基于IMS構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想

施志勇 王雨 羅國(guó)棟

[摘要]文章首先介紹IMS技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，然后討論了利用IMS網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的方案，重點(diǎn)就實(shí)現(xiàn)過(guò)程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了論述，最后展望其應(yīng)用前景。

[關(guān)鍵詞]IMS物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1引言

物聯(lián)網(wǎng)作為新一代的信息技術(shù)，是一種聚合性、系統(tǒng)性非常強(qiáng)的創(chuàng)新應(yīng)用和發(fā)展，它的應(yīng)用已經(jīng)逐漸滲透到生活各個(gè)方面，并且已經(jīng)形成了一定的工業(yè)規(guī)模。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、工業(yè)控制、零售、公眾服務(wù)等領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控、自動(dòng)售貨、機(jī)械維護(hù)等功能，不僅可以提高生產(chǎn)效率，而且可以降低生產(chǎn)成本。物聯(lián)網(wǎng)最大的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了分布于不同網(wǎng)絡(luò)、采用不同接入方式的具備信息發(fā)送和接收能力的“物”之間的信息交互。進(jìn)行通信的“物”可以處于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、有線電視網(wǎng)絡(luò)、固定電信網(wǎng)絡(luò)等，采用的接入方式可以是WLAN、GSM、WCDMA、PSTN等，這就需要有一個(gè)可以融合不同網(wǎng)絡(luò)、支持不同接入方式、可提供統(tǒng)一業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。

IMS是承載網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)之間的中間控制層，它屏蔽了下層的接入差異性，并為上層業(yè)務(wù)提供集中的會(huì)話管理、業(yè)務(wù)接入控制、呼叫路由、服務(wù)質(zhì)量控制、鑒權(quán)計(jì)費(fèi)和安全管理等基本功能。IMS統(tǒng)一使用IP網(wǎng)絡(luò)作為承載，并采用承載、控制、業(yè)務(wù)相分離的水平分層式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)的融合，并且不受接入方式的限制，便于在不同的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)下開發(fā)同一業(yè)務(wù)。由此可見，IMS可以很好地解決物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制問(wèn)題，將IMS和物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合完全符合物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向和建設(shè)需求。

2IMS和物聯(lián)網(wǎng)基本概念

2.1IMS網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

IMS(IP多媒體子網(wǎng)系統(tǒng))是由3GPP首先提出的一個(gè)國(guó)際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，它最初是為了解決在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中提供實(shí)時(shí)的多媒體業(yè)務(wù)而提出的，但I(xiàn)MS同時(shí)也支持其他多種接入方式，如PSTN、GSN、UMTS、WLAN等。IMS信息以IP方式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，可以在IP網(wǎng)絡(luò)上靈活部署業(yè)務(wù)，便于在不同網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)同一業(yè)務(wù)。國(guó)際上關(guān)于IMS的研究主要集中在3GPP、3GPP2和TISPAN等幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織，其中前兩個(gè)組織側(cè)重于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)IMS的研究，而TISPAN對(duì)IMS的研究主要針對(duì)固定接入以及固定網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的融合。

隨著1MS技術(shù)和產(chǎn)品的逐漸成熟，已經(jīng)有一些運(yùn)營(yíng)商開始IMS商用。目前來(lái)看，IMS的應(yīng)用主要集中在以下幾方面：第一是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用；第二是固定運(yùn)營(yíng)商出于網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和業(yè)務(wù)的需要，通過(guò)IMS為企業(yè)用戶提供融合的企業(yè)應(yīng)用(IP Centrex業(yè)務(wù))，以及向固定寬帶用戶(例如ADSL用戶)提供VoIP應(yīng)用；第三是用于不同網(wǎng)絡(luò)融合，如移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與固定網(wǎng)絡(luò)的融合；第四是IMS技術(shù)與其他技術(shù)的融合應(yīng)用，如與物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字集群通信等技術(shù)的融合。

IMS采用的承載、控制、業(yè)務(wù)相分離的分層技術(shù)，使得業(yè)務(wù)的開發(fā)、應(yīng)用與具體的傳輸網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)無(wú)關(guān)，同一個(gè)業(yè)務(wù)只需要開發(fā)一次就可以用于多種接入網(wǎng)絡(luò)，不同網(wǎng)絡(luò)上的同一業(yè)務(wù)可以采用統(tǒng)一的管理，避免不同接入用戶對(duì)業(yè)務(wù)體驗(yàn)不一致的現(xiàn)象。這些都為物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)和良好運(yùn)行提供了有力的網(wǎng)絡(luò)控制保障。

2.2物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是由“The Internet of Things”翻譯而來(lái)，廣義來(lái)說(shuō)它就是“將不同物體進(jìn)行相互連接的通信網(wǎng)絡(luò)”，即包含了兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)、電視網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的一種業(yè)務(wù)拓展和網(wǎng)絡(luò)延伸；第二，在該網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行信息交換和通信的主體是廣泛分布于網(wǎng)絡(luò)中的物體。物聯(lián)網(wǎng)的一般定義是：通過(guò)射頻識(shí)別(RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

(1)物聯(lián)網(wǎng)的“物”必須滿足以下條件：

◆裝有相應(yīng)信息的接收器和發(fā)送器；

◆能夠提供數(shù)據(jù)傳輸通路；

◆具有一定的信息存儲(chǔ)功能；

◆具有一定的信息管理與處理能力；

◆有操作系統(tǒng)；

◆有專門的應(yīng)用程序；

◆遵循物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議；

◆在網(wǎng)絡(luò)中有可被識(shí)別的唯一編號(hào)。

(2)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)具有的主要特點(diǎn)可以概括為：

◆對(duì)物體的全面感知。利用傳感、射頻識(shí)別、二維碼等技術(shù)隨時(shí)隨地監(jiān)控物體，獲取物體的特征信息。

◆無(wú)處不在的信息承載網(wǎng)和接入網(wǎng)。物體所處的位置是廣泛任意的，而且可能是任意移動(dòng)的，因此為物體提供接入的點(diǎn)無(wú)所不在，接入方式多種多樣。

◆智能處理能力。物體的數(shù)目非常龐大，物體需要處理的信息達(dá)到海量級(jí)，物聯(lián)網(wǎng)需要采用云計(jì)算、模糊識(shí)別等智能技術(shù)才能滿足信息處理要求。

◆物體間遠(yuǎn)端識(shí)別，需要安全可靠的連接與傳輸。

3基于IMS的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

基于IMS的物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，從宏觀上規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)和層次分區(qū)，是網(wǎng)絡(luò)具體構(gòu)建的重要參考。通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)三層體系結(jié)構(gòu)的分析，提出了基于IMS物聯(lián)網(wǎng)的四層體系架構(gòu)，如圖1所示。

3.1感知層

感知層是物聯(lián)網(wǎng)的“感覺(jué)器官”，主要是通過(guò)綜合運(yùn)用各種感知技術(shù)和通過(guò)射頻識(shí)別(RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等各種信息傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體信息的實(shí)時(shí)、自動(dòng)采集、捕獲與識(shí)別、定位。既要對(duì)物體的名稱、型號(hào)、存儲(chǔ)地點(diǎn)、數(shù)量、質(zhì)量、生產(chǎn)廠家、價(jià)格、隸屬單位等靜態(tài)信息的感知，又要對(duì)物體的位置、運(yùn)行狀態(tài)等動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行感知，便于管理，還要對(duì)物體所處的環(huán)境(如溫度、濕度等)信息進(jìn)行感知。感知層的設(shè)備有傳感器、RFID、具有感知能力的移動(dòng)終端和數(shù)據(jù)終端、定位設(shè)備、視頻拍攝設(shè)備等等，它們既可以通過(guò)有線方式，也可以通過(guò)無(wú)線方式接入到相應(yīng)的接入網(wǎng)。

3.2接入層

接入層為感知層提供基本的網(wǎng)絡(luò)接入功能、移動(dòng)性管理、對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化等，確保實(shí)時(shí)感知的物體信息能夠接入信息網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)物體信息實(shí)時(shí)、高效傳輸和共享的關(guān)鍵。物體進(jìn)行接入的方式多種多樣，可以是WLAN、GSM、TD-SCDMA、衛(wèi)星等無(wú)線方式，也可以使光纖、電話線等有線接入方式。

3.3IMS層，網(wǎng)絡(luò)控制層

IMS層/網(wǎng)絡(luò)控制層是物聯(lián)網(wǎng)的“心臟”，是連接接入層與應(yīng)用層的橋梁。它主要包括呼叫會(huì)話控制功能(P/I/S-CSCF)、歸屬位置服務(wù)器(HSS)、多媒體資源功能(MRF)、域名服務(wù)器(DNS)、E.164號(hào)碼映射服務(wù)器、媒體控制功能(MGCF)和IP多媒體一媒體網(wǎng)關(guān)(IM-MGW)等。該層支持網(wǎng)絡(luò)的安全管理、業(yè)務(wù)交換與控制、鑒權(quán)、QoS、計(jì)費(fèi)等功能，并實(shí)現(xiàn)多種接入方式和網(wǎng)絡(luò)的融合。

3.4應(yīng)用層

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的“大腦”，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)

對(duì)匯聚的物體信息進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示與管理，同時(shí)根據(jù)需要對(duì)物體進(jìn)行控制。該層利用專門的存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)采集到的物理數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，用于支持不同部門間的信息共享和協(xié)同操作。應(yīng)用層管理平臺(tái)主要包括應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、用戶管理系統(tǒng)等。

另外，接入層、IMS層/管理控制層和應(yīng)用層之間主要通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通。

4關(guān)鍵技術(shù)

4.1網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通

一方面，基于IMS架構(gòu)的固定網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的融合在QoS方面有待進(jìn)一步完善；同時(shí)IMS要求使用IPv6，但目前的大多數(shù)IP網(wǎng)絡(luò)仍然采用IPv4，這就需要研究IMS對(duì)IPv4的支持。只有解決了這些技術(shù)問(wèn)題，才能真正利用IMS實(shí)現(xiàn)不同通信網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通，為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供全網(wǎng)絡(luò)覆蓋服務(wù)。

另一方面，各運(yùn)營(yíng)商為了自身利益都要單獨(dú)建設(shè)屬于自己的IMS網(wǎng)絡(luò)。中國(guó)移動(dòng)想通過(guò)建設(shè)IMS網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供政企服務(wù)和固定服務(wù)，爭(zhēng)取原本不屬于它們的企業(yè)用戶。中國(guó)聯(lián)則想利用IMS網(wǎng)絡(luò)整合原有固網(wǎng)業(yè)務(wù)并提升網(wǎng)絡(luò)的多媒體傳輸能力，以實(shí)現(xiàn)在多媒體業(yè)務(wù)方面與中國(guó)移動(dòng)的抗衡。而對(duì)于在CDMA標(biāo)準(zhǔn)和固網(wǎng)業(yè)務(wù)方面具備優(yōu)勢(shì)的中國(guó)電信，它綜合了移動(dòng)和聯(lián)通的訴求，并希望通過(guò)IMS改造原有的業(yè)務(wù)模式。因此就亟待解決不同運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商之間的多個(gè)IMS網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通問(wèn)題。

4.2移動(dòng)終端的多模融合

為了提高物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的靈活性，更好地支持物體的無(wú)線接入，作為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備，應(yīng)該不僅是人的通信終端，還應(yīng)該是物聯(lián)網(wǎng)的感知終端，甚至是RFID讀寫器、傳感器網(wǎng)絡(luò)接入移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的匯聚點(diǎn)，這就需要移動(dòng)終端支持多種工作模式，即通信終端、感知終端、信息匯聚點(diǎn)等。下面以移動(dòng)通信終端兼有RFID讀寫功能為例，進(jìn)一步討論移動(dòng)終端的多模融合問(wèn)題。

作為RFID的讀寫器，可以是手持移動(dòng)終端也可以是數(shù)據(jù)移動(dòng)終端，它既具有與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的功能，又有與物體之間進(jìn)行RFID通信的功能，還具有物聯(lián)網(wǎng)信息加工處理功能。信息加工處理主要包括兩個(gè)方面：一是它要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)適合于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分組傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包以通過(guò)RFID讀功能讀取到的RFID標(biāo)簽中存貯的物體特征信息為數(shù)據(jù)包的包體、以物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)中的服務(wù)器地址為目的地址，以自己的地址為源地址，通過(guò)無(wú)線方式傳送到移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)；二是接收通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳過(guò)來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)發(fā)送的IP數(shù)據(jù)包，解讀其包體信息并進(jìn)行相應(yīng)的操作。用戶可以通過(guò)移動(dòng)終端的RFID寫功能來(lái)更新RFID標(biāo)簽中存貯的物體特征信息。

5結(jié)束語(yǔ)

在國(guó)內(nèi)，很多網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備制造企業(yè)和科研院所都在對(duì)IMS技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行跟蹤與研究。如何將二者有機(jī)結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮IMS技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)控制方面的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在不同網(wǎng)絡(luò)、不同接入方式間的無(wú)差別服務(wù)。必將成為IMS和物聯(lián)網(wǎng)的研究熱點(diǎn)，同時(shí)也符合物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要。

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作者簡(jiǎn)介

施志勇：講師，碩士研究生，任教于重慶通信學(xué)院，移動(dòng)通信教研室教員，研究方向?yàn)橥ㄐ爬碚撆c技術(shù)。

王雨：副教授，碩士生導(dǎo)師，任教于重慶通信學(xué)院，移動(dòng)通信教研室主任，研究方向?yàn)檐娛乱苿?dòng)通信。

羅國(guó)棟：講師，本科，任教于西安通信學(xué)院，裝備教研室教員，研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ獭?/p>