M2M通信.pdf
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1、国际信息工程先进技术译丛M2M通信 David Boswarthick(法)Omar Elloumi著 Olivier Hersent 薛建彬 等译机 械 工 业 出 版 社 近几年,物联网从诞生到迅速发展,受到了产业界及学术界的广泛重视,并上升到国家战略性新兴产业的高度。物联网的概念和内涵目前仍处于不断发展之中,物联网涉及的技术较多,其中 M2M 技术也是其核心技术之一。本书紧跟 M2M 应用的最新发展,结合 M2M 工程应用的研究成果,采用通俗易懂的语言阐述相关技术,内容系统全面,材料充实丰富。在文字叙述中突出基本概念、基本理论及系统涉及的核心技术,同时对 M2M 的业务模式进行了探讨,重
2、点讲述 M2M 系统的特点及相关技术的使用,书中还对 M2M 的架构及协议进行了详细的介绍,并对 M2M 技术的未来发展进行了展望。读者通过对各章节的学习将对构建 M2M 应用系统有一个较为全面的认识,从中学习到 M2M 技术核心理论,为 M2M 系统的实施及应用打下良好的基础。本书适合物联网领域的研究人员和工程技术人员阅读,也可以作为物联网及相关专业的高年级本科生、研究生和教师的专业参考书。Copyright 2012 John Wiley&Sons Ltd All Rights Reserved.This translation published under license.Author
3、ized translation from theEnglish language edition,M2M communications:a systems approach,978-1-119-99475-6,byDavid Boswarthick,Omar Elloumi,Olivier Hersent,published by John Wiley&Sons,Ltd.Nopart of this book may be reproduced in any form without the written permission of the originalcopyrights holde
4、r.本书中文简体字版由机械工业出版社出版,未经出版者书面允许,本书的任何部分不得以任何方式复制或抄袭。版权所有,翻印必究。本书版权登记号:图字 01-2012-7586 号图书在版编目(CIP)数据 M2M 通信/(法)博斯沃西克(Boswarthick,D.)等著;薛建彬等译.北京:机械工业出版社,2013.4(2016.7 重印)(国际信息工程先进技术译丛)书名原文:M2M communications:a systems approach ISBN 978-7-111-41693-7.M.博薛.移动通信-研究.TN929.5 中国版本图书馆 CIP 数据核字(2013)第 039663
5、号 机械工业出版社(北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037)策划编辑:牛新国 责任编辑:闾洪庆 版式设计:霍永明 责任校对:闫玥红 封面设计:马精明 责任印制:乔 宇 北京机工印刷厂印刷(三河市南杨庄国丰装订厂装订)2016 年 7 月第 1 版第 2 次印刷169mm 239mm18 印张358 千字标准书号:ISBN 978-7-111-41693-7 定价:68.00 元 凡购本书,如有缺页、倒页、脱页,由本社发行部调换 电话服务 网络服务 服务咨询热线:010-88361066 机 工 官 网: 读者购书热线:010-68326294 机 工 官 博: 010-883792
6、03 金书网:www.golden- 封面无防伪标均为盗版 教育服务网:译者序现代通信工具的发展促使我们的社会飞速前进。交流与沟通已经不仅仅局限于人类之间,科技的发展使得另外一种交流形式应运而生:机器对机器(Machine toMachine,M2M)通信。它是一种让机器“开口讲话”的技术,近年来已成为通信产业界的热门词汇。M2M 技术具有广阔的市场和应用前景,它将会为整个通信产业带来极大的发展机遇和经济增长,同时还将会推动人们社会生产和生活方式新一轮的变革。欧洲电信标准化协会(ETSI)M2M 技术委员会目前正在发挥主导作用,推动M2M 领域规范和标准化的制定工作。欧洲电信联盟 M2M 技术
7、官员 David Boswar-thick 在本书中全面地介绍了 M2M 的标准和系统架构的相关概念及具体实现,以及M2M 技术未来的发展前景。作者提出把机器对机器的服务和主流的相关通信技术结合起来作为一个大的系统从整体上提供 M2M 的解决方案。书中阐述了在电信网络解决方案中目前正在实施的由 ETSI(欧洲电信标准化协会)和 3GPP(第三代合作伙伴计划)提出的最新通信标准,这为 M2M 技术的发展提供了产业化和标准化的支持。作者在书中全面介绍了 M2M 的业务模式,M2M 的架构及协议,M2M 的应用,M2M 业务架构,M2M 通信方案,M2M 网络优化及 M2M 安全性等各个方面的技术信
8、息。作者还就 M2M 在智能仪表、智能电网和电子健康等主要应用领域的应用展开探讨。作为一门复杂技术领域的高级导论课程,通过本书的学习可以使读者能进一步掌握端对端技术的基础理论知识和基本技能。本书具有以下几个特点:1)本书是第一部有关 M2M 技术及业务介绍的书籍,并从标准化的视角来讨论 M2M 相关技术。2)涵盖了当前 M2M 行业主要面临的挑战,并提出了潜在的优化解决方案。3)提出了 M2M 的系统级架构,并明确定义了系统的一些方法和接口。4)对从事 M2M 和物联网领域的工程师们提供了许多重要信息。5)提出了一个 M2M 水平领域和垂直领域交叉的概念,并给出了一个可能的演化路径。本书内容极
9、其丰富,可以作为物联网工程及通信工程等相关专业学生学习M2M 技术的教材和自学参考书,也适合信息类专业人士自修提高使用。本书由薛建彬、马维俊、王志良组织翻译,秦立静、赵燕琴、梁波共同完成了本书的翻译、录入、校对等工作。译者在翻译过程中,对原书存在的一些错误进行了修正,以便进行正确的翻译。如果书中仍然存在疏忽与错误之处,恳请读者批评指正。译 者M2M 通 信原书序我非常荣幸地接受作者邀请为 M2M 和物联网两本系列书的第一本 M2M 通信 撰写序言。尽管机器对机器(M2M)的设备和应用市场仍然处于发展阶段,但我们已经可以预见,这项技术将对我们的生活产生深远的影响。随着对新应用领域的探索,我们可以
10、对 M2M 市场的发展有许多预测。例如,据估计移动设备从目前的约 60亿,最终将增加到超过 500 亿移动连接的机器。其他的估计表明,到 2012 年,M2M 和物联网的市场产值将达到 115 亿美元。事实上,M2M 市场可以按众多方式来划分,如根据硬件设备和软件来划分;根据连接技术或依照特定的行业应用领域来划分。既然 M2M 所使用的许多技术已经存在了数年,为何 M2M 市场的发展到现在才突然发力?现今 M2M 发展的一个关键因素是无处不在的、低成本连接的普及。我们已经习惯于低价、高速的家庭和企业互联网接入。现在许多地区的第三代移动通信 3G 网络和未来的第四代移动通信 LTE 网络提供类似
11、的接入速度,极具价格竞争力。忽然间,一个我们所梦想和需要的互联网网络连接的主机应用时代来临,它已经变得十分经济。在家居和工业领域中,大规模部署基于 IP 连接的传感器、监视器和驱动器,使我们可以开发新的互连的、可互操作的服务,这将会改变我们的日常生活。M2M 技术提供了在现实中采用混合技术搭建应用的视野,利用多个新信息来源,搭建虚拟世界 web 服务。这一设想被称为“物联网”,在物联网中连接的事物并不是最重要的,相反,最重要的是连接事物所提供的信息,以及人们如何将信息结合起来,呈现和使用这些信息,并在此基础上做出决策。物联网提供了一个新的技术视角,我们必须超前地看到它对社会的影响,以便于我们理
12、解如何使用这种技术来使我们未来的生活变得更加美好。展望未来,我们怎样才能建立一个灵活的 M2M 架构,其主要的特征需要我们将多样的技术、功能和需求考虑在内,并且此架构能很好地将现今及未来的各种技术融入其中?我们怎样才能提高互操作性?我们如何才能保护信息的保密性和隐私,而不是限制潜在有利的新应用?我们如何才能确保建立的这些系统的可靠性,因为我们越来越依赖于这些技术的发展?应对这些挑战的解决方案不在于任何一个组织或个人。这需要跨行业思维,它需要不同的有关行动者之间的合作,它需要在国际层面上的协调。达成一致共识的国际标准对确保 M2M 的技术和市场发展是必不可少的,提供全面解决方案,其中存在许多挑战
13、。欧洲电信标准化协会(ETSI)M2M 技术委员会目前正在发挥主导作用,推动这一领域的国际标准化工作。除了面对广泛的社会挑战,我们还面临着许多复杂的技术问题。快速部署和采用 M2M 的技术将导致我们现有网络上叠加了新的需求。M2M 业务在网络方面,往往需要高效率、低开销、低功耗和更大的灵活性。这些需求将遭遇现有网络高速、低延迟和大容量需求的瓶颈。我们可能需要重新思考我们该如何设计以及如何管理我们的网络,如果 M2M 业务成为普遍预期,我们需要考虑新的接入技术,以使新的无线技术更好地服务于新的应用。我们所确定的电信和数据网络标准将会对 M2M 应用的增长产生深远影响。欧洲电信标准化协会(ETSI
14、)已经在这方面开展了多年的工作,来推动规范和标准的制定工作。我敢肯定,本书将对我们完成这项任务提供有益的指导,并帮助我们更好地理解和解决这些问题,以创建一个 M2M 的世界。Luis Jorge Romero欧洲电信标准化协会总干事M2M 通 信贡献者名单M2M 通 信贡献者名单目录译者序原书序贡献者名单第 1 章 M2M 简介11.1 什么是 M2M21.2 M2M 的业务模式51.3 促进 M2M 技术的成熟9 1.3.1 M2M 高层框架9 1.3.2 政策和政府的鼓励措施101.4 M2M 标准12 1.4.1 选择哪一个标准121.5 本书路线图17参考文献18第 1 部分 M2M
15、现今发展状况第 2 章 M2M 的业务模式202.1 M2M 市场20 2.1.1 医疗保健行业21 2.1.2 物流行业21 2.1.3 能源行业222.2 M2M 市场的接受:驱动及障碍232.3 M2M 价值链252.4 市场规模预测262.5 商业模式27 2.5.1 网络运营商或 CSP 主导模式28 2.5.2 MVNO 主导模式29 2.5.3 企业客户主导模式302.6 M2M 业务指标302.7 市场演变31参考文献32第 3 章 早期 M2M 部署的经验教训333.1 引言333.2 早期 M2M 运营部署33 3.2.1 引言33 3.2.2 早期 M2M 运营部署举例3
16、5 3.2.3 早期 M2M 部署常见问题42 3.2.4 M2M 部署可能的优化443.3 本章小结47参考文献47第 2 部分 M2M 的架构及协议第 4 章 M2M 的需求及高层架构原则504.1 引言504.2 用例驱动的方法实现 M2M 需求50 4.2.1 何谓用例50 4.2.2 ETSI M2M 的用例51 4.2.3 用例开发的方法论514.3 ETSI M2M 智能计量方法52 4.3.1 引言52 4.3.2 典型的智能计量部署方案544.4 ETSI M2M 中的电子健康方法57 4.4.1 引言574.5 ETSI M2M 服务要求:高层概括和不同细分市场的适用性61
17、4.6 M2M 中流量模型及特殊方法对网络架构设计的要求和思考63 4.6.1 为何使用无线网络634.7 M2M 细分市场/应用说明64 4.7.1 汽车64 4.7.2 智能遥测65 4.7.3 监控和安全66 4.7.4 销售点(PoS)66 4.7.5 自动售货机66 4.7.6 电子健康67 4.7.7 视频直播67 4.7.8 楼宇自动化68目 录 4.7.9 M2M 工业自动化684.8 M2M 交通解决方案68 4.8.1 智能计量通信特性69 4.8.2 全局业务特性724.9 M2M 通信的高层架构原则784.10 本章小结80参考文献81第 5 章 ETSI M2M 业务
18、架构825.1 引言825.2 高层系统架构845.3 ETSI TC M2M 服务功能框架875.4 ETSI TC M2M 的版本 1 方案895.5 ETSI M2M 的服务功能90 5.5.1 可达性、寻址能力、知识库性能(xRAR)90 5.5.2 远程实体管理性能(xREM)91 5.5.3 安全性能(xSEC)945.6 M2M 的 REST 架构格式简介95 5.6.1 REST 简介95 5.6.2 为何在 M2M 中使用 REST96 5.6.3 REST 基础98 5.6.4 在 M2M 中应用 REST99 5.6.5 附加功能1005.7 ETSI TC M2M 基于
19、资源的 M2M 通信及规程109 5.7.1 引言109 5.7.2 在本节中使用的定义111 5.7.3 资源结构111 5.7.4 接口程序1155.8 本章小结122参考文献123第 6 章 公共移动网络中的 M2M 优化1246.1 概述1246.2 基于通信网络的 M2M124 6.2.1 引言124 6.2.2 M2M 通信方案125 6.2.3 移动或固定网络127M2M 通 信 6.2.4 M2M 应用的数据连接1296.3 M2M 的网络优化132 6.3.1 引言132 6.3.2 3GPP 机器类通信网络改进的标准化132 6.3.3 降低成本133 6.3.4 M2M
20、的增值服务140 6.3.5 编号、标识及寻址146 6.3.6 触发优化152 6.3.7 过载和拥塞控制158参考文献167第 7 章 IP 在 M2M 中的作用1687.1 引言168 7.1.1 IPv6 简介169 7.1.2 邻居发现协议1717.2 M2M 中的 IPv61727.3 6LoWPAN173 7.3.1 框架174 7.3.2 头信息压缩174 7.3.3 邻居发现1797.4 低功耗有损网络路由协议(RPL)182 7.4.1 RPL 网络拓扑1847.5 CoRE187 7.5.1 消息格式188 7.5.2 传输协议190 7.5.3 REST 架构193参考
21、文献196第 8 章 M2M 的安全性1978.1 引言197 8.1.1 蜂窝 M2M 的安全特性1988.2 M2M 生态系统中的委托关系2018.3 安全要求206 8.3.1 客户/M2M 设备用户206 8.3.2 接入网络提供商207 8.3.3 M2M 服务提供商207 8.3.4 M2M 应用提供商207目 录 8.3.5 需求引导2088.4 哪些类型的解决方案是合适的209 8.4.1 阻止黑客行为的途径209 8.4.2 公钥解决方案210 8.4.3 基于智能卡的解决方案213 8.4.4 基于预分配的对称密钥的方法214 8.4.5 基于身份加密的自引导协议215 8
22、.4.6 M2M 设备组的安全性2188.5 安全 M2M 和 MTC 通信的标准化工作220 8.5.1 ETSI M2M 安全性220 8.5.2 3GPP 安全性相关的机器类通信网络性能提升221参考文献222第 9 章 M2M 终端和模块2249.1 M2M 模块分类224 9.1.1 接入技术224 9.1.2 物理形式因素2279.2 硬件接口230 9.2.1 电源接口230 9.2.2 通用串行总线(USB)接口230 9.2.3 通用异步接收器/发送器(UART)接口231 9.2.4 天线接口231 9.2.5 通用集成电路卡(UICC)接口231 9.2.6 通用输入输出
23、(GPIO)接口232 9.2.7 串行外围接口(SPI)232 9.2.8 I2C 接口232 9.2.9 模-数转换器(ADC)接口232 9.2.10 脉码调制(PCM)接口232 9.2.11 脉宽调制(PWM)接口232 9.2.12 模拟音频接口2329.3 温度和耐久性2329.4 服务233 9.4.1 应用执行环境233 9.4.2 连接性服务234 9.4.3 管理服务235 9.4.4 应用服务2379.5 软件接口237M2M 通 信 9.5.1 AT 指令238 9.5.2 软件开发工具包(SDK)接口2389.6 蜂窝认证239 9.6.1 电信产业认证239 9.
24、6.2 移动网络运营商(MNO)认证240第 10 章 M2M 通信中的智能卡24110.1 引言24110.2 M2M 通信的安全性及隐私问题24110.3 采用基于硬件的安全解决方案的理由24210.4 独立安全要素及可信环境244 10.4.1 M2M 设备可信的环境244 10.4.2 可信未知设备:需要安全认证245 10.4.3 智能卡模型的优点24610.5 M2M 环境下特定智能卡属性248 10.5.1 可移动智能卡与嵌入式安全要素248 10.5.2 UICC 抗环境制约251 10.5.3 用于无人值守设备的自适应卡应用工具包253 10.5.4 使用工具包命令到达 UI
25、CC 外围设备254 10.5.5 第三方应用的安全及远程管理25510.6 智能卡在 M2M 环境中的未来演变256 10.6.1 基于集成电路的 M2M 服务标识模块应用256 10.6.2 UICC 的互联网协议集成25610.7 M2M 的安全要素的远程管理257 10.7.1 综述257 10.7.2 后期个性化订阅257 10.7.3 现场远程管理订阅258参考文献259第 3 部分 本书结语及对未来的展望第 11 章 结语262附录 缩略语264目 录第 1 章M2M 简介Emmanuel Darmois,Omar Elloumi阿尔卡特朗讯公司,维利兹,法国M2M(Machin
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