物聯(lián)網(wǎng)M2M智能管道關(guān)鍵技術(shù)研究

PAGEPAGE32PAGE33PAGE33物聯(lián)網(wǎng)M2M智能管道關(guān)鍵技術(shù)研究摘要物聯(lián)網(wǎng)M2M業(yè)務(wù)正逐漸成為電信運(yùn)營商用戶和收入增長的主要來源。基于水平共性支撐能力以及各層間能力開放而構(gòu)成的M2M生態(tài)系統(tǒng)，將通過在各層上獨(dú)立而又兼容的技術(shù)創(chuàng)新，快速推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及。文章基于M2M生態(tài)系統(tǒng)工程的發(fā)展思路，根據(jù)對(duì)M2M智能管道需求分析，將3GPP提出的策略和計(jì)費(fèi)控制（PCC）技術(shù)應(yīng)用于M2M專用業(yè)務(wù)支撐體系內(nèi)，通過理論設(shè)計(jì)和研發(fā)環(huán)境內(nèi)的實(shí)際驗(yàn)證，提出M2M智能管道的建設(shè)部署方案和產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，最后對(duì)PRCF虛擬化、大數(shù)據(jù)支持的PCC增加及與業(yè)務(wù)層協(xié)同管控等M2M智能管道關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展提出相關(guān)建議。關(guān)鍵詞B2B2C商業(yè)模式；M2M生態(tài)系統(tǒng)；策略和計(jì)費(fèi)控制；能力開放1 M2M應(yīng)用模式和智能管道1.1M2M應(yīng)用發(fā)展模式作為暨互聯(lián)網(wǎng)后又一個(gè)新型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施以及信息技術(shù)革命的新一代浪潮，物聯(lián)網(wǎng)是國家大力推動(dòng)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)界也紛紛預(yù)測物聯(lián)網(wǎng)具有龐大的市場規(guī)模和美好的前景。

來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的規(guī)?；l(fā)展。M2M應(yīng)用的水平化共性服務(wù)可以分別呈現(xiàn)在多個(gè)層次，至少會(huì)包括應(yīng)用服務(wù)層、業(yè)務(wù)能力層、網(wǎng)絡(luò)連接層。1.2M2M業(yè)務(wù)體系架構(gòu)在國際標(biāo)準(zhǔn)方面，M2M應(yīng)用宏觀架構(gòu)由三層構(gòu)成已成為業(yè)內(nèi)共識(shí)。各層間通過標(biāo)準(zhǔn)API進(jìn)行能力調(diào)用，通過分層來推動(dòng)在各層上獨(dú)立而又兼容的技術(shù)創(chuàng)新。[3]M2M(Machine-to-Machine)，泛指沒有人介入的通

通過綜合分析ESTIM2M架構(gòu)[4]

和oneM2M的M2M信，中文可稱作機(jī)器通信；M2M網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)是指為機(jī)器終端提供網(wǎng)絡(luò)接入的服務(wù)。圍繞物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中信息通信環(huán)節(jié)所開展的M2M業(yè)務(wù)是電信運(yùn)營商在物聯(lián)網(wǎng)市場上的核心業(yè)務(wù)，其中M2M網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)又是電信運(yùn)營商在M2M業(yè)務(wù)中所應(yīng)提出的基礎(chǔ)服務(wù)。根據(jù)MachinaResearch的預(yù)測[1]，從現(xiàn)在至2020年，全球移動(dòng)運(yùn)營

架構(gòu)，結(jié)合國際電信運(yùn)營商的先期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文提出電信運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)M2M業(yè)務(wù)體系應(yīng)采用“三層兩域一支撐”的架構(gòu)如圖1所示?！叭龑印奔淳W(wǎng)絡(luò)連接層、業(yè)務(wù)能力層和應(yīng)用服務(wù)層；“兩域”即終端域和網(wǎng)絡(luò)域；“一支撐”即M2M專用業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)。而M2M智能管道是網(wǎng)絡(luò)連接層的重要基礎(chǔ)性服務(wù)之一。商40%以上的新增連接來自于M2M業(yè)務(wù)；至2020年

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????JU??在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展模式方面，除了以IT為核心、通過系統(tǒng)集成商進(jìn)行產(chǎn)業(yè)鏈資源整合的傳統(tǒng)性行業(yè)信息化模式外，以CT為核心、通過生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)鏈資源整合在標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，通過產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的協(xié)同合作，形

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在M2M應(yīng)用的三層產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，電信運(yùn)營商能夠&研究與開發(fā)&研究與開發(fā)研究與開發(fā)研究與開發(fā)&完全直接控制的環(huán)節(jié)就是網(wǎng)絡(luò)連接層，也是與其他企業(yè)在業(yè)務(wù)能力層和應(yīng)用服務(wù)層服務(wù)上形成差異化優(yōu)勢的基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)連接層需要實(shí)現(xiàn)通道本身是可根據(jù)設(shè)定策略而執(zhí)行相應(yīng)管控措施的“智能管道”，更要求對(duì)通道的管控是可通過API暴露給應(yīng)用服務(wù)商的，而不是封閉在內(nèi)部僅由電信運(yùn)營商的網(wǎng)管來控制。1.3現(xiàn)有智能管道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及其局限性現(xiàn)階段，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能管道的基礎(chǔ)性技術(shù)是3GPP制定的策略和計(jì)費(fèi)控制技術(shù)(Policyand本中提出了最初的PCC架構(gòu)，并隨后在各版本中均不PCRF(PolicyandChargingRulesFunction)可以根據(jù)用戶和業(yè)務(wù)信息、用戶狀態(tài)信息等輸入，動(dòng)態(tài)進(jìn)行決策，并通過Gx接口[6]指示GGSN中的PCEF執(zhí)行相應(yīng)策略控制或計(jì)費(fèi)控制規(guī)則統(tǒng)稱PCC規(guī)則(PCCRules)。PCEF(PolicyandChargingEnforcementFunction)是位于GGSN中負(fù)責(zé)策略和計(jì)費(fèi)執(zhí)行的邏輯實(shí)體，實(shí)施差別計(jì)費(fèi)等計(jì)費(fèi)控制以及限速、門控和業(yè)務(wù)重定向等策略控制。GGSN還可將QoS信息傳遞給SGSN及無線側(cè)，使無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)共同配合進(jìn)行端到端的承載資源管理。雖然PCC的標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品化均已比較成熟，在國外先進(jìn)運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)中已有一定規(guī)?；纳逃貌渴?，但是還存在兩個(gè)方面的局限性。一是產(chǎn)品化的部署主要是為了滿足人人通信場景下運(yùn)營商的業(yè)務(wù)經(jīng)營需求，無法滿足M2M場景下應(yīng)用服務(wù)商的自主管控需求。二是現(xiàn)有3GPP標(biāo)準(zhǔn)中基于Rx接口所實(shí)現(xiàn)第三方數(shù)據(jù)連通性(SponsoredDataConnectivity)功能，主要是針對(duì)IMS等運(yùn)營商自有業(yè)務(wù)，接口復(fù)雜、功能單一，沒有便于外部應(yīng)用服務(wù)商調(diào)用的API。本文將PCC架構(gòu)作為探索實(shí)現(xiàn)M2M智能管道的研M2M的需求提出了增強(qiáng)PCC架構(gòu)和相應(yīng)網(wǎng)元設(shè)備的功能的建議，給出了M2M智能管道的建設(shè)部署方案、產(chǎn)

2 2.1M2M業(yè)務(wù)的管控需求M2M應(yīng)用模式的分層架構(gòu)決定了在大多數(shù)情況下電信運(yùn)營商提供的并不是最終的應(yīng)用服務(wù)產(chǎn)品。電信運(yùn)營商提供的M2M服務(wù)是作為一種使能構(gòu)件銷售給應(yīng)用服務(wù)商或設(shè)備制造商，再由它們將最終應(yīng)用服務(wù)提供給用戶。這種B2B2C和B2B2B的商業(yè)模式，在業(yè)務(wù)服務(wù)上就是電信運(yùn)營商向應(yīng)用服務(wù)商的能力開放，在產(chǎn)品形態(tài)上就是面向應(yīng)用服務(wù)商提供的API，同時(shí)要實(shí)在B2B2B或B2B2C模式下，M2M通信成為應(yīng)用服務(wù)商向最終用戶提供服務(wù)時(shí)的一個(gè)成本項(xiàng)。應(yīng)用服務(wù)商希望能夠?qū)2M終端的通信行為進(jìn)行管控，防止濫用、盜用、誤用，從而避免不必要的通信成本支出。同時(shí)，電信運(yùn)營商希望通過新型資費(fèi)結(jié)構(gòu)來引導(dǎo)應(yīng)用服務(wù)的通道產(chǎn)品、更合理地使用電信運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)資源，從而提升電信運(yùn)營商自身EBITDA和利潤。因此，電信運(yùn)營商和應(yīng)用服務(wù)商都希望對(duì)M2M終端通信行為進(jìn)行更通過借鑒國內(nèi)外電信運(yùn)營商在M2M業(yè)務(wù)方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及國際標(biāo)準(zhǔn)組織的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，在總體技術(shù)方案上電信運(yùn)營商應(yīng)通過建設(shè)M2M專用業(yè)務(wù)支撐體系(如圖2所示)，來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)連接層和業(yè)務(wù)能力層的水平通用共通過局?jǐn)?shù)據(jù)配置，電信運(yùn)營商可將專用MSISDN和IMSI號(hào)段指向?qū)Ｓ肕-HLR，使M-HLR負(fù)責(zé)M2M終端簽約信息的集中管理，并根據(jù)M2M管控平臺(tái)下發(fā)的聯(lián)機(jī)指令進(jìn)行M2MSIM卡的開通和關(guān)停。通過M2M終端簽約信息中的APN配置和DNS解析，電信運(yùn)營商將M2M業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量匯聚到專用M-GGSN。通過M2M專用支撐體系的建設(shè)，電信運(yùn)營商將所提供的M2M服務(wù)由傳統(tǒng)電信通道服務(wù)向M2M智能通信服務(wù)升級(jí)；基于開放API、打造開發(fā)者社區(qū)，形成以CT為核心的M2M生態(tài)系統(tǒng)，提升網(wǎng)絡(luò)價(jià)值；同時(shí)基于M2M開放能力，進(jìn)一步拓展應(yīng)用層服務(wù)。

管道實(shí)現(xiàn)以及能力開放方案，并在利用中國聯(lián)通物聯(lián)網(wǎng)研究院位于無錫的研發(fā)環(huán)境進(jìn)行了連接現(xiàn)網(wǎng)的實(shí)際技術(shù)驗(yàn)證。在該部署方案中，需特別說明如下幾點(diǎn)。1)為實(shí)現(xiàn)對(duì)IP數(shù)據(jù)通道管控能力的開放，PCRF??????N3N

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要與M2M業(yè)務(wù)管控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)接，使M2M應(yīng)用服務(wù)商?????N.TNTDIMSNTDTfswfs

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(M2MASP)能夠在M2M業(yè)務(wù)管控平臺(tái)的門戶上、在授權(quán)范圍內(nèi)為其所屬終端配置決策生成邏輯模板和PCC規(guī)則模板中的具體參數(shù)，并同步給PCRF，同時(shí)配置終2)通過RestfulAPI(而不是通過基于Diameter協(xié)議的Rx接口)來實(shí)現(xiàn)PCRF與M2M管控平臺(tái)之間、通過RestfulAPI或自服務(wù)門戶來實(shí)現(xiàn)M2M管控平臺(tái)與應(yīng)用? HFSBO0VUSBO

?HFSBO0VUSBO圖2M2M專用業(yè)務(wù)支撐體系

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服務(wù)商的應(yīng)用平臺(tái)之間的策略和計(jì)費(fèi)控制相關(guān)配置信息的交互，從而使應(yīng)用服務(wù)商能自助實(shí)現(xiàn)對(duì)所屬M(fèi)2M終端通信行為的策略控制(門控和QoS控制)、用量監(jiān)控、?????BQJ

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消費(fèi)監(jiān)測等。3)啟用PCRF與專用OCS間的Sy接口，用以傳遞??????????????

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??與用戶消費(fèi)限額(SubscriberSpendingLimits)相關(guān)信息。這時(shí)，OCS承擔(dān)記錄每個(gè)終端或群組累計(jì)消費(fèi)的功能，使OCS成為PCRF生成規(guī)則時(shí)所需決策信息的另一個(gè)重要來源，從而高效實(shí)現(xiàn)基于累計(jì)消費(fèi)的策略控2.2M2M專用業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)中PCC技術(shù)的部署電信運(yùn)營商在M2M專用業(yè)務(wù)支撐體系中應(yīng)用PCC技術(shù)，需要依據(jù)M2M業(yè)務(wù)流程和商業(yè)模式的特性，在PCC標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)基礎(chǔ)上“因地制宜”地使用和改進(jìn)。基于對(duì)PCC標(biāo)準(zhǔn)的理論研究和對(duì)M2M智能管道的需求分析，本文提出如圖4所示的基于PCC架構(gòu)的智能

制。M2M專用OSC不是要將M2M終端作為預(yù)付費(fèi)用戶進(jìn)行計(jì)費(fèi)，不與傳統(tǒng)預(yù)付費(fèi)用戶的OSC進(jìn)行互聯(lián)；而是用于幫助應(yīng)用服務(wù)商實(shí)現(xiàn)對(duì)所屬終端通信消費(fèi)的監(jiān)測和控制。4)在M2M應(yīng)用場景下，電信運(yùn)營商和應(yīng)用服務(wù)商N(yùn)3N?????????

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2.3M2M管控能力的能力開放OpefC

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為了將基于PCC架構(gòu)的動(dòng)態(tài)策略控制能力開放給M2M應(yīng)用服務(wù)商(M2MASP)，需要M2M專用BSS與??????

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M2M管控平臺(tái)，M2M管控平臺(tái)與PCRF、OCS和SPR進(jìn)行相關(guān)配置信息的交互。相關(guān)配置和信息交互流程如下。1)電信運(yùn)營商需要通過網(wǎng)管系統(tǒng)在專用GGSN上為每個(gè)M2M產(chǎn)品類型或擁有較多終端的大型應(yīng)用服務(wù)商配置一個(gè)APN。在M2M管控平臺(tái)上，每個(gè)產(chǎn)品類型對(duì)應(yīng)一個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)的決策生成邏輯模板，以及PCC規(guī)則模板。針對(duì)每個(gè)產(chǎn)品類型中的各個(gè)產(chǎn)品套餐，電信運(yùn)營商配置決策生成邏輯模板中那些與計(jì)費(fèi)相關(guān)的邏輯以及高優(yōu)先級(jí)的邏輯中的具體參數(shù)；應(yīng)用服務(wù)商可被授權(quán)自助設(shè)定決策生成邏輯模板中某些與策略控制相關(guān)的低優(yōu)先級(jí)決策生成邏輯中的具體參數(shù)。各產(chǎn)品類型中對(duì)應(yīng)用服務(wù)商不同的授權(quán)，實(shí)際上代表著電信運(yùn)營商向應(yīng)用服務(wù)商開放的不同策略控制措施。2)應(yīng)用服務(wù)商在M2M管控平臺(tái)中自助開戶，確認(rèn)電信運(yùn)營商提供的相應(yīng)套餐和APN，為其所屬的M2M終端(以M2MSIM卡中的IMSI為標(biāo)識(shí))申請(qǐng)正式開通通信服務(wù)。M2M管控平臺(tái)將M2M終端對(duì)應(yīng)的IMSI、MSISDN、APN等簽約信息實(shí)時(shí)傳遞給M2M專用務(wù)開通。3)應(yīng)用服務(wù)商可通過M2M管控平臺(tái)所提供自助服務(wù)門戶中的可視化界面或所提供的RestfulAPI，在產(chǎn)品類型所開放的能力范圍內(nèi)，隨時(shí)設(shè)置或更新某些授權(quán)其進(jìn)行配置參數(shù)的取值。這包括：．為每個(gè)終端或每個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，設(shè)置或更新其訂．為每個(gè)終端設(shè)置或更新用戶消費(fèi)限額相關(guān)參數(shù)以及用于信用管理的信用余額闡值，并同步至OCS；．設(shè)置或更新決策生成邏輯以及PCC規(guī)則中的參數(shù)，并同步至PCRF；．同時(shí)，應(yīng)用服務(wù)商可將終端劃分為若干個(gè)群組，并基于群組來設(shè)定相應(yīng)業(yè)務(wù)屬性、用戶消費(fèi)限額(SubscriberSpendingLimits)、用量監(jiān)測控制(UsageMonitoringControl)和決策生成邏輯等PCC相關(guān)參數(shù)。4)GGSN在收到終端發(fā)起建立PDP連接的請(qǐng)求時(shí)，會(huì)根據(jù)APN來判別終端是否啟用策略與計(jì)費(fèi)控制。

針對(duì)啟用策略與計(jì)費(fèi)控制的終端，GGSN會(huì)向PCRF上報(bào)終端的IMSI、終端所分配的IP地址、終端位置等相關(guān)信息。PCRF根據(jù)電信運(yùn)營商和應(yīng)用服務(wù)商共同設(shè)定的決策生成邏輯，向SPR和OSC獲取決策所需相關(guān)信息、并結(jié)合GGSN上報(bào)的信息，動(dòng)態(tài)決定GGSN應(yīng)采取的策略控制措施或計(jì)費(fèi)方式和費(fèi)率，并下發(fā)給GGSN。在PDP會(huì)話過程中，GGSN還會(huì)向PCRF上報(bào)相關(guān)觸發(fā)事件；根據(jù)該觸發(fā)事件的輸入，PCRF中的決策生成邏輯可能生成新的決策，并要求GGSN來執(zhí)行相應(yīng)更新后的規(guī)則。2.4M2M智能管道產(chǎn)品的設(shè)計(jì)基于網(wǎng)絡(luò)連接層的開放能力，將M2M通信管控能力和基于多種計(jì)費(fèi)模式的流量組合，電信運(yùn)營商可形成面向應(yīng)用服務(wù)商的多種智能管道產(chǎn)品。產(chǎn)品設(shè)計(jì)示例可參見表1中的產(chǎn)品套餐A和套餐B。表1M2M智能管道產(chǎn)品設(shè)計(jì)示例M2M套餐A面向無線內(nèi)容推送服務(wù)套餐月費(fèi)（元） 0.5萬1.1萬 1.8萬套餐包含優(yōu)惠時(shí)段數(shù)據(jù)流量150GB300GB 600GB非優(yōu)惠時(shí)段數(shù)據(jù)流量5GB10GB 20GB套餐超出 數(shù)據(jù)流量0.3元／MB贈(zèng)送 管控能力門控：針對(duì)所屬終端，自助設(shè)定禁止／允許通信的規(guī)則5:00AM備注 2.在非優(yōu)惠時(shí)段，M2M終端通信的上下行速率上限為200Kb／sM2M套餐B面向無線內(nèi)容推送服務(wù)套餐月費(fèi)（元）0.5萬1.1萬1.8萬套餐包含通信次數(shù)0.4萬次1萬次2萬次用量上限25GB50GB0.3元／MB100GB套餐超出數(shù)據(jù)流量贈(zèng)送管控能力針對(duì)所屬終端，自助設(shè)定月度通信次數(shù)告警竭值和門控上限備注通信次數(shù)超過套餐包含次數(shù)后，對(duì)超出部分啟用按流量計(jì)費(fèi)模式電信運(yùn)營商在M2M產(chǎn)品套餐A中使用了群組計(jì)費(fèi)、分時(shí)計(jì)費(fèi)和流控功能，同時(shí)將基于端口和位置的門控能力開放給直接客戶應(yīng)用服務(wù)商。在M2M產(chǎn)品套餐B中使用了群組計(jì)費(fèi)、按次計(jì)費(fèi)和用量監(jiān)測控制功能，同時(shí)將基于消費(fèi)限額進(jìn)行門控功能開放給直接用戶。在產(chǎn)品資費(fèi)引導(dǎo)下，應(yīng)用服務(wù)商會(huì)對(duì)最終用戶設(shè)定具體的門研究與開發(fā)研究與開發(fā)&控規(guī)則。在這種“產(chǎn)品塑形＋自助管控”的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，電信運(yùn)營商所啟用的各項(xiàng)策略與計(jì)費(fèi)控制措施是為了保障產(chǎn)品的特定屬性(資費(fèi)、計(jì)費(fèi)方式、速率、用量等)，可被稱為“產(chǎn)品塑形規(guī)則”；而開放給應(yīng)用服務(wù)商的某些策略控制措施是為了實(shí)現(xiàn)客戶對(duì)通信通道的自主管理，可被稱為“自助管控規(guī)則”。這種在產(chǎn)品塑形規(guī)則下對(duì)通信通道的自助管控，是M2M智能管道產(chǎn)品區(qū)別于電信運(yùn)營商傳統(tǒng)智能管道產(chǎn)品的根本。3 M2M智能管道技術(shù)的發(fā)展建議GSMA預(yù)測2020年中國M2M移動(dòng)蜂窩連接數(shù)將達(dá)

端數(shù)量的增長，每個(gè)PRCF管理的GGSN和所需處理進(jìn)程的數(shù)量也會(huì)快速增加。因此，需引入虛擬化技術(shù)，以和性能的擴(kuò)充。二是PCC與大數(shù)據(jù)技術(shù)的結(jié)合。隨著未來大數(shù)據(jù)技術(shù)的成熟和應(yīng)用，對(duì)應(yīng)用服務(wù)商的應(yīng)用數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)信令等網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析形成的結(jié)果將可會(huì)成為PCRF進(jìn)行決策一個(gè)新的輸入源。三是PCC與業(yè)務(wù)能力層平臺(tái)的協(xié)同管控。隨著未來業(yè)務(wù)能力層標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和產(chǎn)品化，業(yè)務(wù)能力層所提供的通信管控功能將可以與網(wǎng)絡(luò)連接層提供的基于PCC架構(gòu)的管參考文獻(xiàn)4.8億，M2M業(yè)務(wù)對(duì)電信運(yùn)營商收入的持續(xù)增長具有毋 庸置疑的戰(zhàn)略意義。隨著物聯(lián)網(wǎng)