Tốc độ tăng trưởng dự kiến của M2M sẽ tạo nên một lượng lớn nhu cầu về cấp tên, số, địa chỉ. Như vậy, cần phải đáp ứng nhu cầu của số thiết bị M2M cần đặt tên để có thể thuận tiện cho việc quản lý thiết bị.
a. Số E.164:
Số E.164 hay số điện thoại đang trong tình trang thiếu số trầm trọng. Việc lập kế hoạch và phân bổ số điện thoại là trách nhiệm của người điều chỉnh viễn thông. Tuy nhiên, những người điều chỉnh đã chỉ ra rằng ở một số nước số E.164 cho truyền thông M2M đang cạn kiệt. Số điện thoại chính xác của mỗi thuê bao cho M2M là không thật sự cần thiết, vì thế việc sử dụng địa chỉ IP sẽ tận dụng tốt hơn nền tảng hạ tầng mạng sẵn có và phù hợp với nền dữ liệu gói hơn. Tuy nhiên, cũng có một số trường hợp yêu cầu phải dùng một số điện thoại xác định trong các yêu cầu có liên quan đến tính xác thực cao.
Cấu trúc của số điện thoại được xác định trong khuyến nghị ITU-T E.164 [E.164].
CC
1-3 digits
CC = Country code
NDC = National destination code SN = Subscriber number
NDC SN
15 digits
National significant number International subscriber number
Hình 2.6 Biểu diễn một số điện thoại trong E.164 [22]
Độ dài tối đa của một số điện thoại là 15 kí tự. Với 15 kí tự, có thể định danh tất cả các thiết bị M2M. Ngay cả khi chúng ta dùng 3 kí tự tối đa cho mã quốc gia, thì 12 kí tự còn lại vẫn có thể định danh một nghìn tỉ số điện thoại riêng biệt trong mọi quốc gia. Lý do cho việc thiếu hụt số điện thoại đó là: trong hầu hết các nước số điện thoại quá ngắn. Hơn thế nữa, mã đích quốc gia được sử dụng để chỉ ra một vùng địa lí cụ thể hay những loại số không thuộc địa lí. Điều này làm cho phân bổ số trở nên kém hiệu quả hơn. Trong một số quốc gia, một giải pháp ngắn hạn có thể khả thi để xác định những dãy số mới trong kế hoạch số hiện tại cho truyền thông M2M. Một phương pháp tiên tiến hơn một chút là xác định những số điện thoại dài hơn cho truyền thông M2M. Để có thể an toàn với độ dài số tối đa xác định bởi E.164 [E.164], một độ dài số điện thoại từ 12 đến 14 kí tự được chọn làm số cho truyền thông M2M. Độ dài số như thế có thể sẽ an toàn được kiểm soát bởi mạng lưới viễn thông quốc tế.
Một lựa chọn khác là sử dụng lại một dãy số E.164 qua nhà cung cấp, qua đó cho phép một dãy số cụ thể được sử dụng bởi tất cả các nhà cung cấp trong một đất nước. Trong trường hợp này, số sẽ không được trao đổi giữa các nhà cung cấp, cũng như không có những kết nối hỗ trợ cho những số này. Với nhiều ứng dụng, việc hạn chế sử dụng số điện thoại chỉ giữa những chủ ứng dụng M2M, nhà cung cấp mạng, và thiết bị M2M không gây ra vấn đề gì. Thiết bị M2M không nhất thiết
dụng M2M có nhiều bên tham gia, giải pháp dãy số chia sẻ không hoạt động. Tính di động số không thể được cung cấp với những dãy số chia sẻ đó, bởi một số điện thoại cụ thể có thể được chỉ định cho một mạng lưới khác. Tuy nhiên tính di động số thực sự là một vấn đề với hầu hết các ứng dụng M2M.
a. Các dạng định danh khác:
Những định danh khác cũng đang hết khả năng cung cấp địa chỉ cho các thiết bị M2M. Chúng ta sẽ nhìn vào 3 định danh liên quan sau: IMSI, IMEI, và tên định danh thẻ chíp điện tử (ICCID).
MCC
3 digits
MCC = Mobile country code MNC = Mobile network code MSIN = Mobile subscription
identification number
MNC MSIN
2-3 digits 9-10 digits
Hình 2.7 Cấu trúc cho định danh thuê bao di động quốc tế (IMSI) [23]
Với một số định danh thuê bao di động (MSIN) với ít nhất 9 kí tự, cấu trúc IMSI có thể tạo ra ít nhất 999 999 999 thuê bao cho một nhà cung cấp mạng. Nhưng truyền thông M2M yêu cầu nhiều hơn 100 lần tên định danh so với cần thiết ở truyền thông truyền thống. Do đó nhà cung cấp với hơn 10 triệu chủ thuê bao có thể sẽ thực sự gặp khó khăn. Có nhiều nhà cung cấp mạng mà gần đây có nhiều hơn 10 triệu thuê bao, như vậy một IMSI với 9 kí tự MSIN có thể sẽ không đủ dài. Với 10 kí tự MSIN sẽ có nhiều không gian hơn, đủ để nhà cung cấp có hơn 100 triệu khách hàng. Tuy nhiên không thể nói rằng cấu trúc IMSI là đủ dài để đương đầu với sự phát triển lâu dài của truyền thông M2M. Một hướng xử lý có thể là chỉ định mã mạng di dộng (MNCs) cho một nhà cung cấp, do đó sẽ có thể cung cấp nhiều hơn số thuê bao MNCs IMEI hay định danh thiết bị di động quốc tế và số phiên bản phần mềm (IMEISV).
TAC SNR CD
8 digits 6 digits 1 digit
TAC = Type allocation code SNR = Serial number
CD = Check digit / spare digit
Hình 2.8 Cấu trúc của định danh thiết bị di động quốc tế (IMEI)
TAC SNR SVN
8 digits 6 digits 2 digit
TAC = Type allocation code SNR = Serial number
SVN = software version number
Hình 2.9 Cấu trúc của đinh danh thiết bị di động quốc tế và số phiên bản phần mềm (IMEISV) [24] Major industry identifier 2 digits Country code Issuer identifier number Individual account identification number Check digit
1-3 digits 1-4 digits 12-15 digits 1 digit
4-7 digits
Issuer identification number
19 digits
Integrated circuit card identifier
Hình 2.10 Cấu trúc của Tên định danh thẻ chíp điện tử (ICCID) [25]
a. Địa chỉ IP:
Hiện nay, số lượng thuê bao internet sử dụng địa chỉ IP ngày càng tăng, và mới đây không gian địa chỉ IPv6 đã được đưa vào sử dụng thay vì IPv4 đã quá tải để có thể cung cấp thêm địa chỉ mới.
IPv6 Service provider Network operator M2M device GW M2M server
Hình 2.11 Trường hợp truyền trông M2M sử dụng địa chỉ IPv6 [26]
Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp vẫn phải sử dụng địa chỉ IPv4 cho M2M. Việc sử dụng địa chỉ IPv4 có thể được tối ưu hóa bằng việc sử dụng địa chỉ IPv4 công cộng và cá nhân.
Private IPv4 address space Network operator M2M
device GW NAPT
Public IPv4 address space Service provider
M2M server
Hình 2.12 Truyền thông M2M sử dụng địa chỉ IPv4 công cộng và cá nhân [27]
Thiết bị M2M được cung cấp một địa chỉ IPv4 bởi nhà cung cấp mạng, sẽ lãng phí tài nguyên IPv4 khi cung cấp địa chỉ IPv4 công cộng cho tất cả các thiết bị M2M đó. Địa chỉ mạng và dịch cổng (NAPT) cho phép một lượng lớn các thiết bị M2M chia sẻ một địa chỉ IP công cộng. Máy chủ M2M được giao một địa chỉ IP công cộng. Điều này giúp máy chủ M2M dễ dàng được truy cập từ các mạng khác nhau, từ những nhà mạng cố định khác nhau. Vì số lượng máy chủ M2M ít hơn nhiều so với số lượng thiết bị M2M nên sẽ giải quyết tốt hơn vấn đề thiếu hụt địa chỉ trên IPv4. Một vấn đề với NAPTs là việc định vị từ máy chủ M2M tới thiết bị M2M không phải lúc nào cũng có thể thực hiện. Đối với máy chủ M2M, để gửi một
gói IP tới thiết bị M2M, NAPT cần phải duy trì một liên kết giữa địa chỉ IPv4 công cộng và số cổng đại diện cho thiết bị M2M. Liên kết này được thiết lập khi thiết bị M2M gửi dữ liệu tới máy chủ M2M và chỉ được duy trì khi thiết bị M2M duy trì gửi dữ liệu. Hoặc thiết bị M2M phải duy trì gửi tin nhắn hoặc một phiên dữ liệu mới phải được bắt đầu bởi thiết bị M2M để cho phép truyền thông. Một vấn đề khác với NAPTs là việc lập bản đồ tên định danh. Ví dụ, trong trường hợp FQDNs được sử dụng để thay thế cho số điện thoại, một bản đồ giữa FQDN và số địa chỉ IP có thể thường xuyên được duy trì ở một DNS. Nếu máy chủ M2M cần gửi gì đó tới thiết bị M2M được xác định bởi FQDN, nó có thể tìm kiếm địa chỉ IP tương ứng trong DNS.Tuy nhiên, với NAPT, địa chỉ IP và số cổng cho một thiết bị M2M cụ thể có thể thay đổi mỗi phiên dữ liệu.
Với địa chỉ IPv6, cả thiết bị M2M và máy chủ M2M đều có thể ở trong cùng một miền địa chỉ IP, như vậy sẽ không cần đến NAPT. Tuy nhiên, với IPv6, nhà cung cấp mạng sẽ gần như không cho phép bất cứ ai gửi gói IP cho thiết bị M2M. Nhà cung cấp cũng muốn bảo vệ địa chỉ IP trong và cấu trúc địa chỉ khỏi bị nhìn thấy bởi người ngoài. Điều này đồng nghĩa với việc địa chỉ IPv6 sẽ có những vấn đề với IPv4 trong liên kết với NAPT; đó là sự định vị thiết bị M2M bởi máy chủ M2M mà không có những trao đổi dữ liệu trước và lập bản đồ của tên định danh trong địa chỉ IP cũng có thể được ứng dụng rộng rãi trong nền IPv6. Khi máy chủ M2M chỉ phải làm việc với một số ít mạng, một lựa chọn là sử dụng cùng miền địa chỉ IP cá nhân cho cả thiết bị M2M và máy chủ M2M (Hình 2.21). Ưu điểm là không cần đến NAPT. Nếu như máy chủ M2M không được định vị trong cùng một mạng- ví dụ, nó chỉ được sở hữu bởi nhà cung cấp mạng- một đường dẫn (như IP VPN) được thiết lập giữa cổng (GW) và máy chủ M2M. Thiết bị M2M chọn những cổng mà đường dẫn này tới máy chủ M2M có điểm cuối. Trong mạng di động gói chuyển đổi, nó được thực hiện bằng việc sử dụng một APN cụ thể cho thiết bị/ứng dụng M2M. Địa chỉ IP cá nhân có thể không được giao bởi nhà quản lí mạng hay bởi nhà cung cấp dịch vụ mà là nhà sở hữu máy chủ M2M. Khi một địa chỉ IP được
RADIUS/Diameter có thể thông báo cho máy chủ M2M. Bằng cách này, máy chủ M2M có thể ngay lập tức gửi dữ liệu tới thiết bị M2M khi kết nối được thiết lập, ngay cả nếu thiết bị M2M chưa gửi bất cứ dữ liệu nào. Cũng không có vấn đề nào trong việc lập bản đồ định danh cho địa chỉ IP. Trường hợp với địa chỉ IPv4 cá nhân thì không phải lúc nào cũng phù hợp, bởi nó yêu cầu hạn chế những nơi máy chủ M2M có thể được truy cập, nhưng nó vẫn là một giải pháp hấp dẫn bởi sự đơn giản của nó.
Private IPv4 address space Network operator M2M
device GW
Public IPv4 address space Service provider
M2M server
Hình 2.13 Kết nối M2M thông qua GW sử dụng IPv4 [28] 2.2.3 Tối ưu hóa kích hoạt
Nhiều ứng dụng M2M cần cả truyền và nhận dữ liệu trong quá trình hoạt động. Trong một số trường hợp, khi đủ điều kiện thiết bị M2M có thể bắt đầu kết nối dữ liệu giữa thiết bị M2M và máy chủ M2M, nhưng thường thì các máy chủ M2M cũng cần có khả năng bắt đầu kết nối dữ liệu. Để thiết lập kết nối từ phía mạng, mạng cần thông báo cho thiết bị nên được thiết lập kết nối. Quá trình này được gọi là kích hoạt.
a. Khái niệm cơ bản:
Khi máy chủ M2M quyết định kích hoạt một thiết bị M2M, nó thường bao gồm các thông tin sau trong tin nhắn kích hoạt:
- Xác định thiết bị mục tiêu M2M. - Tên của các ứng dụng.
- Yêu cầu truy cập: cho phép phát hiện các yêu cầu trùng lặp, cho sự tương quan giữa yêu cầu với sự thừa nhận và cho phép ứng dụng hủy bỏ yêu cầu.
- Địa chỉ IP (hoặc FQDN) và / hoặc số cổng của máy chủ ứng dụng mà UE phải kết nối (tùy chọn).
- Dấu hiệu yêu cầu khẩn cấp (tùy chọn).
- Bộ đếm thời gian hiệu lực (tùy chọn), cho phép loại bỏ kích hoạt được lưu trữ trên mạng khi thiết bị không thể kết nối, ví dụ như với SMS.
- Khu vực mà kích hoạt cần được được gửi (tùy chọn).
- Số lượng hạn chế các thông tin ứng dụng cụ thể (tùy chọn), ví dụ để hướng dẫn thiết bị M2M một cái gì đó trước khi thiết lập truyền thông với M2M máy chủ.
Trước khi máy chủ M2M có thể gửi tin nhắn kích hoạt, cần xác định nơi gửi yêu cầu kích hoạt. 3GPP xác định các cổng giao tiếp loại máy (GW MTC) đóng vai trò đầu vào trong các mạng di động cho tin nhắn điều khiển từ các máy chủ M2M. MTC GW có thể được cung cấp trước trong các máy chủ M2M (trong trường hợp máy chủ M2M chỉ giao tiếp với một nhà cung cấp mạng). Nếu không, máy chủ M2M đầu tiên phải xác định yêu cầu kích hoạt cần gửi tới nhà cung cấp nào. Dựa trên thiết bị hoặc ID hoặc IMSI, máy chủ M2M sẽ có thể tìm thấy chính xác mạng nhà cung cấp di động.
HSS S-CSCF SMS-SC CBC GGSN/P-GW SGSN / MME M2M device serverM2M MTC GW SIP/SMS NAS signalling SMS CBS Pre-established connection Network-requested PDP context request D ev ic e t rig ge r
Hình 2. 14 Tổng quan kiến trúc với kích hoạt khác nhau [29]
Từ ERM GW trở đi, có một số các giải pháp kích hoạt tiềm năng. Một số
giải pháp được gợi ý trong [23.888]. MTC GW có thể được chỉ định vai trò quyết định xem lựa chọn phương pháp kích hoạt nào, ví dụ, dựa trên thông tin trạng thái từ mạng. Tuy nhiên, máy chủ M2M cũng có thể vẫn còn quyết định được xem phương pháp kích hoạt nào được sử dụng. Máy chủ M2M có nhiều nhất các hiểu biết về ứng dụng M2M, thiết bị M2M liên quan đến ứng dụng M2M đó, và loại phương thức kích hoạt mà thiết bị M2M đó cần hỗ trợ.
b. Kích hoạt sử dụng giao thức điện thoại di động:
Chúng ta có thể sử dụng các giao thức trên nền tảng điện thoại di động để báo hiệu truyền tin, các phương thức báo hiệu có thể sử dụng như:
- SMS
- IMS
- Kênh quảng bá
- Mạng – yêu cầu PDP
Có những đề xuất khác nhau cho kích hoạt cho công nghệ M2M. Tuy nhiên sẽ chỉ lựa chọn một trong những phương thức kích hoạt để tiêu chuẩn hóa cho công nghệ M2M trong các nhu cầu sử dụng khác nhau.
2.3 Kiểm soát tình trạng quá tải và tắc nghẽn
Trong dài hạn, người ta kì vọng rằng lượng thiết bị M2M sẽ lớn gấp đôi những thiết bị liên lạc cá nhân. Số lượng thiết bị M2M được kết nối trực tiếp với nhà khai thác mạng di động thực sự quan trọng và có rất nhiều trường hợp khi mà lượng lớn thiết bị M2M đã gây ra sự tắc nghẽn đáng kể trong mạng di động. Tình trạng quá tải và tắc nghẽn gây ra bởi các thiết bị M2M hầu hết là kết quả của việc chạy đồng bộ tất cả các thiết bị M2M được đồng thời kết nối với mạng lưới.
Hình 2.15 Ví dụ cho việc truy cập dữ liệu đồng bộ thông qua ứng dụng M2M [30]
2.3.1 Cơ chế kiểm soát quá tải và tắc nghẽn
Cơ chế kiểm soát quá tải và tắc nghẽn nói chung là cần thiết để bảo vệ mạng lưới điều hành điện thoại di động khỏi sự sụp đổ hoàn toàn khi có sự quá tải liên quan đến việc sử dụng vô số các thiết bị và ứng dụng M2M. Cơ chế bảo vệ này nhằm mục đích giữ mạng lưới truyền tải từ tất cả các thiết bị/ứng dụng M2M độc
hoặc cụ thể một số ứng dụng. Cơ chế kiểm soát tắc nghẽn cho ứng dụng cụ thể là rất cần thiết để quản lí việc tải nhà mạng từ những ứng dụng hay thiết bị M2M của những người sử dụng M2M cụ thể, ví dụ như: để bảo vệ nhà mạng khỏi những ứng dụng xấu. Khi sự tắc nghẽn gây ra bởi một ứng dụng không dẫn đến những ảnh hưởng bất lợi cho những ứng dụng khác (M2M), cơ chế bảo vệ sẽ đặc biệt nhắm đến ứng dụng đó mà không hạn chế sự lưu thông từ những ứng dụng mà không dẫn