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從電信運營商角度看物聯網的總體架構和發(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”的提出將國內對于物聯網（Internetofthings）的關注推向了前所未有的高度，其他與之相關的名詞，如泛在網（ubiquitousnetwork）、傳感網（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，和物聯網一起成為熱門概念。究竟什么是物聯網，物聯網帶來了怎樣的機遇與挑戰(zhàn)，本文從電信運營商角度，分析、探討對物聯網整個體系架構的理解，對物聯發(fā)展趨勢的看法以及在這樣的技術和產業(yè)背景下，作為電信運營商的發(fā)展機會和應對策略。

2.物聯網概念辨析

　　物聯網的概念是在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備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。這里包含兩個重要的觀點：一是物聯網要以互聯網為基礎發(fā)展起來；二是RFID是實現物品與物品連接的主要手段。然而，從現在來看，射頻識別技術只是實現物品與物品連接的手段之一，這種連接具有以單向為主、不具備組網能力等局限性，因此，現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技術來實現。

　　泛在網也被稱作無所不在的網絡，最早見于施樂首席科學家MarkWeiser在1991年“21世紀的計算”文章中提出的UbiquitousComputing，因此泛在網概念的提出比物聯網更早一些，而且國際上研究Ubiquitous的人也更加多一些，已經有一定的積累。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概念目前還有爭議，日本學者認為泛在網是他們最先提出的概念。泛在網將4A作為其主要特征，即可以實現在任何時間（Anytime）、任何地點（Anywhere）、任何人（Anyone）、任何物（Anything）都能方便地通信，因此其在內涵上更多的是以人為核心，關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絡概念和研究范疇。

　　傳感網是指“隨機分布的集成有傳感器、數據處理單元和通信單元的微小節(jié)點，通過自組織的方式構成的無線網絡”。現在談到的傳感網，一般指的是無線傳感器網絡，嚴格來說應當稱為wirelesssensornetwork（WSN）。傳感網實際上由傳感器＋短距離傳輸模塊共同構成。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，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構成自組織網絡來傳輸數據。

　　從電信運營商角度，關注得最早也關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，國外的電信運營商，如Oragne、Sprint、DoCoMo都推出了M2M業(yè)務，尤其挪威電信，M2M業(yè)務量占到其業(yè)務總量的40％�！癕2M是物聯網的雛形，是物聯網在現階段的主要形式”是目前電信運營商普遍認可的觀點。

　　這幾種概念之間的關聯關系，可以用圖1來大概表示。

幾種概念之間的關系

　　無論是物聯網還是泛在網、M2M，其實都不是一種全新的網絡技術，更不是對現有技術的顛覆，它是在綜合利用現有的各種技術基礎上的創(chuàng)新，涵蓋了軟件、通信、智能計算、自動控制等各領域，是跨學科的綜合應用。

3.對物聯網總體架構的認識和探討

　　在業(yè)界，物聯網大致被公認為有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，傳送層則是神經系統(tǒng)，將信息傳遞到大腦進行處理，人能從事各種復雜的事情，這就是各種不同的應用，如圖2所示。

對物聯網架構的比喻

　　感知層：感知層包括傳感器等數據采集設備以及數據接入到網關之前的傳感器網絡。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組成的無線傳感網。感知層是物聯網發(fā)展和應用的基礎，RFID技術、傳感和控制技術、短距離無線通信技術是感知層涉及的主要技術，其中又包括芯片研發(fā)、通信協議研究、RFID材料、智能節(jié)點供電等細分領域。

　　傳送層：傳送層是在現有通信網和互聯網的基礎上建立起來的，綜合使用2G/3G、有線寬帶、PSTN、Wi-Fi通信技術，實現有線與無線的結合、寬帶與窄帶的結合、感知網與通信網的結合。傳送層中的感知數據管理與處理技術是實現以數據為中心的物聯網的核心技術。感知數據管理與處理技術包括傳感網數據的存儲、查詢、分析、挖掘、理解以及基于感知數據決策和行為的理論和技術。云計算平臺作為海量感知數據的存儲、分析平臺，將是物聯網傳送層的重要組成部分，也是應用層眾多應用的基礎。

　　應用層：物聯網應用層利用經過分析處理的感知數據，為用戶提供豐富的特定服務。物聯網的應用可分為監(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。應用層是物聯網發(fā)展的目的，軟件開發(fā)、智能控制技術將會為用戶提供豐富多彩的物聯網應用。各種行業(yè)和家庭應用的開發(fā)將會推動物聯網的普及，也將給整個物聯網產業(yè)鏈帶來利潤。

物聯網的架構

　　圖3所示是物聯網的整體架構，包括感知層、傳送層和應用層，還可以進一步細分成感知設備、接入單元、接入網絡、中間件和應用。

　　感知設備包括了各種傳感器、數據采集設備以及無線傳感網。

　　接入單元包括將傳感器數據直接傳送到通信網絡的DTU，以及連接無線傳感網和通信網絡的物聯網網關設備，其中物聯網網關根據使用環(huán)境的不同，有行業(yè)物聯網網關和家庭物聯網網關兩種，將來還會有用于公共節(jié)點的共享式網關。嚴格來說，物聯網網關應該是一種跨感知層和傳送層的設備。

　　接入網絡指電信運營商現有的通信網絡，包括2G/3G、有線寬帶、PSTN、Wi-Fi等。

　　中間件是為物聯網應用提供基礎的公共服務能力的平臺系統(tǒng)。

　　應用層為各種豐富的物聯網應用，包括行業(yè)應用、政府應用、家庭應用等。

4.從電信運營商角度看物聯網發(fā)展的階段

　　對“物聯網”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，都可以是物聯網的連接對象，通過物聯網達到網絡無處不在，信息及時獲取，指令隨時下達，控制完全自動的理想狀態(tài)。應該說這是一個比較遙遠的發(fā)展目標，一時之間很難實現。本文從電信運營商角度來看待物聯網的發(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：機器互聯階段、局域感知階段和廣域感知階段。

　　（1）第一階段：機器互聯階段

　　對電信運營商來說，第一階段就是發(fā)展M2M業(yè)務的階段。在這個階段通過結合使用通信技術、自動控制技術和軟件智能處理技術，實現對機器設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，傳感網技術也在發(fā)展，但多用于局域范圍內實現數據傳送，電信運營商并不過多關注，往往將其看作是用戶自己的設備。目前，國內外不少運營商，尤其是移動運營商在M2M領域進行了大量研究，推出了各種M2M業(yè)務，如汽車信息服務、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

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

　　目前，短距離無線傳輸技術非常多，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，如ZigBee，實際應用中也沒有統(tǒng)一標準，有相當多的廠商基于私有協議自己開發(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。因此無線傳感網往往是異構的，實現異構協同是該階段主要的研究內容，物聯網網關的概念應運而生，通過物聯網網關屏蔽無線傳感網的差異性，使異構的無線傳感網之間、無線傳感網與通信網之間能實現協同工作。

　　由于傳感網仍然用于局域范圍內組成毛細網絡，因此對于傳感網本身的內部節(jié)點管理并沒有太多的改變，各種無線傳感網技術仍然采用各自的協議，實現局域管理和局域尋址。

　　目前，物聯網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，傳感網不再僅僅用于局域組網，而是開始用于廣域組網，遍布各處的無線傳感網節(jié)點構成了一張全新的廣域網絡。電信運營商也許會運營這個網絡，也許這樣的網絡不完全由電信運營商運營，但無論如何，在這個階段，會產生一些基于無線傳感網技術的公共節(jié)點，這些公共節(jié)點作為物聯網基礎設施的基本組成部分，必然要實現廣域管理，如遵循統(tǒng)一的通信協議、實現廣域尋址等。雖然這是一個相對比較遙遠的階段，但物聯網的發(fā)展必然會向這個階段演進。

5.電信運營商在物聯網發(fā)展中的策略

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

　　5.1 感知層——用

　　感知層的無線傳感網技術標準眾多，無論國際還是國內，都有相當數量的科研機構和專業(yè)公司在研究，部分無線傳感網技術已經具備一定規(guī)模，有成熟的產業(yè)鏈，電信運營商至少在現階段沒有必要對感知層的無線承載、通信協議、自組網算法等方面進行深入的研究。對感知層的研究應當圍繞“用”開展，以傳感網和通信網的結合為切入點，關注異構網絡如何實現協同工作以及如何實現可管理的感知網。

　　5.2 傳送層——建

　　傳送層包含了接入網絡和接入單元，接入網絡即通信網絡，要以電信運營商為主進行建設和優(yōu)化�，F有的通信網絡是以承載人與人的通信為主的，其設計和建設都是圍繞著人的通信模式，進入物聯網發(fā)展的時代，不但會產生大量的通信節(jié)點，而且這些節(jié)點的通信特征與人的通信截然不同，必然對網絡帶來壓力。同時，對物聯網節(jié)點的管理也對通信網絡提出了很多新問題。通信網會向著“能支撐物聯網應用規(guī)模有序發(fā)展”的目標演進，在充分利用現有網絡資源的原則下，根據業(yè)務量的增加，分階段、逐步進行網絡改造。

　　混同承載階段：在業(yè)務發(fā)展初期，業(yè)務量不是特別大的情況下，直接采用現有網絡承載物聯網業(yè)務，網絡不作大的改動，網絡參數基本不變。由于現有網絡不能區(qū)分人與人的通信、物與物的通信，主要通過終端側的配置以及對終端的管理，緩解網絡的壓力。

　　區(qū)別承載階段：業(yè)務發(fā)展中期，物聯網應用規(guī)模的增加對網絡資源（如碼號資源、傳輸資源）造成較大壓力，這時需要對網絡進行部分改造，使得網絡側能區(qū)別物與物的通信，采取不同策略，緩解網絡壓力，保障業(yè)務質量。

　　獨立承載階段：在物聯網業(yè)務規(guī)�；�，將產生與其他通信相互干擾的問題，同時也出現了大量對通信SLA要求較高的物聯網應用，可考慮逐步采用物理/邏輯隔離的網絡承載物聯網業(yè)務，如建設獨立的接入網，在核心網中劃分專門的互聯子網等。

　　接入單元是將感知的數據傳送到通信網的關鍵設備，運營商需要進行掌控，根據網絡的要求和用戶的需求，引導設備生產廠商進行開發(fā)，并積極推動產業(yè)鏈發(fā)展。

　　5.3 應用層——匯

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

　　應用是物聯網發(fā)展的基礎，物聯網的發(fā)展要依賴應用的驅動，然而物聯網應用非常豐富，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，采取與產業(yè)鏈合作，鼓勵合作伙伴積極推進；電信運營商則更多關注垂直市場層面，發(fā)揮運營優(yōu)勢，開發(fā)標準化應用，可適用于多個行業(yè)，如全球眼視頻監(jiān)控應用、定位應用等，這些垂直市場的標準化應用又可以作為物聯網的基礎能力，通過中間件方式提供。

6.結束語

　　借助政府層面的推動，物聯網已經引起了產業(yè)、資本、科研等各方面的高度關注，產業(yè)界形成高度共識，紛紛積極參與，資本市場也積極響應，國家政策正在迅速向物聯網傾斜，已將其作為我國下一步新興的戰(zhàn)略產業(yè)來發(fā)展，這一切都是物聯網發(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，關鍵技術有待突破，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、設備改造和崗位調整等行業(yè)融合問題將是物聯網發(fā)展要面對的深層次問題。

　　物聯網的發(fā)展是以應用為驅動的，目前機遇與挑戰(zhàn)并存，政府應當積極引導，產業(yè)鏈各界共同參與，通過建設標桿和示范應用，帶動整個物聯網應用的發(fā)展，從而帶動產業(yè)發(fā)展。
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電信科學


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