朱洪波 楊龍祥 于全
物聯網(IOT,internet of things)顧名思義就是用網絡將事物都聯起來。目前較為認可的物聯網定義為:物聯網是通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備,按約定的協議,把物品與網絡連接起來進行信息交換和通信,以實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。
對物聯網的另一種定義為:物聯網實現物到物(T2T,thing to thing)、人到物(H2T,human to thing)和人到人(H2H,human to human)的互聯,把目前網絡所實現的人與人之間的互聯通過傳感技術擴大到了物的范圍。物聯網的核心是實現事物(包含人)之間的互聯,從而能夠實現所有事物之間主動的信息交換和通信。物體的信息通過網絡傳輸到信息處理中心后可實現各種信息服務和應用。
本文認為,可以將物聯網理解成為是泛在網的應用形式,而不是一個傳統(tǒng)意義上的網絡。
泛在網即無所不在的網絡,是指基于個人和社會的需求,利用現有的和新的網絡技術,實現人與人、人與物、物與物之間無所不在按需進行的信息獲取、傳遞、存儲、認知、決策、使用等綜合服務的網絡體系。泛在網具備環(huán)境感知和內容感知能力及智能性,為個人和社會提供泛在的、無所不含的信息服務和應用;泛在網具有比物聯網更廣泛的內涵。
傳感網可以看作是物聯網的一種末梢網絡和感知延伸網。傳感網是由多個傳感器、數據處理單元和通信單元組成的節(jié)點,通過自組織方式構成范圍受限的無線局域網絡。傳感網為物聯網提供事物的連接和信息的感知。
中國通信標準化協會(CCSA)泛在網工作委員會(TC10)給出了物聯網的3層結構。第1層是感知延伸系統(tǒng),通過傳感器連接事物和感知信息;第2層是異構融合的泛在通信網絡,包括現有的互聯網、通信網、廣電網以及各種接入網和專用網,實現對信息的傳輸和處理;第3層是應用和服務,為手機、PC等各種終端設備提供感知信息的應用服務。
物聯網包含感知延伸層、網絡層、業(yè)務和應用層3層。
1)感知延伸層
物聯網中由于要實現物與物和人與物的通信,感知延伸層是必需的。感知延伸層主要實現物體的信息采集、捕獲和識別。感知延伸層的關鍵技術包括傳感器、RFID、GPS、自組織網絡、傳感器網絡、短距離無線通信等。感知延伸層必須解決低功耗、低成本和小型化的問題,并且向靈敏度更高、更全面的感知能力方向發(fā)展。
2)網絡層
物聯網的網絡層主要進行信息的傳送。網絡層包括接入網和核心網。接入網為物聯網終端提供網絡接入功能、移動性管理等,接入網包括各種有線接入和無線接入等。核心網是基于IP的統(tǒng)一、高性能、可擴展的網絡,支持異構接入以及終端的移動性。核心網將會在很大程度上基于已有的電信網和互聯網。
網絡層將是物聯網信息的基礎承載網絡?,F有各種通信網針對各自的客戶目標而設計,因此形成了目前多種異構網絡并存的局面。物聯網中有多種設備需要接入,因此物聯網必須是異構泛在的。由于物體可能是移動的,因此物聯網的網絡層必須支持移動性,從而實現無縫透明的接入。
3)業(yè)務和應用層
業(yè)務和應用層實現信息的存儲、數據的挖掘、應用的決策等,最終提供信息業(yè)務和應用。業(yè)務和應用層涉及海量信息的智能處理、分布式計算、中間件、信息發(fā)現等多種技術。
業(yè)務和應用層對數據進行存儲和智能分析,按照用戶需要產生結果。在智能分析層,云計算是核心。隨著物聯網應用的發(fā)展、終端數量的增長,需要云計算來處理海量信息、進行輔助決策和提升物聯網的信息處理能力。
目前的物聯網應用都是各個行業(yè)自己建設系統(tǒng),系統(tǒng)和終端與具體應用相關,不便于多種業(yè)務的開展,也不利于業(yè)務的變更,同時需要專門的行業(yè)服務器。由于沒有統(tǒng)一的物聯網標準、物聯網接入、融合的管理平臺,物聯網因為各行業(yè)的差異尚無法產生規(guī)?;?/p>
上述3層體系結構是本文認為的物聯網一般體系結構。在已有的研究成果中,自主體系結構和EPC是2種比較有代表性的物聯網體系結構,這里不再做專門介紹。
任何終端節(jié)點在物聯網中都應能實現泛在互聯,其關鍵技術在于具有實現網絡資源共享的異構網絡融合平臺。物聯網在核心層可以考慮NGN/IMS融合,在接入層面需要考慮多種異構網絡的融合和協同。
網絡的異構性主要表現在:1)不同的無線頻段特性導致的頻譜資源使用的異構性;2)不同的組網接入技術所使用的空中接口及相關協議的差異性和不可兼容性;3)業(yè)務的多樣化;4)終端的多樣化;5)不同運營商所實施的不同的運營管理策略。以上幾個方面交叉聯系相互影響構成了末端接入網絡的異構性。
網絡融合的主要策略可以理解為在基礎性網絡構建的公共通信平臺之上,各種異構網絡實現共性的融合與個性的協同。所謂融合是對不同系統(tǒng)間共性的整合,具體是指各種異構網絡與作為公共通信平臺的移動通信網和骨干傳輸網絡或者下一代網絡的融合,從而構成一張無所不在的大網。而協同則是對不同系統(tǒng)間個性的整合,具體是指大網中的各個接入子網通過彼此之間的協同實現共存、競爭與協作以滿足業(yè)務和應用需求。不同通信網絡的融合是為了更好地服務于異構通信網絡的協同。協同技術是實現多網融合及無線服務的泛在化、高速化和便捷化的必然選擇,也是未來的物聯網頻譜資源共享亟待解決的問題。
感知節(jié)點既能采集物體本身的有關信息,也能探測、存儲、處理乃至融合各種與物體相關的信息,從而向物聯網提供事物的連接性和各種關聯信息。
微電子技術、嵌入式技術、近距離通信技術、傳感器技術和智能標簽技術等的發(fā)展與成熟使得感知節(jié)點能夠智能地感知物體與環(huán)境并對其進行通信、處理和控制。感知節(jié)點方面的關鍵技術有:支持感知內容的多媒體化的感知節(jié)點技術、感知節(jié)點組合化的關鍵技術、感知節(jié)點的設計和低成本制造、感知節(jié)點在組網和協同方面的軟硬件框架等。
RFID是物聯網中重要的感知節(jié)點,在物品編碼、物品流通、自動配送等領域有著重要的應用。它融合了信息技術、計算機技術、網絡技術、射頻技術等前沿科技。RFID利用射頻信號或空間耦合(電感或電磁耦合)的傳輸特性,實現對物體或商品的自動識別。目前有源標簽、無源標簽及半無源標簽均得到了發(fā)展,標簽成本不斷降低,行業(yè)的應用規(guī)模不斷擴大。
電子代碼EPC(electronic product code)有可能成為物聯網中的物體識別代碼。EPC與RFID技術推動了物聯網的發(fā)展和應用。物聯網需要多樣化、小型化、智能化和低成本的感知終端。物聯網中的物體和終端需要唯一的標識地址,終端編址可能采用IPv6,而物體編址則可能采用EPC。
泛在傳感網是物聯網末梢所采用的關鍵技術之一。泛在傳感網是由多個傳感節(jié)點組成的分布式無線自組織網絡,用來感知物體周圍環(huán)境的物理參數發(fā)生變化的信息,一般提供局域或小范圍內物與物之間的信息交換。由感知節(jié)點組成的末梢網絡,如傳感器網、RFID、家居網、個域網、局域網、體域網、車域網等,連接到物聯網的異構融合網絡上,從而形成一個泛在互聯的網絡。
泛在傳感網的研究已經取得了一些重要的進展,形成了一些典型的傳感器節(jié)點平臺,也有了各種傳感器網通信協議,中間件技術的研究也相繼展開,協同控制等應用研究也取得了初步成果。
業(yè)務支撐首先需要研究物聯網的應用場景和業(yè)務需求。物聯網中需要考慮物對物、人對物和人對人通信,需要考慮行業(yè)應用、家庭應用、個人應用、接入方式等?;跇I(yè)務場景和業(yè)務需求研究,進行業(yè)務功能和特征分析,定義通用的業(yè)務功能,然后抽象物聯網網絡資源,設計可擴展地支持各類業(yè)務和復雜合成業(yè)務提供的業(yè)務架構、研發(fā)業(yè)務分發(fā)平臺和第三方開放業(yè)務接口平臺,實現與底層異構網絡無關性的業(yè)務分發(fā)機制。以面向行業(yè)信息化服務為主,個人公共服務為輔,構建公共技術和業(yè)務平臺。
物聯網的業(yè)務支撐體系需要結合P2P、云計算等分布式計算技術對數據進行智能分析和處理。在開放式的物聯網環(huán)境中采用云計算非常必要。首先,因為物聯網業(yè)務類型多、涉及行業(yè)廣、應用類型差別大,業(yè)務數據量巨大等特性,傳統(tǒng)的硬件環(huán)境難以支撐;第二,運營商積累了大量閑置的計算能力和存儲能力,從綠色環(huán)保角度有必要加以利用;第三,隨著業(yè)務開發(fā)者、應用部署數量的增加,對物聯網的計算能力要求呈增長趨勢,需要引入彈性計算能力,而云計算具備這樣的能力。
物聯網將對信息進行綜合分析并提供更智能的綜合服務。物聯網應用平臺子集與共性支撐平臺之間的關系、共性服務平臺的開放性與規(guī)范性是物聯網應用部署所要研究的關鍵問題。
云計算是建立物聯網綜合服務平臺的關鍵技術。“云”是一種提供資源的平臺。云計算是一種商業(yè)計算模型。它將計算任務分布在大量計算機構成的資源池(平臺)上,使各種應用系統(tǒng)能夠根據需要獲取計算力、存儲空間和信息服務。云計算的應用包含這樣的一種思想,把力量聯合起來,給其中的每一個成員使用。
物聯網服務平臺技術向上層應用提供開放的接口,向下層屏蔽各種不同接入方式的差異,提供通用的標識、路由、尋址、管理、業(yè)務提供、業(yè)務控制與觸發(fā)、QoS控制、安全性、計費等功能,這些功能通過中間件(middleware)技術、對象名稱解析服務(ONS, object name service)技術、物理標記語言(PML,physical markup language)等關鍵技術來實現。
物聯網中終端設備數量龐大,因此物聯網除了具有傳統(tǒng)網絡的安全問題外,還有其自身特殊的安全問題。物聯網的各個層都有其特殊的安全問題需要研究。
感知節(jié)點多數部署在無人監(jiān)控的場合中,攻擊者可以輕易地實現破壞。傳感器網絡、自組織網絡等末梢網的節(jié)點能量有限,不能采用復雜的安全方案。蜂窩移動網絡是物聯網主要的接入網,本身存在安全問題。核心網絡具有相對完整的安全保護能力,但物聯網中節(jié)點數量龐大且集群存在,因此可能引起網絡阻塞,現有安全機制會割裂物聯網設備間的邏輯關系。多樣化的大量物聯網應用平臺需要一個強大而統(tǒng)一的安全管理平臺。因此需要系統(tǒng)性地為物聯網研發(fā)安全保護機制。
目前物聯網很熱,各行各業(yè)以及各個地區(qū)的物聯網應用都有各自的標準,這就導致不同的物聯網應用項目難以互通,成為一個個信息“孤島”。與此同時,沒有統(tǒng)一的標準,物聯網也難以實現廣域化全程全網的應用。一個地方的成功案例,也難以到其他地方復制。標準也是一種生態(tài)環(huán)境,要營造一種生態(tài)健康、開放的物聯網環(huán)境,就必須在世界物聯網標準舞臺上具有話語權;就是要推動和形成我國物聯網、泛在網標準領域的核心標準與專利。
在國際標準化方面,與物聯網、泛在網和傳感網研究相關的標準化組織非常多。
1)歐洲電信標準協會M2M技術委員會(ETSIMTC)
ETSI專門成立了一個專項小組(M2M TC)研究機器對機器(M2M)技術標準化。ETSI成立M2M TC主要是考慮目前雖然已經有一些M2M的標準存在,涉及各種無線接口、格狀網絡、路由和標識機制等,但這些標準主要是針對某種特定應用場景的。ETSI M2M TC的主要研究目標是從端到端的全景角度研究機器對機器通信,并與3GPP已有的研究進行協同工作。
2)3GPP的M2M標準
3GPP針對M2M的研究主要從移動網絡出發(fā),研究M2M應用對網絡的影響,包括網絡優(yōu)化技術等。3GPP對于M2M的研究范圍為:只討論移動網的M2M通信;只定義M2M業(yè)務,不具體定義M2M應用;無線側和網絡側的改進。3GPPM2M領域的工作組包含SA1、SA2、SA3、RAN1、RAN2、RAN3和RAN4。
3)ITU-T SG16 AMS
2007年,Cisco的Paul E. Jones等向ITU-T SG16提交了介紹高級多媒體系統(tǒng)(AMS,advanced multimedia system)的文稿,隨后ITU-T SG16啟動AMS的研究,并將H.325預留給AMS。AMS的目標是創(chuàng)建新的多媒體終端和系統(tǒng)架構以支持分布式富媒體協作的環(huán)境。
文獻[4]分析預測,未來物聯網的發(fā)展將經歷4個階段:2010年之前RFID廣泛應用于物流、零售和制藥領域,2010—2015年間實現物體互聯,2015—2020年間物體進入半智能化,2020年之后物體進入全智能化。目前物聯網相關技術仍在初級發(fā)展階段,離物與物之間的普遍互連的遠期目標還存在較大差距。
本文研究提出了發(fā)展物聯網的核心技術思想就是多域融合共享和泛在綜合服務。
多域融合共享的目標就是實現多域間的資源融合和服務共享,其理念的本質是未來所有的網絡域都可以協同融合,不受限地承載多種信息化業(yè)務,創(chuàng)造出更多種的融合業(yè)務,而不是多個網域合成一個網域,因此多域融合不是多域合一。多域融合是現代信息技術領域融合發(fā)展的必然趨勢。
多域融合是為了實現多域資源和服務的共享,避免低水平的重復建設,形成適應性廣、容易維護、費用低的高速寬帶的多媒體基礎平臺。
異構網絡分別在向后互聯網時代的發(fā)展和演進過程中,網絡的功能趨于一致、業(yè)務范圍趨于相同,都可以為用戶提供打電話、上網和看電視等多種服務。
物聯網發(fā)展中最重要的技術之一就是融合。物聯網通過設備融合、網絡融合、平臺融合實現服務融合、業(yè)務融合和市場融合。設備融合指研發(fā)出一體化的感知終端。網絡融合指用戶可使用任意終端(移動臺、PDA、PC等)通過任一方式接入網絡(WLAN、GPRS、3G網絡等),而且號碼唯一、賬單唯一。平臺融合指用戶數據集中管理、公用的業(yè)務平臺、分類的管理平臺和應用平臺,支撐用戶跨業(yè)務系統(tǒng)的互操作,形成統(tǒng)一認證系統(tǒng),實現基于統(tǒng)一賬號、統(tǒng)一密碼的集中認證。服務融合指在服務層面實現融合,例如在固話和移動網絡之間共享收信人的地址、電話號碼、用戶名稱等。業(yè)務融合指物聯網同時提供語音、數據、視頻等多種業(yè)務。市場融合就是以市場機制為引導,把各類通信和信息產品和服務捆綁起來打包銷售。
物聯網的技術思想可以定義為利用“泛在網絡”實現“泛在服務”,是一種更加廣泛深遠的未來網絡應用形態(tài);其原意是用網絡形式將世界上的物體都連接在一起,使世界萬物都可以主動上網。它的基本方式是將射頻識別設備(RFID)、傳感設備、全球定位系統(tǒng)或其他信息獲取方式等各種創(chuàng)新的傳感科技嵌入到世界的各種物體、設施和環(huán)境中;把信息處理能力和智能技術通過互聯網注入到世界的每一個物體里面,令物質世界被極大程度地數據化并賦予生命;物聯網希望世界萬物能夠擬人化地上網,使物體會“說話”、會“思考”、會“行動”。
物聯網的本質就是借助于網絡智慧化的實現,把各種事物以信息化的方式通過網絡表現出來;物品能夠利用RFID等傳感技術彼此進行智慧“交流”,而無需人的干預;通過互聯網實現物品的自動識別和信息的互聯與共享。
物聯網最為明顯的特征是物物相連,而無需人為干預,從而極大程度地提升了效率,同時降低了人工帶來的不穩(wěn)定性。因此,物聯網在行業(yè)應用中將發(fā)揮無窮的潛力。比如,將感應器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中,然后將“物聯網”與現有的互聯網整合起來,實現人類社會與物理系統(tǒng)的整合。
在一個網絡物理平臺上提供多種業(yè)務,這才是多域資源和服務融合的真正內涵。真正的多域融合以后,將會提供一個統(tǒng)一的網絡平臺,所有的業(yè)務就都可以在這個網絡平臺上實現,當然,接入方式是多種多樣的,但整個網絡將會是一個統(tǒng)一、融合的網。融合后的網絡,將能夠為用戶的使用帶來極大的方便。
到2020年,全球物和物互聯業(yè)務與現有的人和人互聯業(yè)務之比將達到30︰1,因此,“物聯網”被稱為是下一個萬億級的通信業(yè)務;到2035年前后,中國的物聯網終端將達到數千億個;到2050年,物聯網將在生活中無處不在。
物聯網時代的到來確實給我們帶來了千載難逢的機遇,各行各業(yè)如何在未來信息服務產業(yè)新一輪競爭中占領制高點,搶占先機,掌握主動權,引領世界信息化的發(fā)展與建設,全面推動社會的經濟振興和社會進步。這就是物聯網的核心價值。
根據上述多域融合共享和泛在智慧服務的物聯網技術思想,本文研究了智慧化綜合服務平臺的技術體系結構并且建立了相應的實驗理論模型。在實驗理論模型中,將物聯網的綜合服務平臺從技術體系上分為7層:第1層是物品,第2層是對物品的連接與信息的感知,第3層是融合網絡和共享資源,第4層融合數據和智能處理,第5層是融合業(yè)務和智慧服務,第6層是統(tǒng)一門戶和身份認證,第7層是用戶。
在智慧化綜合服務平臺實驗理論模型的基礎上,根據未來物聯網的市場應用、服務需求、商業(yè)模式和產業(yè)結構,研究建立了實現物聯網泛在綜合服務的商務應用模型。該模型的核心思想是建立一個共享的融合平臺,對所有用戶需求的各類業(yè)務進行公共經營,提供智慧化服務,所以稱之為“智慧服務商店”,簡稱為“3S商店”(smart service store)。
在3S商店的商務應用模型中,根據服務經營的功能需求建立了4個虛擬的融合平臺,即資源融合平臺、信息融合平臺、業(yè)務融合平臺和終端融合平臺。任意終端用戶都可以用統(tǒng)一的身份認證通過統(tǒng)一的門戶進入這個商店,去利用商店所有的資源,享受商店所有的服務,從而實現了資源的融合和服務的共享。
在3S商店的服務環(huán)境下,服務的提供者可以開放地提供信息和計算資源,服務的運營者可以開放地組織和經營服務,服務的使用者可以安全地、方便地、無所不在地得到他們所需的智慧化服務;在這一環(huán)境下,每個服務的使用者都能夠使異構的傳感和終端末梢、不同運營商的通信系統(tǒng)、各種來源的數據和信息、復雜多變的應用無縫銜接,為己所用,方便個人和家庭的生活,方便企業(yè)的運營和管理,方便政府的社會服務;在這一環(huán)境下,通過服務的運營,服務提供者、服務運營者、服務使用者的各自價值得到實現,推動信息產業(yè)的發(fā)展,推動社會的發(fā)展;實現網絡是融合的、資源是共享的、業(yè)務是集成的、用戶是異構的、服務是智慧的這一滿足“感知中國”發(fā)展需求的目標。
根據以上建立的物聯網綜合服務的實驗理論模型和商務應用模型,在南京郵電大學校園里研究開發(fā)了實用的智慧綜合服務示范實驗系統(tǒng)——“智慧校園”實驗系統(tǒng),并且在研發(fā)的同時以全校師生為實際用戶開始示范應用。
在智慧校園的平臺基礎上,研究建立了實驗性的“物聯網科技園智慧服務商店”,面向社會開放經營。目前已經開始與全國數十家企業(yè)共同合作研發(fā),并將百余種不同類型的服務融合在這個商店的平臺上進行集中感知和展示。
在互聯網時代,已經形成了以網絡運營業(yè)為龍頭,網絡設備制造業(yè)為支撐,信息服務業(yè)為補充的互聯網產業(yè)結構。
本文將后互聯網時代理解為互聯網發(fā)展進入的一個新歷史階段,物聯網的應用將成為這個階段重要標志,其時代特征將是基于互聯網的產業(yè)應用和智慧服務。后互聯網時代信息產業(yè)需進行重組,將形成以新興信息服務業(yè)為龍頭,網絡運營業(yè)為支撐,網絡設備制造業(yè)為補充的后互聯網產業(yè)結構。
后互聯網的未來發(fā)展應該重點在于網絡末梢效應及其邊緣價值,而物聯網發(fā)展的關鍵就在于利用網絡形式與世界萬物的聯結性和應用性。
在物聯網的發(fā)展中,承載網絡和關鍵技術依然存在很多需要解決的問題,甚至尚有不少還在探討,沒有定論。但技術和網絡只是實現的手段,物聯網真正的核心在于服務和應用。服務和應用始終是物聯網的核心所在,發(fā)展物聯網也必須面向應用來開發(fā)。需要建立輻射全國的綜合智慧服務體系,形成具有物聯網產業(yè)特征的國家新興信息產業(yè)鏈。
商業(yè)模式創(chuàng)新和變革將是物聯網應用發(fā)展的焦點,物聯網應用的商業(yè)模式之一應該是把網絡經營和服務經營分離;要探討建立全新的物聯網服務商店,需要建立起獨立的服務運營商概念。
在努力找尋增值服務機會的新興經濟領域,這樣的商機同樣吸引了包括網絡運營商和設備制造商在內的從產業(yè)鏈高端到中間環(huán)節(jié)的進入者。在物聯網的生態(tài)圈內,需要更多的開放和合作,來建立新的經濟商業(yè)模式。必須加快打造戰(zhàn)略新興產業(yè),促進新興經濟發(fā)展。
所以在后互聯網時代的國家產業(yè)發(fā)展策略應當是在加快發(fā)展傳感技術產業(yè)的同時,以綜合服務業(yè)為龍頭優(yōu)先發(fā)展基于網絡的新興智慧服務產業(yè),以社會發(fā)展的應用需求為導向。
物聯網不僅需要技術革命,它更是牽涉到新興經濟領域各個行業(yè)、各個產業(yè)的發(fā)展,需要多種力量的整合。這就需要國家的新興經濟產業(yè)政策和立法上要走在前面,要制定出適合新興產業(yè)發(fā)展的政策和法規(guī),保證新興經濟的正常發(fā)展。對于物聯網時代的新興經濟發(fā)展,必須要有政府的政策支持,政府必須要有專門人員和專門機構來研究和協調,物聯網才能在真正意義上帶動新興經濟的發(fā)展而大有作為。
物聯網發(fā)展過程中的各個應用層面都會有大量的技術出現,可能會采用不同的應用技術方案。如果各行其是,那結果將是災難性的。大量孤立的異構專用網,相互間如果無法進行連通和聯網,將不能形成規(guī)模經濟,不能形成整合的商業(yè)模式,也不能降低經濟服務成本。因此,在全國范圍內盡快統(tǒng)一技術標準,形成一個管理機制,這是物聯網未來應用馬上就要面對的問題;但是如果沒有政府和專門的部門來管理和協調,沒有相應的政策和法規(guī),也就沒有標準的統(tǒng)一與協調。
(摘自《通信學報》2010年11期)