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发布时间:2016-12-05 来源: 协议 点击:

篇一:M2M通信协议综述

M2M通信协议综述

2014.12.17

中南大学信息科学与工程学院

通信工程专业

摘 要

近年来,物联网以其跨学科特色成为信息科技产业的研究热点,它是互联网的延伸,前景无限,但现阶段物联网发展处于萌芽时期,各国均处于探索阶段,涉及到的研究领域和关键技术众多,协议类型五花八门,在国际上没有统一的规范和协议,这深深影响着M2M以及物联网的发展。物联网需要一个统一的接入协议。为了对不同移动终端进行安全管理,无线M2M协议(WMMP)作为M2M系统的核心元素被主要移动运营商所提倡。本文在对物联网发展和M2M业务进行分析的基础之上,对不同的MAC协议、WMMP协议以及MDMP协议进行了概括介绍,重点对WMMP协议的协议栈结构、报文结构、通信方式和安全机制进行了深入研究阐述与分析。

1、介绍

对物联网发展和M2M技术的概述,主要从物联网全球发展现状,中国M2M技术两方面进行阐述。

就物联网的全球发展现状来看,各个国家地区都提出了各自的物联网计划与标准。而同时国家和地区信息化战略的共同点是:融合各种信息技术,突破互联网的限制,将物体接入信息网络,实现“物联网”;在网络泛在的基础上,将信息技术应用到各个领域,从而影响到国民经济和社会生活的方方面面。

在我国,政府提出“感知中国”的发展计划,各大运营商也将其看做未来发展的重点,提出M2M等物联网技术。

虽然物联网的发展前景无限,但也存在多方面的问题,涉及到标准、安全、规划、管理等多个领域,此处只重点说明在协议方面的问题:物联网是互联网的延伸,在物联网核心层面是基于P网络,但在接入层面,协议类别五花八门,GPRS、短信、传感器、TD-SCDMA 、/WCDMA/、CDMA2000、有线等多种通道,所以物联网需要一个统一的接入协议。

本论文围绕中国M2M发展现状和关键技术展开综述。

在中国,为了实现对各类终端的安全管理,运营商提出了一套完整的无线M2M通信协议(Wireless M2M Protocol,简称WMMP),它是M2M业务的核心。从核心构成来说,物联网由云计算的分布式中央处理单元、传输网络和感应识别末梢组成。就像互联网是由无数个局域网构成的一样,未来的物联网势必也是由无数个M2M系统构成,就如人身体不同机能一样,不同的M2M系统会负责不同的功能处理,通过中央处理单元协同运作,最终组成智能化的社会系统。

2、????????协议研究与分析

2.1 WMMP协议背景

在WMMP协议提出之前,M2M技术采用如下两种方式实现:

1.两台具有GPRS功能的M2M终端直接通讯,双方通过无线方式接入核心网后进行连续通讯;

2.将一台GPRS终端作为M2M终端,将一台电脑作为服务器放在Internet上作为M2M应用,终端通过无线方式进行通讯。

第一种方式,整个系统过于简单,只要终端数量增加,相互问的逻辑关系就会复杂到无法有条理地区分;第二种方式则受到无线网内互联相关法规的约束而发展缓慢。此外终端的合法性、终端产生通讯异常时候的处理、终端上报数据的统计、终端与服务器之间通讯的协议也是当时M2M技术中难以解决的问题。

WMMP协议的提出解决了以上的问题,接下来进行详细的研究和分析。 [??]

2.2 WMMP协议概述

WMMP(Wireless M2M Protoc01)协议是为实现M2M业务中M2M终端与M2M平台之间、M2M终端与终端之间、M2M终端与M2M应用平台之间的数据通信过程而设计的应用层协议,其体系如下图所示:

图2.1 WMMP协议体系

WMMP协议是M2M架构中的一个协议泛称,它包括M2M终端和平台接口协议,M2M终端与M2M终端接口协议,以及M2M终端和M2M应用接口协议。

其中,M2M终端和平台接口协议,完成M2M平台与M2M终端之间的数据通信,以及M2M终端之间借助M2M平台转发、路由所实现的端到端数据通信,是WMMP协议体系中最重要的部分。

2.2.1 WMMP协议栈结构

WMMP协议的核心是其可扩展的协议栈及报文结构,而在其外层是由

WMMP协议核心衍生的接入方式,与通信机制和安全机制不相关。在此基础之上,由内向外依次为WMMP的M2M终端管理功能和WMMP的M2M应用扩展功能。

WMMP协议建立在TCP/IP或UDP/IP协议、SMS/USSD之上,其协议栈结构如图所示:

图2.2 M2M终端与M2M平台之间的通信协议栈结构

在网络质量欠佳的情况下,优先采用UDP协议。因为GPRS网络带宽较窄,延迟较大,不适于采用TCP协议进行通信。故采用GPRS作为接入方式时,则建议采用UDP协议作为传输层协议。采用UDP方式通信,可以提高传输效率,减少数据流量,节省网络带宽资源。但是同时,UDP是无连接的、面向消息的数据传输协议,与TCP协议相比较,它有两个致命的缺点:一是没有确认机制,易丢包;二是数据包无序。因此,为保证数据的可靠传输,M2M数据通信通过在UDP的上层应用层的WMMP协议采用丢包重发机制来进行弥补,从而提高通信效率及可靠性。根据实际经验发现,采用UDP方式传输,丢包率能控制在l%以下,能够满足M2M应用的需要。

2.2.2WMMP协议的报文

1、 WMMP报文结构

WMMP协议采用同步方式进行报文交互,每一个请求报文须有一个应答报文作为应答。WMMP报文由报文头和报文体构成,其结构如图所示。

图2.3 WMMP协议报文结构图

(1) 报文头

报文头是每个WMMP报文必要的公共部分,它描述了每个WMMP报文的最基本信息,其长度固定;而且其格式固定,依次为报文总长度、报文命令代码、报文流水号、报文协议版本、报文安全标识、保留字、终端序列号等字段。

在通用M2M终端设备与M2M平台间协议的基础上通过扩展TLV的方式来定义某一类机器间的通信语义。TLV是带格式的的数字或不定长字符串或字节数组,它被用来动态扩展消息交互中的数据及参数,TLV的结构如图所示。

图2.4 TLV结构

其中T为TAG,表示该字符串的定义标签;L为LENGTH,表示该TLV扩展的有效数据或参数V的长度;V为VALUE,表示该数字或字符串或字节数组中有效数据的数值。

TLV与TLV组的区别如下:

表2.1 TLV与TLV组的区别

内容体可以通过数据加密以保证其在传输过程中的安全性。对于内容体的加密,既可以对整个内容体进行加密,也可以对某个或某几个TLV进行单独加密;而加密结果也以特定的TLV在报文中表示。

(2)报文体

报文体是WMMP报文中承载交互数据的部分,其长度可变,格式不固定,甚至可以缺省,一般由内容体和摘要体构成。内容体一般由固定参数部分和可变

TLV/TLV部分组构成。固定参数部分的格式是各类报文所独有的,不同类型的报文其固定参数部分也不完全相同,某些类型的报文甚至缺省固定参数部分。摘要体是一个可选的TLV,用于报文完整性和来源身份合法性的验证。

2、 WMMP报文分类

根据报文是否采用安全机制,可将WMMP报文为四类:普通报文、接入安全验证报文、部分加密报文、完全加密报文。

? 普通报文,以明文方式传送的、未采用任何安全机制的、仅有报文头和报文

体中的内容体WMMP报文。

? 接入安全验证报文,以明文方式传送的,除报文头和内容体之外,在报文体

的最后携带了用于接入验证的摘要体的WMMP报文。

? 部分加密报文,对内容体中的某个或某几个TLV进行单独加密的,除报文头

和内容体之外,在报文体的最后携带了用于接入安全验证的摘要体的WMMP报文。

? 完全加密报文,对整个内容体进行加密的,除报文头和内容体之外,在报文

体的最后携带了用于接入安全验证的摘要体的WMMP报文。

3、 WMMP协议通信方式

WMMP协议中采用了逻辑连接(接下来简称为“连接??)的概念。所谓逻辑连接是指M2M终端与M2M平台一次完整的报文交互过程,M2M终端以登录请求报文向M2M平台登录,其后M2M平台鉴权成功并发送登录应答报文为开始,以通信双方一端发起退出请求,另一端发出退出应答为结束,在逻辑连接中通信超时也视为连接结束。在此交互过程中,通信形式可以是SMS、USSD、或基于GPRS的TCP或UDP方式,也可以是混合模式,即通信方式可在逻辑连接中切换。但需要注意的是,对于一对请求、应答,必须在同一通信方式下完成。

采用基于IP的通信方式做承载时,根据M2M终端与M2M平台之间的IP链路连接是否一直存在,可分两种连接方式:长连接和短连接。所谓长连接,指在一个连接过程中可以连续发送多个数据报文,如果没有数据报文发送,需要M2M终端发送心跳报文以维持此连接。短连接是指通信双方有数据交互时,就建立一个WMMP连接过程,数据发送完成后,则断开此WMMP连接过程。

M2M终端平时处于离线状态,当本地需要传输数据或达到定时上线时间等相关策略时,M2M终端作为客户端以“客户一服务器”方式建立WMMP连接,传送数据完成后,结束该连接。短连接的操作流程与长连接基本一致,唯一的区别在于M2M终端不需要通过心跳报文来维持与M2M平台通信的连接链路,而是在结束与M2M平台的数据传输之后,立即向M2M平台请求退出登录状态。短连接适用于数据量少,不需要一直在线的M2M应用或服务。

无论长连接,还是短连接,在采用口方式时,都可以根据实际网络通信质量采用TCP或UDP方式。若网络通信质量较好时(下行速率大于2Mbps),可以优先

篇二:LoRa WAN协议

LoRa WAN协议

物联网应用中的无线技术,除城域网的2G/3G/4G外,还有局域网和短距的多种通信技术,比如2.4G 频段的WiFi,蓝牙、Zigbee和Sub-Ghz等等。这些短距无线技术,优缺点也都非常明显。而且从无线应用开发和工程运维人员角度来看,一直以来都存在这样一个两难问题:即设计人员在更长的距离和更低的功耗两者之间只能二选一。而采用LoRa技术之后,设计人员现在可做到两者都兼顾,最大程度地实现更长距离的通信与更低的功耗,同时还可节省额外的中继器成本。

一般说来,传输速率、工作频段和网络拓扑结构是影响传感网络特性的三个主要参数。传输速率的选择将决定系统的传输距离和电池

lwm2m 协议

寿命。工作频段的选择要折衷考虑频段和系统的设计目标。而在FSK系统中网络拓扑结构的选择是由传输距离要求和系统需要的节点数目来决定的。升特(Semtech)公司采用新的扩频技术的的高性价比收发机方案将会改变以往的折衷考虑方式,为用户提供一种简单的系统而又能实现远距离、长电池寿命并增加系统容量,进而扩展你的传感网络,于是LoRa技术应运而生了。

LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术,拥有前所未有的性能。此前,只有那些高等级的工业无线电通信会融合这些技术,而随着LoRa的引入,嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。

前向纠错编码技术是给待传输数据序列中增加了一些冗余信息,这样,数据传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正。这一技术减少了以往创建“自修复”数据包来重发的需求,且在解决由多径衰落引发的突发性误码中表现良好。

一旦数据包分组建立起来且注入前向纠错编码以保障可靠性,这些数据包将被送到数字扩频调制器中。这一调制器将分组数据包中每一比特馈入一个“展扩器”中,将每一比特时间划分为众多码片。LoRa调制解调器经配置后,可划分的范围为64-4096码片/比特。

AngelBlocks配置调制解调器可使用4096码片/比特中的最高扩频因子(12)。相对而言,ZigBee仅能划分的范围为10-12码片/比特。

通过使用高扩频因子,LoRa技术可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。实际上,当你通过频谱分析仪测量时,这些数据看上去像噪音,但区别在于噪音是不相关的,而数据具有相关性,基于此,数据实际上可以从噪音中被提取出来。其实,扩频因子越高,越多数据可从噪音中提取出来。

在一个运转良好的GFSK接收端,8dB的最小信噪比(SNR)需要可靠地解调信号,采用配置AngelBlocks的方式,LoRa可解调一个信号,其信噪比为-20dB,GFSK方式与这一结果差距为28dB,这相当于范围和距离扩大了很多。在户外环境下,6dB的差距就可以实现2倍于原来的传输距离。

为了有效地对比不同技术之间传输范围的表现,我们使用一个叫做“链路预算”的定量指标。链路预算包括影响接收端信号强度的每一变量,在其简化体系中包括发射功率加上接收端灵敏度。

AngelBlocks的发射功率为100mW (20dBm),接收端灵敏度为-129dBm,总的链路预算为149dB。比较而言,拥有灵敏度-110dBm(这已是其极好的数据)的GFSK无线技术,需要5W的功率(37dBm)才能达到相同的链路预算值。在实践中,大多GFSK无线技术接收端灵敏度可达到-103dBm,在此状况下,发射端发射频率必须为46dBm或者大约36W,才能达到与LoRa类似的链路预算值。

因此,使用LoRa技术我们能够以低发射功率获得更广的传输范围和距离,这种低功耗广域技术正是我们所需的。

传输速率和距离

传输速率是系统设计中一个关键的可变因素,它将决定整个系统整体性能的很多属性。无线传输距离由接收机灵敏度和发射机输出功率共同决定,两者之间的差值我们称之为链路预算。输出功率受限于标准规范,所以只有通过提高灵敏度来增加距离,而灵敏度又受数据速率非常重要的影响。对所有的调制方式来说,越低的速率,接收机的带宽越窄,接收灵敏度就越高。在现今高性价比无线收发机中应用最广泛的调制方式是FSK或者GFSK。要进一步减小FSK系统的接收机带宽,唯一可行的办法就是提高参考晶体的精确度。在等同的数据速率条件下,商用的低成本扩频调制方式可以获得比传统FSK调制方式高8-10dB的灵敏度。升特(Semtech)公司将推出一款新的收发机,这款收发机集成了一种名为LoRa的扩频调制方式和传统的GFSK调制方式。如图展示了在GFSK调制和LoRa扩频调制两种系统中灵敏度相对数据速率的关系曲线。

与FSK系统相比,使用同样低成本的晶体时这种新的扩频方式在灵敏度上改善了30dB,理论上相当于增加了5倍的传输距离。

网络架构和协议

选择星型网还是网状网是影响整个无线网络系统性能优劣的一个关键因素。星型网是具有最低延迟的最简单的网络结构。远距离、共信道同步传输、共信道抑制的改善和高选择性,这些扩频方式的优点为传感网络提供了一种可供选择的高性能的系统解决方案,而这是传统FSK调制方式无法达到的。

在相同速率下扩频调制方式所具备的优势可以轻易地用于改善现有网状网的性能,而星形网也会达到最优的系统性能。利用星型网在郊区环境可以达到8-16km距离的情况下,我们不再需要很庞大的网状网结构来覆盖这么宽的范围。

一个多通道、多调制解调方式的集中器可以适应不同节点的不同速率和不同的功率,这样就可以获得最大的网络容量和最长的电池寿命。使用不同的扩频因子就可以改变扩频系统的传输速率。可变的扩频因子提高了整个网络的系统容量,

因为采用不同扩频因子的信号可

以在一个信道中共存。借助网络仿真工具,我们可以很容易观察到,与传统采用固定速率的FSK系统相比,采用上述技术的星型网能容易地获得很多优势,诸如95%的节点只占用10%的总能耗,同时整个系统的容量也将提高5-6倍。

总的来说,与其他无线系统相比,LoRa技术拥有如下几大优势。它使用扩频调制技术,可解调低于20 dB的噪声。这确保了高灵敏度、可靠的网络连接,同时提高了网络效率并消除了干扰。而相比于网状网络,LoRaWAN协议的星形拓扑结构消除了同步开销和跳数,因而降低了功耗并可允许多个并发应用程序在网络上运行。同时,LoRa技术实现的通信距离比其他无线协议都要长得多,这使得LoRa系统无需中继器即可工作,从而降低了整体拥有成本。此外,相较于3G和4G蜂窝网络,LoRa技术对嵌入式应用而言可扩展性更强,性价比更高。

LoRaWAN是由LoRa联盟推出的一个低功耗广域网规范,这一技术可以为电池供电的无线设备提供区域、国家或全球的网络。LoRaWAN瞄准了物联网中的一些核心需求,

如安

篇三:行业应卡(M2M)业务 协议书

中国移动通信集团湖北有限公司 分公司

M2M(行业应用)业务协议书

年 月

甲方: (以下简称甲方) 联系地址:

乙方:中国移动通信集团湖北有限公司分公司(以下简称乙方) 联系地址:

甲乙双方经友好协商,本着互惠互利的原则,就甲方使用乙方行业应用数据卡事宜,达成如下协议:

一、合作项目

根据甲方业务发展需要,乙方作为甲方行业应用数据卡业务的唯一合作伙伴,需为甲方各类业务的实现提供通信传输方式,并向甲方提供专用的网络资源和服务。

二、双方权利和义务: 甲方义务:

1、负责甲方相关系统设备和网络的联网调试以及使用维护。

2、当系统出现故障时,在确认是乙方网络故障的前提下,及时向乙方进行

反馈。

3、按时就接入行业应用卡业务的相关费用与乙方进行结算。 乙方义务:

1、负责为甲方提供专用SIM卡,以保证甲方通过移动网络进行相关业务的

数据传递。

2、乙方在数据传输、控制、平台更新等方面进行对甲方业务使用有影响的

变动时,需提前通知甲方。

3、在甲方业务使用当月未及时付费的情况下,乙方有权暂停对甲方的服

务。

三、保密义务及安全条款

1、

未经另一方书面同意,任何一方不得向第三方泄露对方有关的商业秘密和技术信息。

2、

甲方不得泄露双方合作的资费情况,由此给乙方带来的经济损失

由甲方承担。

3、 4、

本协议终止或解除,本条约定对双方仍有约束力。

甲方在使用乙方提供的GPRS/ GSM网络业务时应遵守国家有关法律、法规和行政规章制度。

5、

甲方对行业应用卡业务的第三方应履行必要的授权手续,由甲方提供服务所引起的投诉与纠纷由甲方负责向第三方解释并承担全部相应责任。

四、免责条款 1、

甲乙任何一方因不可抗力致使对方遭受经济损失或致使本协议不能履行或不能完全履行时,受不可抗力影响的一方对另一方的损失不承担违约责任。本协议所指不可抗力,是指不能预见、不能避免并不能克服的客观情况,包括但不限于地震、洪水等自然灾害、战争及政府行为。 2、

如因乙方难以避免、难以排除的技术或网络故障或第三方原因造成甲方无法使用本协议服务的,不视为乙方违约,但乙方将尽力争取在最短时间内解决,对此双方无异议。 3、

乙方随时可能对相关业务系统进行升级、改造和调整,乙方不承担因此给甲方造成的任何损失。

五、协议的生效、变更和解除

1、本协议一式二份,甲、乙双方各持一份,具有同等法律效力。本协议有效期为****年,从双方法定代表人或授权代表人签字、盖章之日起生效。期满后,若双方均无异议,协议依次顺延。

2、协议有效期内双方中任何一方欲变更、解除本协议必须采用书面形式,并且提前一个月向对方提出,由甲乙双方协商解决。

3、由于不可抗力导致协议不能履行,双方均不承担违约责任。本协议与国家有关政策发生冲突时,以国家有关政策为准。

六、其他

1、甲方如未及时纳费引起停机所产生的后果由甲方负责。

2、本协议执行过程中如发生有关争议,甲乙双方应友好协商解决。如协商不能解决的,任何一方可向对方所在地法院提起诉讼。

3、《行业应用卡(M2M)业务登记单》及《行业应用卡(M2M)号码登记单》作为本协议的组成部分,具有同等法律效力。

本协议其它未尽事宜,双方友好协商解决。

甲方:乙方:中国移动通信集团湖北有限公司

(盖章) ***分公司(盖章)

法定代表人(或授权委托人): 法定代表人(或授权委托人):

年 月 日年 月 日

行业应用卡(M2M)业务登记单

受理单位盖章:客户经办人签字/客户盖章: 年月日 年月日

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