директора ООО «Айкоминвест» по инновационным технологиям
к.т.н. Терентьев С.В., Заместитель Генерального директора ООО «ГИПРОСВЯЗЬ Консалтинг»

Растущие возможности операторов сетей LTE, использующих наиболее перспективную технологию для оказания услуг высокоскоростной передачи данных на телекоммуникационном рынке, заставляют обратить внимание производителей приложений на сравнительно новые сегменты телекоммуникационных услуг, таких как сегмент услуг сетей М2М («машина – машина»).
Разработчик технических требований к сетям LTE - партнерский проект 3GPP, вслед за техническим комитетом М2М ETSI, уже в течение более 5 лет занимается вопросами внедрения сетей и услуг М2М с использованием сетей 3GPP в качестве сетей доступа, объединяющих конечные устройства М2М, локальные сети М2М, базовую сеть, платформы и приложения М2М в единые сети М2М для оказания новых услуг.

Одна из проблем, возникающая при использовании мобильных сетей 3GPP в качестве сетей доступа М2М, состоит в том, что они, становясь элементами сетей М2М, должны одновременно оставаться действующими сетями мобильной связи или, по крайней мере, не нарушать предоставление услуг мобильной связи.

Использование взрывного потенциала новой технологии беспроводного доступа LTE для создания сетей М2М операторами и вендорами оценивается пока негативно из-за низких объемов генерируемого в сетях М2М трафика. Скорее следует ожидать, что сети М2М повысят востребованность и продлят жизненный цикл технологии 2G после внедрения VoLTE и перераспределения рынка речевых услуг между сетями 2G/3G/4G.

Деятельность рабочих групп 3GPP по созданию технических требований к M2M

Впервые партнерский проект 3GPP начал разработку технологий связи 3GPP для использования в сетях М2М в 2007 году в ходе исследования вопроса оказания услуг связи «машина – машина» при помощи мобильных сетей, стандартизованных 3GPP (GSM/EDGE/UMTS/HSPA) [1]. Это исследование 3GPP определило потенциал услуг М2М и показало возможность движения этого вида услуг к премиальному сегменту мобильного рынка. В 2010 году рабочие группы 3GPP начали процесс внедрения результатов исследований по М2М в фазу разработки технических спецификаций на основе:

  • Технического отчета TS 22.368. Требования к услугам связи между машинами [2].
  • Технический отчет TR 23.888. Системное улучшение технологий связи между машинами, направленные на совершенствование системно-сетевых решений, поддерживающих М2М [3].
  • Технические спецификации TS 22.368 определили общие и специфические требования к технологии связи М2М, и работа над их созданием инициировала два дополнительных исследования, которые были сфокусированы на альтернативах использования нумерации E.164 для M2М и совершенствовании требований M2М (TR 22.888)[4].

Кроме рабочей группы 3GPP SA (Services and System Aspects), еще две рабочих группы RAN (Radio Access Network) и GERAN (GSM Edge Radio Access Network) также активно работали над улучшениями Релиза 10 для сетей и услуг М2М при подготовке технических отчетов TR 37.868 (Study on RAN Improvements for MTC) и TR 43.868 (Study on GERAN Improvements for MTC).
Технический отчет TR 33.812 содержит исследование возможностей сетевой безопасности удаленного резервирования и изменение подписки на услуги для оконечного оборудования М2М. В техническом отчете TR 33.868 также рассмотрены аспекты сетевой безопасности М2М и ожидается, а дальнейшая работа по М2М отложена до Релиза 11.

Технический отчет TR 23.888 выделяет ключевые вопросы М2М и предлагает возможные решения. Технические требования Release 10 в части технологии связи М2М направлены на совершенствование требований, связанных с перегрузками и контролем этих перегрузок в сетях LTE/3GPP, а остальные вопросы перенесены на дальнейшие Релизы.
В целом, более 14 новых специфических требований к сетям и услугам М2М сформулировано в техническом отчете TR 22.888, подготовленном в рамках исследований по Release 10, которые включают[2]:

Низкую мобильность, что определяется моделями поведения устройств М2М, которые могут быть статичными (неперемещаемыми), иметь ограниченную мобильность (nomadic) и быть мобильными, но в пределах строго определенного региона. Эти свойства М2М устройств позволяют снижать служебный трафик сигнализации, отвечающий за мобильность, и частоту передаваемых отчетов от устройств М2М.

Контролируемость времени связи, которая реализуется за счет того, что данные от устройств М2М могут быть переданы или приняты только в строго определенный период и служебный трафик за пределами этих заранее определенных временных окон может быть минимизирован.
Толерантность к моменту проведения сеанса связи и задержкам сообщений, которая реализуется за счет того, что приложения для передачи данных могут поддерживать независимость от задержки.

Использование только принципов коммутации пакетов, вследствие чего доступ в сеть разрешен для ранее установленных услуг и переключение возможно как с использованием, так и без использования мобильных терминалов.

Использование международного номера абонента для нумерации (International Subscriber Directory Number, MSISDN).

Передачу небольших объемов данных (Small Data Transmissions), так как большинство М2М устройств передает небольшие потоки данных в линии «вверх».

Инициализацию только мобильного вызова (Mobile Originated Only), так как сеть предоставляет механизмы снижения управляющего служебного трафика, создаваемого устройствами М2М.

Завершение мобильного вызова (Infrequent Mobile Terminated) на сетях LTE/3GPP.

Мониторинг М2М сети, осуществляемый в целях того, что сеть М2М не предназначена для предотвращения краж М2М устройств, выявления таких событий в сети М2М как необъяснимое поведение и потеря соединения, уведомление конечного пользователя о результатах мониторинга.

Приоритетную передачу аварийных сообщений PAM (Priority Alarm Message) требующих немедленного внимания оператора и пользователей сети М2М, в случаях краж, срочных или чрезвычайных ситуаций.

Безопасность соединений особенно при соединении через роуминговых операторов.

Переключение М2М устройств на основе особенностей расположения, так как оператор хранит информацию о расположении и может «разбудить» или переключить М2М устройство в определенной области сети М2М.

Обеспечение достижения данными места назначения в сети М2М для данных, передаваемых в линии «вверх», за счет их передачи на особые адреса при возможности.

Обеспечение редких передач, для чего ресурсы сети доступа LTE/3GPP распределяются только по мере их необходимости.

Возможности группового использования устройств М2М, которые должны позволять обеспечивать вещание на определенные группы М2М устройств, объединяя требования политик, тарификации, адресации и QoS на эти выделенные группы М2М устройств.

Взаимодействие сети LTE/3GPP и сети M2M при оказании услуг

Техническими спецификациями 3GPP TS 22.368[2] определено три модели, которые обеспечивают различные варианты управления сетью М2М и взаимодействия между устройствами М2М и М2М сервером, а также М2М приложением (Рис.1.):

  • модель А (взаимодействие между устройствами М2М без использования промежуточного М2М сервера).
  • модель В (М2М-сервер расположен за пределами домена оператора);
  • модель С (М2М-сервер расположен в домене оператора);

Модель А обеспечивает прямое взаимодействие между устройствами М2М по принципу «каждый с каждым» без использования промежуточного М2М-сервера, а также прямое взаимодействие с М2М приложениями, как приложениями верхнего уровня оператора сети LTE/3GPP. Пример показанный на рис.1 реализуется только Релизом 12.
Модель B обеспечивает взаимодействие устройств М2М с использованием М2М сервера, который расположен за пределами домена оператора и оператор сети LTE/3GPP обеспечивает это сетевое взаимодействие с М2М сервером. В качестве точек взаимодействия используют MTCsp и MTCsms, которые могут являться как внешними интерфейсами для оператора сети М2М (сервис-провайдера), так и внутренними при управлении сетью М2М со стороны оператора сети LTE/3GPP.

Модель C обеспечивает взаимодействие устройств М2М с использованием М2М сервера, который расположен в домене оператора. Сеть домена оператора предлагает программируемый интерфейс приложений (API) на М2М сервере и соответственно потребитель М2М услуг имеет доступ к М2М серверу посредством этого API интерфейса.

Три модели взаимодействия сети М2М и сети LTE/3GPP
Рис.1. Три модели взаимодействия сети М2М и сети LTE/3GPP

При реализации сценария, когда М2М-устройства взаимодействуют с одним или более М2М-сервером, оператор сети LTE предоставляет соединение к одному М2М-серверу или нескольким М2М-серверам. При этом используемый М2М сервер управляется оператором сети как показано на рис.1 или сервер М2М может не контролироваться оператором сети, как показано на рис.2.

М2М-приложения для конечных услуг используют службы передачи данных, предоставляемые сетью LTE/3GPP и, частично, службы, предоставляемые М2М-сервером. Сеть LTE/3GPP предоставляет для сети М2М услуги транспортной сети и сетевого взаимодействия (включая услуги служб передачи данных 3GPP (bearer services), IMS и SMS), а также возможности оптимизации сетей, которые способствуют повышению эффективности межмашинного взаимодействия устройств М2М.

На рис. 2 показана архитектура сети LTE/3GPP в которой АТ М2М используется для взаимодействия с сетью М2М посредством соответствующего сети доступа интерфейса LTE-Uu/Uu/Um. На рис.2 также показаны варианты реализации моделей взаимодействия А и В, а также возможность использования гибридной модели (А+В) в которой для трафика плоскости пользователя используется модель прямого взаимодействия (А), а для служебного трафика плоскости управления сети М2М используется модель непрямого взаимодействия (В). 
Как видно из приведенной на рис. 2 архитектуры сети LTE/3GPP, сервер М2М-приложений, реализующий различные варианты услуг М2М, и точка сопряжения с программируемым интерфейсом API находятся за пределами границы сети LTE/3GPP.

Архитектура сети М2М с использованием сети доступа LTE/3GPP
Рис.2 Архитектура сети М2М с использованием сети доступа LTE/3GPP

Однако М2М-сервер может быть расположен как за пределами домена оператора, так и внутри. Точки сопряжения MTCsp и MTCsms могут быть частью функционального модуля межсетевого взаимодействия M2M-IWF, и обеспечивать доступ к М2М-серверу, при использовании сетей с технологией не-3GPP (CDMA-2000, WiMАX и др.). В таблице 1 приведены главные элементы архитектуры сети LTE/3GPP и точки сопряжения сетей M2M и LTE/3GPP.

Приложения М2М могут иметь совмещенное размещение на сервере М2М. Сервер М2М является элементом сети М2М, соединенным с сетью и взаимодействующим, как с устройствами М2М, так и с узлами сети мобильного доступа LTE/3GPP. Архитектура сети LTE/3GPP обеспечивает поддержку роуминга устройств М2М и доступ к М2М-услугам за счет использования интерфейса LTE-Uu/Uu/Um визитной сети LTE/3GPP.

Таблица 1

Элементы архитектуры и точки сопряжения сети М2М и LTE/3GPP   Назначение
1. MTCu(LTE-Uu) точка сопряжения М2М-устройств и сети LTE/3GPP для транспортировки трафика пользователя
2. MTCsp точка сопряжения М2М-сервера и службы обмена данными (3GPP bearer service) сети LTE/3GPP которая обеспечивает взаимодействие модуля M2M-IWF в плоскости управления
3. MTCsms точка сопряжения М2М-сервера для присоединения к сети LTE/3GPP при использовании SMS-услуг для взаимодействия между устройствами М2М.
4. Т4 точка сопряжения модуля M2M-IWC используемая для маршрутизации устройств М2M, подключаемых к серверу SMS-SC домашней сети LTE/3GPP
5. T5a точка сопряжения модуля M2M-IWC и модуля SGSN
6. T5b точка сопряжения модуля M2M-IWC и модуля MME
7. S6m точка сопряжения модуля M2M-IWF опрашиваемая модулем HSS для адресации при использовании нумерации Е.164 на основе MSISDN
8. М2М пользователь Юридическое лицо, которое использует объединенные в сеть абонентские терминалы М2М (обычно контрактный партнер оператора сети связи).
9. Абонентский терминал М2М (АТ М2М) Оборудование пользователя сети М2М для взаимодействия с М2М-сервером и другими устройствами М2М в сети.
10. М2М сервер Модуль для обеспечения взаимодействия М2М-устройств с мобильной сетью LTE/3GPP

При роуминге устройства М2М используют точку взаимодействия MTCu визитной сети мобильного оператора LTE/3GPP для доступа к услугам М2М домашней сети
Кроме традиционных функций сеть LTE/3GPP при использовании ее в качестве сети доступа для М2М сети выполняет ряд дополнительных функций, определяемых используемой в сети моделью взаимодействия. Соответственно и функциональные модули сети LTE/3GPP выполняют новые функции, определенные степенью вовлеченности этих модулей в решение задач управления и оказания услуг М2М.

Модуль M2M-IWF выполняет функцию межсетевого взаимодействия и размещен у оператора домашней сети LTE/3GPP. Обычно этот модуль скрыт внутри топологии сети LTE/3GPP и обеспечивает передачу или трансляцию протоколов управления и сигнализации, используемых в точке сопряжения MTCsp. Кроме того, модуль M2M-IWF производит аутентификацию М2М-сервера перед установлением его присоединения к сети доступа и авторизацию запросов М2М-сервера в плоскости управления.

Модуль HSS осуществляет взаимодействие с М2М сервером посредством модуля M2M-IWF в точке сопряжения S6m, в целях отождествления устройств М2М по номеру MSISDN (на базе Е.164) и идентификатору IMSI (Е.212), а также маршрутизацию модулю M2M-IWF сетевой информации об адресах сетевых элементов MME/SGSN/MSC, обслуживающих М2М устройство.
Модуль PGW обеспечивает модели прямого взаимодействия между устройствами М2М по принципу «каждый с каждым» без использования промежуточного М2М-сервера или непрямого взаимодействия с использованием М2М-сервера, а также гибридные модели.

Модуль МME осуществляет терминацию присоединений в точках взаимодействия T5b/T5a, получает команды на переключение устройств М2М из модуля M2M-IWF и сохраняет историю этих переключений, инкапсулирует эти данные в NAS-сообщения для передачи их устройствам М2М.

Модели трафика М2М и управление перегрузками в сети LTE/3GPP

Трафик, создаваемый в сети LTE/3GPP при оказании услуг М2М, характеризуется следующими особенностями [5-8]:

  • Спорадическим характером взаимодействия конечных устройств М2М в сети и короткой продолжительностью этих сеансов;
  • Небольшим объемом передаваемых данных, требующим небольшой пропускной способности используемой сети доступа, но большим количеством подключенных конечных М2М устройств;
  • Низкой мобильностью конечных М2М устройств или полным отсутствием таковой, а также низкой активностью в линии вверх;
  • Большими группами конечных М2М устройств с одновременным запросом соединения в сети;
  • Низким потреблением энергии конечных М2М устройств как следствие низкого трафика;
  • Низкими запросами вычислительных мощностей и низкой стоимостью конечных М2М устройств как следствие низкого трафика;
  • Высокими требованиями к безопасности данных.

Трафик, генерируемый в сетях М2М, можно разделить на два класса:

  • класс для низкого уровня трафика от устройств М2М;
  • класс для высокого уровня трафика от устройств М2М (услуги видеонаблюдения);

М2М-устройства имеют возможность генерации больших объемов служебного трафика (signaling), который может вызывать перегрузку сети, как минимум, в следующих двух ситуациях:

  1. M2M-приложение, используемое во многих АТ М2М, запрашивает множество АТ выполнить какое-то действие (например команду «Attach/Connect requests») посредством сети LTE/3GPP одновременно.
  2. Большое количество роуминговых АТ M2M (in-roamers) движутся и собираются в одном месте и впоследствии переполняют локальные сети устройств М2М, где не будет хватать ресурсов обслуживающей сети LTE/3GPP.

Эти ситуации могут отрицательно влиять, как на характеристики сети доступа LTE/3GPP, вызывая перегрузки внутри сети, так и на характеристики качества услуг М2М и даже на восприятие пользователя (QoS/End-user experiences) для таких высокодоходных услуг как речь и другие мультимедийные услуги.
При управлении в сети LTE/EPC перегрузками трафика услуг M2M используются следующие способы:

  • Назначение абонентскому терминалу низкого приоритета доступа при помощи команды «Low Access Priority*» для дифференциации низкого приоритета и задержки для обеспечения толерантности служебного трафика М2М-устройств.
  • Установление соединения с использование протокола управления радиоресурсами RRC с низким приоритетом обслуживания, и который может быть индицирован в сети радиодоступа E-UTRAN.
  • Управление служебным трафиком протокола RRC для обеспечения использования расширенного времени ожидания обслуживания в случае режекции сообщений от М2М-устройств.
  • Инициирование модулем управления мобильностью ММЕ режекции установления соединения в сети радиодоступа E-UTRAN с использованием протокола RRC.

На рис.3 показаны диаграммы обмена командами в сети E-UTRAN между базовой станцией и модулем управления мобильностью при управлении перегрузками М2М трафика.

Управление перегрузками М2М трафика
Рис.3 Управление перегрузками М2М трафика

Базовая станция eNB, получившая сообщение «OVERLOAD START» от модуля управления MME, работающего с перегрузкой и содержащее команду на режекцию установления соединения по протоколу RRC в сети радиодоступа E-UTRAN. При получении этого сообщения базовая станция eNB должна снизить уровень служебного и пользовательского трафика. 
При получении сообщение «OVERLOAD STOP» базовая станция eNB, должна вернуться к нормальной работе с модулем управления мобильностью MME без ограничений на генерируемый ею трафик.

Заключение

Главной особенностью и отличием сетей М2М от мобильных сетей связи является низкий уровень трафика оконечных устройств и необходимость объединения в сети огромного количества оконечных М2М-устройств на порядок превышающих число абонентов мобильных сетей в единые сети.

Несмотря на низкий уровень трафика, генерируемого в сетях М2М, и относительную дороговизну на данном этапе абонентских терминалов М2М по отношению к терминалам 2G/3G, сети LTE/3GPP рассматриваются как важнейшее решение для создания сетей доступа для операторов сетей М2М.

Архитектура сети доступа LTE/3GPP, а также модели управления и взаимодействия с сетью М2М определяются наличием в этой сети отдельного М2М-сервера, реализующего различные М2М-приложения, а также расположением этого сервера в границах сети или за пределами сети LTE/3GPP.

Список литературы

1. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; TR 22.868: Study on Facilitating Machine to Machine Communication in 3GPP Systems; (Release 8).
2. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; TS 22.368: Service requirements for Machine-Type Communications (MTC); (Release 11).
3. 3rdGeneration Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; TR 23.888: System Improvements for Machine-Type Communications (Release 10).
4. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; TR 22.888: Study on Enhancements for MTC; (Release 11).
5. Тихвинский В.О. Перспективы и модели услуг в сетях М2М// Ж-л «Connect! Мир связи» №2, 2011, стр.86-91.
6. Тихвинский В.О., Терентьев С.В., Высочин В.П. Использование IMS платформы для управления услугами в сетях М2М// Ж-л «Электросвязь», № 4, 2011, стр.41-46
7. Machine-to-machine (M2M) – the rise of machine// White paper, Juniper, 2011
8. Proceedings of M2M World Congress // M2M World Congress-2012, London, 2012