從電信運營(yíng)商角度看物聯(lián)網(wǎng)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(dòng)計劃和溫總理“感知中國”的提出將國內對于物聯(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(lái)越頻繁地出現，和物聯(lián)網(wǎng)一起成為熱門(mén)概念。究竟什么是物聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)了怎樣的機遇與挑戰，本文從電信運營(yíng)商角度，分析、探討對物聯(lián)網(wǎng)整個(gè)體系架構的理解，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(yíng)商的發(fā)展機會(huì )和應對策略。
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(shí)它的定義很簡(jiǎn)單：把所有物品通過(guò)射頻識別等信息傳感設備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現智能化識別和管理。這里包含兩個(gè)重要的觀(guān)點(diǎn)：一是物聯(lián)網(wǎng)要以互聯(lián)網(wǎng)為基礎發(fā)展起來(lái)；二是RFID是實(shí)現物品與物品連接的主要手段。然而，從現在來(lái)看，射頻識別技術(shù)只是實(shí)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(wǎng)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(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現。
泛在網(wǎng)也被稱(chēng)作無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò )，最早見(jiàn)于施樂(lè )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(shuí)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(shí)現在任何時(shí)間（Anytime）、任何地點(diǎn)（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(guān)注可以隨時(shí)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、數據處理單元和通信單元的微小節點(diǎn)，通過(guò)自組織的方式構成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )”。現在談到的傳感網(wǎng)，一般指的是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，嚴格來(lái)說(shuō)應當稱(chēng)為wirelesssensornetwork（WSN）。傳感網(wǎng)實(shí)際上由傳感器＋短距離傳輸模塊共同構成。傳感器種類(lèi)非常多，常見(jiàn)的有溫度傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器、振動(dòng)傳感器、位移傳感器、角度傳感器等，據說(shuō)傳感器的種類(lèi)有3萬(wàn)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(diǎn)其實(shí)并不是傳感器本身，而是聚焦在通過(guò)各種低功耗、短距離無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)構成自組織網(wǎng)絡(luò )來(lái)傳輸數據。
從電信運營(yíng)商角度，關(guān)注得最早也關(guān)注得最多的其實(shí)就是M2M，例如，中國移動(dòng)，在2004年就開(kāi)始開(kāi)發(fā)M2M業(yè)務(wù)，國外的電信運營(yíng)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％。“M2M是物聯(lián)網(wǎng)的雛形，是物聯(lián)網(wǎng)在現階段的主要形式”是目前電信運營(yíng)商普遍認可的觀(guān)點(diǎn)。
這幾種概念之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以用圖1來(lái)大概表示。
無(wú)論是物聯(lián)網(wǎng)還是泛在網(wǎng)、M2M，其實(shí)都不是一種全新的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，更不是對現有技術(shù)的顛覆，它是在綜合利用現有的各種技術(shù)基礎上的創(chuàng )新，涵蓋了軟件、通信、智能計算、自動(dòng)控制等各領(lǐng)域，是跨學(xué)科的綜合應用。
3.對物聯(lián)網(wǎng)總體架構的認識和探討
在業(yè)界，物聯(lián)網(wǎng)大致被公認為有3個(gè)層次，從下到上依次是感知層、傳送層和應用層。如果拿人來(lái)比喻的話(huà)，感知層就像皮膚和五官，用來(lái)識別物體，采集信息，傳送層則是神經(jīng)系統，將信息傳遞到大腦進(jìn)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。
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(wǎng)關(guān)之前的傳感器網(wǎng)絡(luò )。例如RFID標簽和用來(lái)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(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)。感知層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應用的基礎，RFID技術(shù)、傳感和控制技術(shù)、短距離無(wú)線(xiàn)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、智能節點(diǎn)供電等細分領(lǐng)域。
傳送層：傳送層是在現有通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的基礎上建立起來(lái)的，綜合使用2G/3G、有線(xiàn)寬帶、PSTN、Wi-Fi通信技術(shù)，實(shí)現有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)的結合、寬帶與窄帶的結合、感知網(wǎng)與通信網(wǎng)的結合。傳送層中的感知數據管理與處理技術(shù)是實(shí)現以數據為中心的物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。感知數據管理與處理技術(shù)包括傳感網(wǎng)數據的存儲、查詢(xún)、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(shù)。云計算平臺作為海量感知數據的存儲、分析平臺，將是物聯(lián)網(wǎng)傳送層的重要組成部分，也是應用層眾多應用的基礎。
應用層：物聯(lián)網(wǎng)應用層利用經(jīng)過(guò)分析處理的感知數據，為用戶(hù)提供豐富的特定服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)的應用可分為監控型（物流監控、污染監控）、查詢(xún)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(qián)包、高速公路不停車(chē)收費）等。應用層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的目的，軟件開(kāi)發(fā)、智能控制技術(shù)將會(huì )為用戶(hù)提供豐富多彩的物聯(lián)網(wǎng)應用。各種行業(yè)和家庭應用的開(kāi)發(fā)將會(huì )推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的普及，也將給整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈帶來(lái)利潤。
圖3所示是物聯(lián)網(wǎng)的整體架構，包括感知層、傳送層和應用層，還可以進(jìn)一步細分成感知設備、接入單元、接入網(wǎng)絡(luò )、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(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)。
接入單元包括將傳感器數據直接傳送到通信網(wǎng)絡(luò )的DTU，以及連接無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò )的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設備，其中物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)根據使用環(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(lái)還會(huì )有用于公共節點(diǎn)的共享式網(wǎng)關(guān)。嚴格來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應該是一種跨感知層和傳送層的設備。
接入網(wǎng)絡(luò )指電信運營(yíng)商現有的通信網(wǎng)絡(luò )，包括2G/3G、有線(xiàn)寬帶、PSTN、Wi-Fi等。
中間件是為物聯(lián)網(wǎng)應用提供基礎的公共服務(wù)能力的平臺系統。
應用層為各種豐富的物聯(lián)網(wǎng)應用，包括行業(yè)應用、政府應用、家庭應用等。
4.從電信運營(yíng)商角度看物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的階段
對“物聯(lián)網(wǎng)”進(jìn)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(dòng)物、植物等，都可以是物聯(lián)網(wǎng)的連接對象，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)達到網(wǎng)絡(luò )無(wú)處不在，信息及時(shí)獲取，指令隨時(shí)下達，控制完全自動(dòng)的理想狀態(tài)。應該說(shuō)這是一個(gè)比較遙遠的發(fā)展目標，一時(shí)之間很難實(shí)現。本文從電信運營(yíng)商角度來(lái)看待物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，認為在向這個(gè)目標前進(jìn)的過(guò)程中將會(huì )有三個(gè)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(yíng)商來(lái)說(shuō)，第一階段就是發(fā)展M2M業(yè)務(wù)的階段。在這個(gè)階段通過(guò)結合使用通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和軟件智能處理技術(shù)，實(shí)現對機器設備信息的自動(dòng)獲取和自動(dòng)控制。這個(gè)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(guò)程中，也以使用離散的終端節點(diǎn)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實(shí)現數據傳送，電信運營(yíng)商并不過(guò)多關(guān)注，往往將其看作是用戶(hù)自己的設備。目前，國內外不少運營(yíng)商，尤其是移動(dòng)運營(yíng)商在M2M領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究，推出了各種M2M業(yè)務(wù)，如汽車(chē)信息服務(wù)、車(chē)隊管理、遠程醫療、遠程計量等。
（2）第二階段：局域感知階段
隨著(zhù)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(dòng)，“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(yíng)商不再將傳感網(wǎng)僅僅看作用戶(hù)自己的設備，而是認為傳感網(wǎng)是通信網(wǎng)絡(luò )終端節點(diǎn)向下延伸的毛細網(wǎng)絡(luò )。在這個(gè)階段運營(yíng)商將越來(lái)越關(guān)注如何將通信網(wǎng)絡(luò )與傳感網(wǎng)結合。
目前，短距離無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)非常多，缺乏統一的標準，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(shí)際應用中也沒(méi)有統一標準，有相當多的廠(chǎng)商基于私有協(xié)議自己開(kāi)發(fā)傳輸模塊或傳輸芯片，所以不同廠(chǎng)商的ZigBee芯片間無(wú)法互通。因此無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)往往是異構的，實(shí)現異構協(xié)同是該階段主要的研究?jì)热荩锫?lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的概念應運而生，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)屏蔽無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的差異性，使異構的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)之間、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)與通信網(wǎng)之間能實(shí)現協(xié)同工作。
由于傳感網(wǎng)仍然用于局域范圍內組成毛細網(wǎng)絡(luò )，因此對于傳感網(wǎng)本身的內部節點(diǎn)管理并沒(méi)有太多的改變，各種無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)仍然采用各自的協(xié)議，實(shí)現局域管理和局域尋址。
目前，物聯(lián)網(wǎng)正處于第一階段向第二階段演進(jìn)的過(guò)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(kāi)始用于廣域組網(wǎng)，遍布各處的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)節點(diǎn)構成了一張全新的廣域網(wǎng)絡(luò )。電信運營(yíng)商也許會(huì )運營(yíng)這個(gè)網(wǎng)絡(luò )，也許這樣的網(wǎng)絡(luò )不完全由電信運營(yíng)商運營(yíng)，但無(wú)論如何，在這個(gè)階段，會(huì )產(chǎn)生一些基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)的公共節點(diǎn)，這些公共節點(diǎn)作為物聯(lián)網(wǎng)基礎設施的基本組成部分，必然要實(shí)現廣域管理，如遵循統一的通信協(xié)議、實(shí)現廣域尋址等。雖然這是一個(gè)相對比較遙遠的階段，但物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展必然會(huì )向這個(gè)階段演進(jìn)。
5.電信運營(yíng)商在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的策略
如前文所述，物聯(lián)網(wǎng)基本架構分為感知層、傳送層和應用層，涉及的技術(shù)范圍非常廣泛，運營(yíng)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(jìn)，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(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)標準眾多，無(wú)論國際還是國內，都有相當數量的科研機構和專(zhuān)業(yè)公司在研究，部分無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)具備一定規模，有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，電信運營(yíng)商至少在現階段沒(méi)有必要對感知層的無(wú)線(xiàn)承載、通信協(xié)議、自組網(wǎng)算法等方面進(jìn)行深入的研究。對感知層的研究應當圍繞“用”開(kāi)展，以傳感網(wǎng)和通信網(wǎng)的結合為切入點(diǎn)，關(guān)注異構網(wǎng)絡(luò )如何實(shí)現協(xié)同工作以及如何實(shí)現可管理的感知網(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(yíng)商為主進(jìn)行建設和優(yōu)化。現有的通信網(wǎng)絡(luò )是以承載人與人的通信為主的，其設計和建設都是圍繞著(zhù)人的通信模式，進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的時(shí)代，不但會(huì )產(chǎn)生大量的通信節點(diǎn)，而且這些節點(diǎn)的通信特征與人的通信截然不同，必然對網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)壓力。同時(shí)，對物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)的管理也對通信網(wǎng)絡(luò )提出了很多新問(wèn)題。通信網(wǎng)會(huì )向著(zhù)“能支撐物聯(lián)網(wǎng)應用規模有序發(fā)展”的目標演進(jìn)，在充分利用現有網(wǎng)絡(luò )資源的原則下，根據業(yè)務(wù)量的增加，分階段、逐步進(jìn)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(dòng)，網(wǎng)絡(luò )參數基本不變。由于現有網(wǎng)絡(luò )不能區分人與人的通信、物與物的通信，主要通過(guò)終端側的配置以及對終端的管理，緩解網(wǎng)絡(luò )的壓力。
區別承載階段：業(yè)務(wù)發(fā)展中期，物聯(lián)網(wǎng)應用規模的增加對網(wǎng)絡(luò )資源（如碼號資源、傳輸資源）造成較大壓力，這時(shí)需要對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行部分改造，使得網(wǎng)絡(luò )側能區別物與物的通信，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)規模化后，將產(chǎn)生與其他通信相互干擾的問(wèn)題，同時(shí)也出現了大量對通信SLA要求較高的物聯(lián)網(wǎng)應用，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)，如建設獨立的接入網(wǎng)，在核心網(wǎng)中劃分專(zhuān)門(mén)的互聯(lián)子網(wǎng)等。
接入單元是將感知的數據傳送到通信網(wǎng)的關(guān)鍵設備，運營(yíng)商需要進(jìn)行掌控，根據網(wǎng)絡(luò )的要求和用戶(hù)的需求，引導設備生產(chǎn)廠(chǎng)商進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并積極推動(dòng)產(chǎn)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(yíng)商可以充分發(fā)揮優(yōu)勢，將結合網(wǎng)絡(luò )的運營(yíng)能力開(kāi)放出來(lái)，提供給應用集成，為用戶(hù)提供更好的服務(wù)。
應用是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要依賴(lài)應用的驅動(dòng)，然而物聯(lián)網(wǎng)應用非常豐富，涉及行業(yè)眾多，深入到每個(gè)行業(yè)，其總量也許并不非常大，但這些行業(yè)加起來(lái)占有的比重卻非常高，長(cháng)尾效應明顯。因此需要從行業(yè)市場(chǎng)和垂直市場(chǎng)兩個(gè)方面分別制定策略，對于行業(yè)市場(chǎng)，采取與產(chǎn)業(yè)鏈合作，鼓勵合作伙伴積極推進(jìn)；電信運營(yíng)商則更多關(guān)注垂直市場(chǎng)層面，發(fā)揮運營(yíng)優(yōu)勢，開(kāi)發(fā)標準化應用，可適用于多個(gè)行業(yè)，如全球眼視頻監控應用、定位應用等，這些垂直市場(chǎng)的標準化應用又可以作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎能力，通過(guò)中間件方式提供。
6.結束語(yǔ)
借助政府層面的推動(dòng)，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(chǎng)也積極響應，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略產(chǎn)業(yè)來(lái)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(wèn)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(yíng)模式有待探索等，尤其是涉及到企業(yè)流程改變、系統對接、設備改造和崗位調整等行業(yè)融合問(wèn)題將是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展要面對的深層次問(wèn)題。
物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是以應用為驅動(dòng)的，目前機遇與挑戰并存，政府應當積極引導，產(chǎn)業(yè)鏈各界共同參與，通過(guò)建設標桿和示范應用，帶動(dòng)整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應用的發(fā)展，從而帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
電信科學(xué)
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