物聯(lián)網(wǎng)與電信網(wǎng)融合技術(shù)

1 物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)(Intemet ofthings)的概念于1999年由美國麻省理工大學(xué)提出，目前業(yè)界并沒(méi)有統一、精確的定義。早期的物聯(lián)網(wǎng)是依托射頻識別(RFID)技術(shù)的物流網(wǎng)絡(luò )，隨著(zhù)技術(shù)和應用的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的內涵已經(jīng)發(fā)生了較大變化。在新的時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)是指在物理世界的實(shí)體中部署具有一定感知能力、計算能力和執行能力的嵌入式芯片和軟件，使之成為“智能物體”，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )設施實(shí)現信息傳輸、協(xié)同和處理，從而實(shí)現物與物、物與人之間的互聯(lián)。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。

在感知領(lǐng)域的另外一個(gè)術(shù)語(yǔ)就是傳感網(wǎng)，它將大量、多種類(lèi)傳感器節點(diǎn)(傳感、采集、處理、收發(fā)、網(wǎng)絡(luò )于一體)組成自治的網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現對物理世界的動(dòng)態(tài)協(xié)同感知?？梢钥闯?，傳感網(wǎng)是以感知為目的的物物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )。從用戶(hù)或產(chǎn)業(yè)應用的角度也被稱(chēng)為物聯(lián)網(wǎng)，因此傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的概念本質(zhì)上是相同的。兩個(gè)概念的使用場(chǎng)景存在一定差異，傳感網(wǎng)是實(shí)現物物通信的重要手段和基礎設施。因此更多的是從實(shí)現的角度來(lái)描述網(wǎng)絡(luò )本身。而物聯(lián)網(wǎng)則從應用的角度來(lái)描述物物通信的網(wǎng)絡(luò )，在本文中根據實(shí)際情況，兩種概念均會(huì )使用。

明確的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展已有5 年歷史.日本最早于2004年提出以發(fā)展泛在網(wǎng)絡(luò )社會(huì )為目標的U- Japan構想，計劃于2O04—2007年共投入29億美元，預計到2010年將帶來(lái)371億美元的直接收益。韓國提出了U.Korea戰略及 IT839戰略，計劃到2010年共投入700億美元，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展是其中三大基礎建設之一。2009年4月，美國政府公布了40億美元智能電網(wǎng)投資計劃.智能電網(wǎng)在現有電網(wǎng)基礎上，通過(guò)在發(fā)電、輸電等各個(gè)環(huán)節引入先進(jìn)的傳感和測量技術(shù)、控制方法以及決策支持系統實(shí)現電網(wǎng)高可靠、高效運行。智能電網(wǎng)可以實(shí)現高壓輸電線(xiàn)安全監控、電力設備工作情況監控、智能用戶(hù)需求響應、實(shí)時(shí)定價(jià)、停電檢測、電能質(zhì)量監測等目標。美國能源部預計這一計劃在未來(lái)20年內將節省投資800億美元。

2 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節可以歸納為“感知、傳輸、處理”，實(shí)現“及時(shí)、精確、全面地獲取和處理信息，達到科學(xué)決策、降低成本、提高效率、保護環(huán)境、增強安全等目標，更加有利于人類(lèi)的可持續性發(fā)展”。其中，傳感技術(shù)、納米技術(shù)、嵌入式智能技術(shù)、射頻識別技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò )和通信技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和廣泛應用提供了基礎。

(1)傳感器與傳感節點(diǎn)技術(shù)

傳感器是指能感知預定的被測指標并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。傳感器的類(lèi)型多樣，可以按照用途、材料、輸出信號類(lèi)型、制造工藝等方式進(jìn)行分類(lèi)。常見(jiàn)的傳感器有速度傳感器、熱敏傳感器、壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液面傳感器、能耗傳感器、加速度傳感器、射線(xiàn)輻射傳感器、振動(dòng)傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器等。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，新的傳感器類(lèi)型也不斷產(chǎn)生。傳感器的應用領(lǐng)域非常廣泛，包括工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、國防現代化、航空技術(shù)、航天技術(shù)、能源開(kāi)發(fā)、環(huán)境保護與生物科學(xué)等。

隨著(zhù)納米技術(shù)和微機電系統(MEMS)技術(shù)的應用.傳感器尺寸的減小和精度的提高，也大大拓展了傳感器的應用領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器節點(diǎn)由數據采集、數據處理、數據傳輸和電源構成。節點(diǎn)具有感知能力、計算能力和通信能力，也就是在傳統傳感器基礎上，增加了協(xié)同、計算、通信功能，構成了傳感器節點(diǎn)。智能化是傳感器的重要發(fā)展趨勢之一，嵌入式智能技術(shù)是實(shí)現傳感器智能化的重要手段，其特點(diǎn)是將硬件和軟件相結合，利用了嵌入式微處理器的低功耗、體積小、集成度高和嵌入式軟件的高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)結合人工智能技術(shù).推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)中智能環(huán)境的實(shí)現。

(2)射頻識別技術(shù)

射頻識別(RFID)技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)，通過(guò)射頻信號自動(dòng)識別目標對象并獲取相關(guān)數據。RFID為物體貼上電子標簽，實(shí)現高效靈活管理，是物聯(lián)網(wǎng)的支撐技術(shù)之一。典型的RFID系統由電子標簽、讀寫(xiě)器和信息處理系統組成。當帶有電子標簽的物品經(jīng)過(guò)特定的信息讀寫(xiě)器時(shí).標簽被讀寫(xiě)器激活并通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波將標簽中攜帶的信息傳送到讀寫(xiě)器以及信息處理系統，完成信息的自動(dòng)采集工作。信息處理系統根據需求承擔相應的信息控制和處理工作。

(3)網(wǎng)絡(luò )和通信技術(shù)

傳感網(wǎng)依托網(wǎng)絡(luò )和通信技術(shù)實(shí)現感知信息的傳遞和協(xié)同。傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)分為兩類(lèi)：近距離通信和廣域網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)等。在廣域網(wǎng)絡(luò )通信方面，IP互聯(lián)網(wǎng)、 2G/3G移動(dòng)通信、衛星通信技術(shù)等實(shí)現了信息的遠程傳輸。特別是以IPv6為核心的下一代互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，將為每個(gè)傳感器分配IP地址創(chuàng )造可能，也為傳感網(wǎng)的發(fā)展創(chuàng )造了良好的基礎網(wǎng)條件在近距離通信方面，以IEEE 802.15.4為代表的近距離通信技術(shù)是目前的主流技術(shù)，805.15.4規范是 IEEE制定的用于低速近距離通信的物理層和媒體接人控制層規范，工作在工業(yè)科學(xué)醫療(ISM)頻段，免許可證的2.4 GHz ISM頻段全世界都可通用。802.15.4的低功耗、低速率和短距離傳輸的特點(diǎn)使它非常適宜支持計算和存儲能力有限的簡(jiǎn)單器件。

隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步擴展，業(yè)界開(kāi)始研究如何通過(guò)一種新型的低功耗網(wǎng)絡(luò )連接技術(shù)將IP的使用擴展到資源受限的傳感器節點(diǎn)設備上，IETF 6LowPAN工作組負責研究的 Iev6over 802.15.4協(xié)議，在應用層和MAC層之間增加了一個(gè)適配層，使得IPv6可以在802.15.4網(wǎng)絡(luò )上實(shí)現高效通信，從而逐步實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的融合。目前IETF在該領(lǐng)域已經(jīng)形成兩個(gè)RFC：RFC 4919和RFC 4944。物聯(lián)網(wǎng)能夠整合上述所有技術(shù)的功能.實(shí)現一個(gè)完全交互式和反應式的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境。

3 物聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)的融合需求及架構

傳感網(wǎng)南部署在觀(guān)察區域內大量的微型傳感器節點(diǎn)組成，主要通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成多跳的自組織網(wǎng)絡(luò )系統，目的是協(xié)作感知、采集網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中感知對象的信息，并傳送給觀(guān)察者。典型的傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )結構如圖1所示.由傳感器節點(diǎn)、關(guān)口節點(diǎn)(sink node)組成。傳感器節點(diǎn)通過(guò)自組織方式構成網(wǎng)絡(luò )，節點(diǎn)之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式進(jìn)行通信.并通過(guò)多跳方式將感知到的數據傳到關(guān)口節點(diǎn)，關(guān)口節點(diǎn)借助長(cháng)距離通信將區域的數據傳送到遠程的應用中心。由于傳感網(wǎng)節點(diǎn)數量眾多，采集的數據量大，因此數據通常需進(jìn)行節點(diǎn)間的協(xié)同處理和融合匯聚。

目前.大多數的傳感網(wǎng)應用僅僅是孤立應用系統，相互之間沒(méi)有關(guān)聯(lián)和交互。要想真正達到物聯(lián)網(wǎng)確定的最終目標，就必須實(shí)現和電信網(wǎng)的融合，打破這種孤立的形態(tài)，形成新一代物聯(lián)網(wǎng)。如IETF 6LowPAN工作組所做的工作，傳感器和IP互聯(lián)網(wǎng)的融合已是不可避免的趨勢，即傳感器將逐步IP化，互聯(lián)網(wǎng)的功能范圍將從個(gè)人電腦等傳統終端逐漸擴展到傳感器節點(diǎn)中，傳感器節點(diǎn)將真正成為電信網(wǎng)中的一個(gè)終端節點(diǎn)。

圖1 傳感網(wǎng)通信方式示意圖

傳感網(wǎng)絡(luò )有別于其他網(wǎng)絡(luò )的特征有：

· 節點(diǎn)處理能力低、內存小，能力有限：

· 節點(diǎn)電源小，蓄電少;

· 通信失敗率高.帶寬低，鏈接失敗率高;

· 環(huán)境條件相對苛刻，節點(diǎn)故障或互聯(lián)出問(wèn)題的幾率較大：

· 傳感節點(diǎn)、傳感網(wǎng)絡(luò )、傳感業(yè)務(wù)單元都應支持移動(dòng)性(但事實(shí)上受限于硬件能力，傳感網(wǎng)絡(luò )可能不完全支持可移動(dòng)性);

· 動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò )拓撲，傳感節點(diǎn)會(huì )比較頻繁地進(jìn)入或脫離拓撲，使得網(wǎng)絡(luò )拓撲發(fā)生變化;

· 異質(zhì)節點(diǎn)共存，單個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應用可能涉及多個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò )，這些傳感網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)可能使用不同的物理地址，甚至不同協(xié)議(IP或非IP);

· 地理部署范圍廣。

物聯(lián)網(wǎng)能夠為各種用戶(hù)群提供廣泛的應用.包括普通消費者、公共機構、政府、企業(yè)等。為了支持更廣泛的應用，電信NGN中需要再增加或擴展針對物聯(lián)網(wǎng)需求的功能(簡(jiǎn)稱(chēng)NGN擴展功能)，目前這一塊工作也是國際標準化組織的熱點(diǎn)工作之一。韓國的電子和通信研究所(ETRI)在ITU.T SG13組提交的 USN (ubiquitous sensor network，無(wú)所不在的傳感網(wǎng)絡(luò ))總體架構，其中包括物理傳感網(wǎng)絡(luò )、NGN、USN中間件以及USN上層應用。各種傳感器網(wǎng)絡(luò )在最靠近用戶(hù)的地方組成無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，用戶(hù)在此環(huán)境中使用各種服務(wù)。電信的NGN網(wǎng)絡(luò )在其中則作為核心處理平臺為USN提供支持。ITU.T的USN可以理解為物聯(lián)網(wǎng)，USN和電信NGN的網(wǎng)絡(luò )逐步實(shí)現融合。

隨著(zhù)電信網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的融合.物聯(lián)網(wǎng)應用也對NGN網(wǎng)絡(luò )能力提出了新的要求。電信網(wǎng)應能為物聯(lián)網(wǎng)提供如下的管理能力：網(wǎng)絡(luò )管理、業(yè)務(wù)管理、移動(dòng)性管理、服務(wù)質(zhì)量管理、安全性管理、位置服務(wù)、認證鑒權能力、計費能力等，具體要求如下。

(1)網(wǎng)絡(luò )管理

按照對于IP支持程度的不同，傳感網(wǎng)可分為基于IP的傳感網(wǎng)絡(luò )和非IP的傳感網(wǎng)絡(luò )。在通信方式上有無(wú)線(xiàn)連接和有線(xiàn)連接。這些不同的傳感網(wǎng)在特定的物聯(lián)網(wǎng)應用中共存.因此需要NGN能夠管理不同類(lèi)型的傳感網(wǎng)絡(luò )?；诜荌P網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)通常通過(guò)網(wǎng)關(guān)對其進(jìn)行管理，而基于IP網(wǎng)絡(luò )的傳感網(wǎng)絡(luò )則被作為一個(gè)子網(wǎng)直接進(jìn)行管理。其次，傳感網(wǎng)中經(jīng)常會(huì )發(fā)生單個(gè)節點(diǎn)硬件故障或者鏈路失敗，但傳感網(wǎng)本身不能由于單個(gè)故障而中斷工作，因此，NGN網(wǎng)絡(luò )應支持傳感器網(wǎng)絡(luò )的配置，以實(shí)現連接保障和對于傳感器節點(diǎn)生命周期的管理。

(2)業(yè)務(wù)信息(profile)

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中.多個(gè)應用會(huì )同時(shí)使用單個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò )采集的數據，由于不同應用的用戶(hù)要求不同，所以要求物聯(lián)網(wǎng)能夠對同一批傳感數據根據需求的不同進(jìn)行不同的處理。物聯(lián)網(wǎng)信息管理就是一種支持不同特性和需求的傳感數據的管理方式。業(yè)務(wù)信息庫由物聯(lián)網(wǎng)應用的信息單元組成，其中存儲了業(yè)務(wù)標識、數據類(lèi)型、業(yè)務(wù)提供者、位置信息等。NGN擴展功能需要支持采用一套標準的業(yè)務(wù)信息庫來(lái)注冊和發(fā)現物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。

(3)設備信息管理

設備信息管理包括傳感網(wǎng)絡(luò )和傳感節點(diǎn)的設備信息.在特定情況下，設備信息可以和業(yè)務(wù)信息關(guān)聯(lián)。設備信息包括傳感網(wǎng)絡(luò )標識、設備標識、設備類(lèi)型、設備能力、設備位置等。由于未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)中傳感器、傳感節點(diǎn)和傳感網(wǎng)絡(luò )均存在多樣性，因此設備信息管理需要支持管理大量的異類(lèi)節點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò )。
　(4)業(yè)務(wù)注冊和發(fā)現管理

為了發(fā)現物聯(lián)網(wǎng)應用和業(yè)務(wù)，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需要提前注冊到業(yè)務(wù)目錄中。由于業(yè)務(wù)種類(lèi)多樣，需要采用一套標準的業(yè)務(wù)描述信息和描述語(yǔ)言，從而提高業(yè)務(wù)注冊和發(fā)現的效率。物聯(lián)網(wǎng)使用者和應用可以通過(guò)提交一個(gè)或者多個(gè)業(yè)務(wù)屬性來(lái)發(fā)現已注冊的業(yè)務(wù)。在部分應用中，傳感網(wǎng)中的設備需要和業(yè)務(wù)一樣提前注冊。物聯(lián)網(wǎng)使用者或應用通過(guò)提交一個(gè)或者多個(gè)設備屬性來(lái)發(fā)現注冊的業(yè)務(wù)。如果設備擁有者不希望被別人發(fā)現和訪(fǎng)問(wèn)，該設備可以不進(jìn)行注冊。

(5)服務(wù)質(zhì)量(QoS)保障

QoS保障機制在某些物聯(lián)網(wǎng)應用場(chǎng)景中是非常重要的，比如傳感網(wǎng)采集的火警報警信息傳送。由于未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )是構建在現有基礎網(wǎng)絡(luò )之上的，所以物聯(lián)網(wǎng)自身應能夠根據業(yè)務(wù)要求為應用和數據打上QoS標識，而且這些標識應該是基礎網(wǎng)絡(luò )能夠識別的。除了標識機制外，提高傳輸效率和資源管理效率也是保障QoS的重要手段。

(6)連接管理

在基于IP的傳感網(wǎng)絡(luò )中，物聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)和傳感網(wǎng)之問(wèn)也通過(guò)IP實(shí)現組網(wǎng)。在這種情況下，傳感節點(diǎn)直接連接到基礎網(wǎng)絡(luò )中(通常情況下傳感節點(diǎn)是通過(guò)網(wǎng)關(guān)直接接人的)。在基于非IP網(wǎng)絡(luò )的傳感網(wǎng)絡(luò )中，由于傳感節點(diǎn)都沒(méi)有IP地址，所以用戶(hù)和傳感網(wǎng)之間是通過(guò)傳感網(wǎng)關(guān)實(shí)現組網(wǎng)互聯(lián)的。不同類(lèi)型的傳感網(wǎng)必須能連接到基礎網(wǎng)絡(luò )中.即NGN擴展功能支持傳感網(wǎng)和基礎網(wǎng)絡(luò )之間的連接，不管這些網(wǎng)絡(luò )是 IP還是非IP、無(wú)線(xiàn)還是有線(xiàn)的。

(7)移動(dòng)性管理

傳感網(wǎng)對移動(dòng)的支持包括兩個(gè)方面：一是傳統的傳感網(wǎng)自身對傳感器節點(diǎn)移動(dòng)性的支持：二是能夠將現有的移動(dòng)IP技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò )結合，形成一個(gè)低功耗、低速率要求的新型物聯(lián)網(wǎng)絡(luò )。前者可以通過(guò)傳感器自身的移動(dòng)技術(shù)實(shí)現，這種移動(dòng)不會(huì )影響到基礎網(wǎng)絡(luò )的拓撲。第二種情況描述的是整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )在不同的網(wǎng)絡(luò )間移動(dòng)(如在NGN網(wǎng)絡(luò )和非NGN網(wǎng)絡(luò )間)，稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò )移動(dòng)性，此時(shí)要求NGN能夠支持傳感器在網(wǎng)絡(luò )間移動(dòng)，并支持對于傳感器節點(diǎn)移動(dòng)時(shí)的位置信息管理。

(8)其他要求

由于傳輸數據的敏感度，傳感網(wǎng)的應用和服務(wù)應該有較高的安全性要求。但傳感節點(diǎn)本身受制于很多條件，無(wú)法配合進(jìn)行安全性處理，比如數據加密，因此要求傳感網(wǎng)應用支持密鑰管理;另外，傳感網(wǎng)的安全機制應能夠與電信網(wǎng)絡(luò )安全機制協(xié)同工作。其次，NGN擴展功能必須能夠完成傳感網(wǎng)上用戶(hù)的認證鑒定和授權功能，能夠有效地防止非授權用戶(hù)接人非授權的服務(wù)、資源和數據。根據傳感網(wǎng)使用場(chǎng)景的要求，傳感網(wǎng)需要根據不同的數據傳播方式提供不同營(yíng)賬和計費服務(wù)。

4 物聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)的融合舉措

隨著(zhù)傳感器器件芯片和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展.傳感器技術(shù)將進(jìn)一步成熟。在這種情況下，以傳感器技術(shù)為核心的物聯(lián)網(wǎng)將和電信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行深度融合。隨著(zhù)形勢的變化.國家開(kāi)始高度重視物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，我國運營(yíng)商需要密切關(guān)注國家在相關(guān)領(lǐng)域的政策動(dòng)向和標準化進(jìn)展。并積極參與標準的制定，引導產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。傳感器是電信網(wǎng)的神經(jīng)末梢延伸，物聯(lián)網(wǎng)是電信運營(yíng)商成為綜合信息服務(wù)提供商的必要組成部分。近期的重點(diǎn)是拓展物聯(lián)網(wǎng)和電信寬帶網(wǎng)絡(luò )的融合，特別是與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )和下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )的融合。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)采集更豐富、更全面的價(jià)值信息，開(kāi)發(fā)更多新型業(yè)務(wù)，提升市場(chǎng)競爭力。

在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中，電信運營(yíng)商建立并重點(diǎn)提供感知網(wǎng)絡(luò )解決方案和平臺服務(wù)，使客戶(hù)傳感網(wǎng)絡(luò )和電信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行融合，讓客戶(hù)更好地收集和使用實(shí)體信息.作為電信網(wǎng)絡(luò )的延伸。隨著(zhù)國內電信重組的完成，我國三大運營(yíng)商均成為具有有線(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò )和覆蓋全國的移動(dòng)網(wǎng)的全業(yè)務(wù)運營(yíng)商，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)應用具有良好的基礎網(wǎng)絡(luò )優(yōu)勢.電信網(wǎng)絡(luò )的邊緣設備和終端可以作為中層的匯聚節點(diǎn)及大容量傳感節點(diǎn)，因此需要逐步升級相關(guān)網(wǎng)絡(luò )邊緣設備的規范，規范物聯(lián)網(wǎng)與電信網(wǎng)絡(luò )的融合方案和接口.引導業(yè)界采用標準接口開(kāi)發(fā)傳感器產(chǎn)品。在現有網(wǎng)絡(luò )架構基礎上，建立物聯(lián)網(wǎng)應用的業(yè)務(wù)管理平臺和感知數據庫。做好統一標識規劃，并實(shí)現和其他管理系統的協(xié)同。制定終端內感知功能實(shí)現規范，推動(dòng)手機等通信終端成為具備通信、感知和處理的綜合信息終端，增強用戶(hù)粘度，推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)走向公眾應用。