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物联网设备管理棘手难题,MTC闸道器或能一战!

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发表于 2016-12-19 11:10:56 | 显示全部楼层 |阅读模式
随着物联网(IoT)时代的来临,不论是家庭周边应用、工业应用以及车载装置等终端,几乎都可以透过网路远端控制。就通讯的角度来看,许多物联网节点装置的设计都相对单纯,因此对网路管理者来说,装置管理成为一大挑战。MTC闸道器将有助于解决这项难题。

随着物联网(IoT)时代的来临,不论是家庭周边应用、工业应用以及车载装置等大大小小的终端几乎都可以透过网路进行远端控制,且需求量越来越大,像在家庭中的电器和监控系统,例如电量、瓦斯、温/湿度计、门窗监控等。而工业感测控制技术,用于测量压力、温度、液位和流量传感器,例如工业用马达的监控,透过感测器的即时回传警讯来了解马达目前的状况,好比温度过高,抑或是压力、转速异常等情形。另外还有车联网,亦即汽车行动物联网,其中有车队管理,车上的电子标签、车体或车轮上的感应器等应用。

这些应用在不同情境的终端装置,可能也有不同的网路介面,例如ZigBee、蓝牙(Bluetooth)、Wi-Fi、长程演进计画(LTE)等介面,甚至同时拥有两个以上的介面。除此之外,也有不同的使用特性,例如终端装置是否具有移动性,是否具有LTE网路的能力等。  

这些不同特性的装置会随着使用者生活品质的提高,而使得装置的用途越来越多,例如现代人越来越重视安全,像是监控技术,以及自动化如温度、灯光调控等。 以家庭物联网装置为例,根据Gartner市场调查结果,至2020年为止,物联网的各种类别的应用终端装置将快速成长(图1)。  

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图1 物联网装置应用领域


物联网爆发性成长 催生MTC协定加以规范  

第三代合作夥伴计画(3GPP) LTE为了因应物联网的快速发展,除了原本人对人(Human to Human, H2H)通讯外,进而提出机器类型通讯(Machine Type Communication, MTC)协定,而正式出现MTC的定义是在3GPP发布的Release 12 LTE MTC标准规范内,其中包含MTC的终端装置、闸道器(Gateway)、终端装置与闸道器所形成的网路以及后端营运商网路服务等定义。  

这些终端则须要一个闸道器来管理,所谓的MTC闸道器(Machine Type Communication Gateway, MTC Gateway)即扮演闸道器的角色,MTC Gateway必须认识所有终端的网路介面,且具备与核心网路沟通的能力,换言之,须要具备LTE行动通讯的能力。  

顺带一提,MTC相较于H2H之间的通讯不同之处在于流量模式:大部分的MTC流量都是上行传输,资料容量小,但是连线频率高;MTC终端装置大多处于待机状态,并且只在有资料要发送时才会启动。  

接下来,简述何谓MTC Gateway与其网路架构,以及使用的情境。 图2是一个基本的MTC毛细孔网路架构的通讯情境。MTC闸道器装置(MTC Gateway Device)介于MTC毛细孔网路(MTC Capillary Network)以及Operator Domain。利用MTC Gateway Device收集MTC毛细孔网路中各个感测器终端的资料,并透过营运商所架设的MTC伺服器(Server)回传给MTC用户(User)参考。  

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图2 MTC毛细孔网路架构


分辨Local-Access Device及MTC终端装置  

MTC毛细孔网路中提供多种异质通讯介面的技术与MTC Gateway沟通,介面大致尚可分为两类;其一是Local-Access Device,另一类则是MTC终端装置。 Local-Access Device泛指不具被3GPP行动通讯能力的终端装置,例如IEEE 802.15、ZigBee、蓝牙等,这类的终端装置通常只具有单一功能且摆放在固定位子不会移动,例如温度监测、门窗监控等,所以大部分上传的资讯量小,就像是人体的毛细管一样功能简单,其回传周期可为固定式或是有事件发生(Event-Trigger)才回传,也因为功能简单,因此须要藉助MTC Gateway Device才能与MTC伺服器通讯。 另一种MTC终端装置是指具有3GPP行动通讯的能力,可以直接透过公众行动电话网路(PLMN)与MTC伺服器交换资讯,这类型的装置一般属于较高阶的物联网装置,而且通常被放置在具有移动性的环境中(如车辆、轮船上的娱乐装置等),而不是功能或配备较单一的感测装置,因此也可以把MTC Gateway Device想像成是具有3GPP行动通讯能力的一种MTC装置(Device)。  

MTC Gateway Device提供连线3GPP能力  

MTC Gateway Device被当作提供终端装置连线到3GPP网路的能力,透过认证(Authentication)、授权(Authorization)、注册(Registration)以及管理和配置(Management and Provisioning)的机制与毛细孔网路中的Local-Access Device建立连线,例如ZigBee、蓝牙等。  

善用MTC伺服器资料 MTC Gateway Device应用广

如前面所述,MTC Gateway属于MTC终端装置的一种,具有3GPP行动通讯的能力,因此可以利用LTE介面透过公众网路与MTC伺服器通讯,在经由营运商提供的运算服务供使用者进行付款、监控、分析或是天气以及娱乐等资讯。下面举几个MTC Gateway Device的使用情境来加以说明。  

使用情境1:高速公路计程收费机制  

此使用情境为利用电子道路收费系统(Electronic Toll Collection, ETC)比拟为MTC Gateway Device,与其前端(Local-Access Device)以及后端(MTC Server)装置做通讯。  

在高速公路上透过ETC的计程收费机制中,可以把车体上的电子标签(Electronic Tag, eTag)当成Local-Access Device(也就是不具有3GPP行动网路的功能,因此必须透过MTC Gateway Device与营运商网路沟通),而架在高速公路上的装置(ETC)当成MTC Gateway Device。  

当车辆经过MTC Gateway Device时,Local-Access Device会与MTC Gateway Device建立所谓的Local Connectivity(这里的连线可能是Wi-Fi、蓝牙或是其他网路介面技术),MTC Gateway Device可透过此连线收集车辆的相关资讯,并经由3GPP行动网路向后端MTC伺服器更新,进而处理付费或是相关后续程序。  
使用情境2:娱乐和资讯车载装置  

针对娱乐和资讯装置应用在车辆上,一台车辆上安装了MTC装置,目的是希望可以透过MTC伺服器提供导航的位置以及娱乐服务的功能。当车辆移动到有部署MTC Gateway Device的地方(例如机场)时,便可以透过MTC Gateway Device预先从MTC伺服器下载好的位置、天气、娱乐、航班等资讯提供给MTC终端装置。  

除了能够透过MTC Gateway Device取得资讯外,当车辆移动到MTC Gateway Device的服务范围之外时,MTC终端装置可以重新与营运商提供的网路直接和MTC伺服器建立连线并取得相关资讯。  

使用情境3:计程车队管理  

在计程车呼叫中心里,利用MTC Device Gateway收集部署在计程车上MTC终端装置回传的资讯来管理车队。当客人利用网路或是语音叫车时,呼叫中心可以第一时间知道计程车分布的位置,以及是否为空车等资讯,进而使用较有效率的方式安排计程车前往载客。  

又或者,尖峰时间计程车往往会集中在火车站、旅馆门口、游客中心等人潮众多的地方,呼叫中心亦可透过MTC Device Gateway收集的资讯平均分配计程车在各大须要排班的地点,以舒缓在同一地点负载不均的计程车辆,进而降低空车率,提高载客率。  

使用情境4:救难队通讯  

在紧急救难的通讯系统中,通常会部署多个感测装置在移动中的救难队员身上以及救难总部中。这些感测装置彼此需要通讯,达到现场救难人员彼此第一时间的支援救护,因此必须建立Local Connectivity,同时也需要与救难总部通讯,做第一时间的决策安排,以及相关资源调派等,而与总部沟通的角色则是由MTC Device Gateway(如紧急搭建之基站)负责,它收集Local Connectivity的资讯,同时透过3GPP通讯网路与救难总部联系,达到救难现场与后端救难中心的沟通桥梁。  

MTC终端装置数量暴增 动态智能调控势在必行  

综合上述的介绍以及使用情境,可以观察到MTC终端装置可支援具移动性(Mobility)和不具移动性(Non-mobility)环境中。不具移动性的通常会使用在家庭中,或是中、小型的工厂里,而更多应用情境其实是强调移动性的,但有别于H2H的行动通讯装置数量。  

根据GSM协会(Group Special Mobile Association, GSM)预计,MTC的终端装置数量将在2020年达到240亿个,其中将有120亿个装置支援MTC,届时MTC终端装置将大于H2H中的终端装置(例如手机),但传输量通常较小,因此3GPP针对物联网的应用定义了Cat.0、Cat.1。相较于Cat.4、Cat.6,Cat.0、Cat.1拥有较低的传输量以及低功耗特性。不过,当使用者有传送多媒体资料需求时(如Wi-Fi IP Camera终端装置),MTC Device Gateway必须具备处理因传输资料型态不同而动态调整服务品质(QoS)机制。  

正因为越来越多的终端装置可以应用于物联网,但是一般人其实不太习惯在手机、平板等智慧装置使用两套以上的应用程式来管理家中的终端装置,换言之,一般人希望一个家中只要摆放一台MTC Gateway Device就好,而相较于同一个环境越来越多的终端可以被应用,因此多个应用同时在一台MTC Gateway Device上运作将是一大挑战。举例来说,一个MTC Gateway Device可能须要同时接收来自一个终端装置突发的安全警告(Alarm)事件,接收由终端定期回报的资讯,以及告知底下的终端有新的韧体可以下载更新等能力。  

试想某一个状况,当一个MTC Gateway Device下辖管理所及的物联网终端装置数量越庞大,这些巨量的(Massive)物联网通讯装置集体发出通讯请求,很容易使传输资料在上行(Up-Link)时发生瓶颈。又倘若这些物联网通讯装置包含有Wi-Fi IP Cam装置,其所传送的资料是属紧急事件(Emergency)的影像内容,MTC Gateway Device若无一套针对不同传输资料型态与应用情境下所设计动态智能调控排程机制,将会造成生命与财产极大的损失,例如工安事件等。因此,在俯仰皆联网的世代,3GPP所提MTC Gateway Device的关键角色将不言可喻。  

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