從電信運營商角度看物聯(lián)網(wǎng)的總體架構(gòu)和發(fā)展

諸瑾文王藝 2010/05/25

1.引言

　　2009年IBM智慧地球、歐盟行動計劃和溫總理“感知中國”的提出將國內(nèi)對于物聯(lián)網(wǎng)（Internetofthings）的關(guān)注推向了前所未有的高度，其他與之相關(guān)的名詞，如泛在網(wǎng)（ubiquitousnetwork）、傳感網(wǎng)（sensor network）、M2M（machine to machine，即機器到機器的通信）等也越來越頻繁地出現(xiàn)，和物聯(lián)網(wǎng)一起成為熱門概念。究竟什么是物聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)帶來了怎樣的機遇與挑戰(zhàn)，本文從電信運營商角度，分析、探討對物聯(lián)網(wǎng)整個體系架構(gòu)的理解，對物聯(lián)發(fā)展趨勢的看法以及在這樣的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)背景下，作為電信運營商的發(fā)展機會和應(yīng)對策略。

2.物聯(lián)網(wǎng)概念辨析

　　物聯(lián)網(wǎng)的概念是在1999年提出的，當時它的定義很簡單：把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理。這里包含兩個重要的觀點：一是物聯(lián)網(wǎng)要以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)發(fā)展起來；二是RFID是實現(xiàn)物品與物品連接的主要手段。然而，從現(xiàn)在來看，射頻識別技術(shù)只是實現(xiàn)物品與物品連接的手段之一，這種連接具有以單向為主、不具備組網(wǎng)能力等局限性，因此，現(xiàn)在對物品與物品連接的普遍理解需要更多地借助無線傳感網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)。

　　泛在網(wǎng)也被稱作無所不在的網(wǎng)絡(luò)，最早見于施樂首席科學(xué)家MarkWeiser在1991年“21世紀的計算”文章中提出的UbiquitousComputing，因此泛在網(wǎng)概念的提出比物聯(lián)網(wǎng)更早一些，而且國際上研究Ubiquitous的人也更加多一些，已經(jīng)有一定的積累。2004年，日本提出了U-Japan、韓國提出了U-Korea的國家信息化發(fā)展計劃。對誰最先提出的泛在網(wǎng)概念目前還有爭議，日本學(xué)者認為泛在網(wǎng)是他們最先提出的概念。泛在網(wǎng)將4A作為其主要特征，即可以實現(xiàn)在任何時間（Anytime）、任何地點（Anywhere）、任何人（Anyone）、任何物（Anything）都能方便地通信，因此其在內(nèi)涵上更多的是以人為核心，關(guān)注可以隨時隨地地獲取各種信息，幾乎包含了目前所有的網(wǎng)絡(luò)概念和研究范疇。

　　傳感網(wǎng)是指“隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信單元的微小節(jié)點，通過自組織的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)”�，F(xiàn)在談到的傳感網(wǎng)，一般指的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，嚴格來說應(yīng)當稱為wirelesssensornetwork（WSN）。傳感網(wǎng)實際上由傳感器＋短距離傳輸模塊共同構(gòu)成。傳感器種類非常多，常見的有溫度傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器、振動傳感器、位移傳感器、角度傳感器等，據(jù)說傳感器的種類有3萬余種。目前我國從信息化發(fā)展新階段的角度提出傳感網(wǎng)，其研究和探討的重點其實并不是傳感器本身，而是聚焦在通過各種低功耗、短距離無線傳輸技術(shù)構(gòu)成自組織網(wǎng)絡(luò)來傳輸數(shù)據(jù)。

　　從電信運營商角度，關(guān)注得最早也關(guān)注得最多的其實就是M2M，例如，中國移動，在2004年就開始開發(fā)M2M業(yè)務(wù)，國外的電信運營商，如Oragne、Sprint、DoCoMo都推出了M2M業(yè)務(wù)，尤其挪威電信，M2M業(yè)務(wù)量占到其業(yè)務(wù)總量的40％�！癕2M是物聯(lián)網(wǎng)的雛形，是物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)階段的主要形式”是目前電信運營商普遍認可的觀點。

　　這幾種概念之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以用圖1來大概表示。

幾種概念之間的關(guān)系

　　無論是物聯(lián)網(wǎng)還是泛在網(wǎng)、M2M，其實都不是一種全新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，更不是對現(xiàn)有技術(shù)的顛覆，它是在綜合利用現(xiàn)有的各種技術(shù)基礎(chǔ)上的創(chuàng)新，涵蓋了軟件、通信、智能計算、自動控制等各領(lǐng)域，是跨學(xué)科的綜合應(yīng)用。

3.對物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)的認識和探討

　　在業(yè)界，物聯(lián)網(wǎng)大致被公認為有3個層次，從下到上依次是感知層、傳送層和應(yīng)用層。如果拿人來比喻的話，感知層就像皮膚和五官，用來識別物體，采集信息，傳送層則是神經(jīng)系統(tǒng)，將信息傳遞到大腦進行處理，人能從事各種復(fù)雜的事情，這就是各種不同的應(yīng)用，如圖2所示。

對物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的比喻

　　感知層：感知層包括傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及數(shù)據(jù)接入到網(wǎng)關(guān)之前的傳感器網(wǎng)絡(luò)。例如RFID標簽和用來識別RFID信息的掃描儀、視頻采集的攝像頭、各種傳感器以及由短距離傳輸技術(shù)組成的無線傳感網(wǎng)。感知層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ)，RFID技術(shù)、傳感和控制技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)是感知層涉及的主要技術(shù)，其中又包括芯片研發(fā)、通信協(xié)議研究、RFID材料、智能節(jié)點供電等細分領(lǐng)域。

　　傳送層：傳送層是在現(xiàn)有通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立起來的，綜合使用2G/3G、有線寬帶、PSTN、Wi-Fi通信技術(shù)，實現(xiàn)有線與無線的結(jié)合、寬帶與窄帶的結(jié)合、感知網(wǎng)與通信網(wǎng)的結(jié)合。傳送層中的感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)是實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)包括傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲、查詢、分析、挖掘、理解以及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的理論和技術(shù)。云計算平臺作為海量感知數(shù)據(jù)的存儲、分析平臺，將是物聯(lián)網(wǎng)傳送層的重要組成部分，也是應(yīng)用層眾多應(yīng)用的基礎(chǔ)。

　　應(yīng)用層：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層利用經(jīng)過分析處理的感知數(shù)據(jù)，為用戶提供豐富的特定服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用可分為監(jiān)控型（物流監(jiān)控、污染監(jiān)控）、查詢型（智能檢索、遠程抄表）、控制型（智能交通、智能家居、路燈控制）、掃描型（手機錢包、高速公路不停車收費）等。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的目的，軟件開發(fā)、智能控制技術(shù)將會為用戶提供豐富多彩的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。各種行業(yè)和家庭應(yīng)用的開發(fā)將會推動物聯(lián)網(wǎng)的普及，也將給整個物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈帶來利潤。

物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)

　　圖3所示是物聯(lián)網(wǎng)的整體架構(gòu)，包括感知層、傳送層和應(yīng)用層，還可以進一步細分成感知設(shè)備、接入單元、接入網(wǎng)絡(luò)、中間件和應(yīng)用。

　　感知設(shè)備包括了各種傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及無線傳感網(wǎng)。

　　接入單元包括將傳感器數(shù)據(jù)直接傳送到通信網(wǎng)絡(luò)的DTU，以及連接無線傳感網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，其中物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)根據(jù)使用環(huán)境的不同，有行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和家庭物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)兩種，將來還會有用于公共節(jié)點的共享式網(wǎng)關(guān)。嚴格來說，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)該是一種跨感知層和傳送層的設(shè)備。

　　接入網(wǎng)絡(luò)指電信運營商現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)，包括2G/3G、有線寬帶、PSTN、Wi-Fi等。

　　中間件是為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供基礎(chǔ)的公共服務(wù)能力的平臺系統(tǒng)。

　　應(yīng)用層為各種豐富的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，包括行業(yè)應(yīng)用、政府應(yīng)用、家庭應(yīng)用等。

4.從電信運營商角度看物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的階段

　　對“物聯(lián)網(wǎng)”進行研究和探討，首先要界定一下什么是“物”，從廣義理解，除了人之外的都是物，大到一幢建筑，小到一粒沙子，還有動物、植物等，都可以是物聯(lián)網(wǎng)的連接對象，通過物聯(lián)網(wǎng)達到網(wǎng)絡(luò)無處不在，信息及時獲取，指令隨時下達，控制完全自動的理想狀態(tài)。應(yīng)該說這是一個比較遙遠的發(fā)展目標，一時之間很難實現(xiàn)。本文從電信運營商角度來看待物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，認為在向這個目標前進的過程中將會有三個發(fā)展階段：機器互聯(lián)階段、局域感知階段和廣域感知階段。

　　（1）第一階段：機器互聯(lián)階段

　　對電信運營商來說，第一階段就是發(fā)展M2M業(yè)務(wù)的階段。在這個階段通過結(jié)合使用通信技術(shù)、自動控制技術(shù)和軟件智能處理技術(shù)，實現(xiàn)對機器設(shè)備信息的自動獲取和自動控制。這個階段通信的對象主要是機器設(shè)備，尚未擴展到任何物品，在通信過程中，也以使用離散的終端節(jié)點為主。在這一階段，傳感網(wǎng)技術(shù)也在發(fā)展，但多用于局域范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，電信運營商并不過多關(guān)注，往往將其看作是用戶自己的設(shè)備。目前，國內(nèi)外不少運營商，尤其是移動運營商在M2M領(lǐng)域進行了大量研究，推出了各種M2M業(yè)務(wù)，如汽車信息服務(wù)、車隊管理、遠程醫(yī)療、遠程計量等。

　　（2）第二階段：局域感知階段

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的不斷升溫以及技術(shù)本身發(fā)展趨勢的推動，“物”的范圍也在不斷擴大，傳感網(wǎng)逐漸被引入，傳感網(wǎng)雖然仍主要用作局域組網(wǎng)，但是電信運營商不再將傳感網(wǎng)僅僅看作用戶自己的設(shè)備，而是認為傳感網(wǎng)是通信網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點向下延伸的毛細網(wǎng)絡(luò)。在這個階段運營商將越來越關(guān)注如何將通信網(wǎng)絡(luò)與傳感網(wǎng)結(jié)合。

　　目前，短距離無線傳輸技術(shù)非常多，缺乏統(tǒng)一的標準，用的比較廣泛的有RFID、ZigBee、藍牙、Z-Wave等。對于同一種傳輸技術(shù)，如ZigBee，實際應(yīng)用中也沒有統(tǒng)一標準，有相當多的廠商基于私有協(xié)議自己開發(fā)傳輸模塊或傳輸芯片，所以不同廠商的ZigBee芯片間無法互通。因此無線傳感網(wǎng)往往是異構(gòu)的，實現(xiàn)異構(gòu)協(xié)同是該階段主要的研究內(nèi)容，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的概念應(yīng)運而生，通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)屏蔽無線傳感網(wǎng)的差異性，使異構(gòu)的無線傳感網(wǎng)之間、無線傳感網(wǎng)與通信網(wǎng)之間能實現(xiàn)協(xié)同工作。

　　由于傳感網(wǎng)仍然用于局域范圍內(nèi)組成毛細網(wǎng)絡(luò)，因此對于傳感網(wǎng)本身的內(nèi)部節(jié)點管理并沒有太多的改變，各種無線傳感網(wǎng)技術(shù)仍然采用各自的協(xié)議，實現(xiàn)局域管理和局域?qū)ぶ贰?br />
　　目前，物聯(lián)網(wǎng)正處于第一階段向第二階段演進的過程中。

　　（3）第三階段：廣域感知階段

　　在廣域感知階段，傳感網(wǎng)不再僅僅用于局域組網(wǎng)，而是開始用于廣域組網(wǎng)，遍布各處的無線傳感網(wǎng)節(jié)點構(gòu)成了一張全新的廣域網(wǎng)絡(luò)。電信運營商也許會運營這個網(wǎng)絡(luò)，也許這樣的網(wǎng)絡(luò)不完全由電信運營商運營，但無論如何，在這個階段，會產(chǎn)生一些基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)的公共節(jié)點，這些公共節(jié)點作為物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的基本組成部分，必然要實現(xiàn)廣域管理，如遵循統(tǒng)一的通信協(xié)議、實現(xiàn)廣域?qū)ぶ返取ｋm然這是一個相對比較遙遠的階段，但物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展必然會向這個階段演進。

5.電信運營商在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的策略

　　如前文所述，物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)分為感知層、傳送層和應(yīng)用層，涉及的技術(shù)范圍非常廣泛，運營商很難對所有的技術(shù)都深入研究，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要依靠產(chǎn)業(yè)鏈各界共同合作推進，因此對于不同層應(yīng)當采取不同的策略。

　　5.1 感知層——用

　　感知層的無線傳感網(wǎng)技術(shù)標準眾多，無論國際還是國內(nèi)，都有相當數(shù)量的科研機構(gòu)和專業(yè)公司在研究，部分無線傳感網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)具備一定規(guī)模，有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，電信運營商至少在現(xiàn)階段沒有必要對感知層的無線承載、通信協(xié)議、自組網(wǎng)算法等方面進行深入的研究。對感知層的研究應(yīng)當圍繞“用”開展，以傳感網(wǎng)和通信網(wǎng)的結(jié)合為切入點，關(guān)注異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)如何實現(xiàn)協(xié)同工作以及如何實現(xiàn)可管理的感知網(wǎng)。

　　5.2 傳送層——建

　　傳送層包含了接入網(wǎng)絡(luò)和接入單元，接入網(wǎng)絡(luò)即通信網(wǎng)絡(luò)，要以電信運營商為主進行建設(shè)和優(yōu)化�，F(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)是以承載人與人的通信為主的，其設(shè)計和建設(shè)都是圍繞著人的通信模式，進入物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的時代，不但會產(chǎn)生大量的通信節(jié)點，而且這些節(jié)點的通信特征與人的通信截然不同，必然對網(wǎng)絡(luò)帶來壓力。同時，對物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的管理也對通信網(wǎng)絡(luò)提出了很多新問題。通信網(wǎng)會向著“能支撐物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用規(guī)模有序發(fā)展”的目標演進，在充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源的原則下，根據(jù)業(yè)務(wù)量的增加，分階段、逐步進行網(wǎng)絡(luò)改造。

　　混同承載階段：在業(yè)務(wù)發(fā)展初期，業(yè)務(wù)量不是特別大的情況下，直接采用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)承載物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)不作大的改動，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)基本不變。由于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不能區(qū)分人與人的通信、物與物的通信，主要通過終端側(cè)的配置以及對終端的管理，緩解網(wǎng)絡(luò)的壓力。

　　區(qū)別承載階段：業(yè)務(wù)發(fā)展中期，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用規(guī)模的增加對網(wǎng)絡(luò)資源（如碼號資源、傳輸資源）造成較大壓力，這時需要對網(wǎng)絡(luò)進行部分改造，使得網(wǎng)絡(luò)側(cè)能區(qū)別物與物的通信，采取不同策略，緩解網(wǎng)絡(luò)壓力，保障業(yè)務(wù)質(zhì)量。

　　獨立承載階段：在物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)規(guī)模化后，將產(chǎn)生與其他通信相互干擾的問題，同時也出現(xiàn)了大量對通信SLA要求較高的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，可考慮逐步采用物理/邏輯隔離的網(wǎng)絡(luò)承載物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，如建設(shè)獨立的接入網(wǎng)，在核心網(wǎng)中劃分專門的互聯(lián)子網(wǎng)等。

　　接入單元是將感知的數(shù)據(jù)傳送到通信網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，運營商需要進行掌控，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的要求和用戶的需求，引導(dǎo)設(shè)備生產(chǎn)廠商進行開發(fā)，并積極推動產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。

　　5.3 應(yīng)用層——匯

　　應(yīng)用層包括了中間件和應(yīng)用。中間件層面，運營商可以充分發(fā)揮優(yōu)勢，將結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的運營能力開放出來，提供給應(yīng)用集成，為用戶提供更好的服務(wù)。

　　應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要依賴應(yīng)用的驅(qū)動，然而物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用非常豐富，涉及行業(yè)眾多，深入到每個行業(yè)，其總量也許并不非常大，但這些行業(yè)加起來占有的比重卻非常高，長尾效應(yīng)明顯。因此需要從行業(yè)市場和垂直市場兩個方面分別制定策略，對于行業(yè)市場，采取與產(chǎn)業(yè)鏈合作，鼓勵合作伙伴積極推進；電信運營商則更多關(guān)注垂直市場層面，發(fā)揮運營優(yōu)勢，開發(fā)標準化應(yīng)用，可適用于多個行業(yè)，如全球眼視頻監(jiān)控應(yīng)用、定位應(yīng)用等，這些垂直市場的標準化應(yīng)用又可以作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)能力，通過中間件方式提供。

6.結(jié)束語

　　借助政府層面的推動，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)引起了產(chǎn)業(yè)、資本、科研等各方面的高度關(guān)注，產(chǎn)業(yè)界形成高度共識，紛紛積極參與，資本市場也積極響應(yīng)，國家政策正在迅速向物聯(lián)網(wǎng)傾斜，已將其作為我國下一步新興的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)來發(fā)展，這一切都是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展非常有利的條件。但是仍然要看到，目前也存在不少問題，如缺乏完整的標準體系和成熟的商業(yè)模式，關(guān)鍵技術(shù)有待突破，研發(fā)力量比較分散，行業(yè)壁壘有待突破，政策環(huán)境有待完善，共贏模式有待探索等，尤其是涉及到企業(yè)流程改變、系統(tǒng)對接、設(shè)備改造和崗位調(diào)整等行業(yè)融合問題將是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展要面對的深層次問題。

　　物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是以應(yīng)用為驅(qū)動的，目前機遇與挑戰(zhàn)并存，政府應(yīng)當積極引導(dǎo)，產(chǎn)業(yè)鏈各界共同參與，通過建設(shè)標桿和示范應(yīng)用，帶動整個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展，從而帶動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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