物聯(lián)網(wǎng)與電信網(wǎng)融合策略探討
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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)界并沒有統(tǒng)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)，隨著技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵已經(jīng)發(fā)生了較大變化。在新的時代，物聯(lián)網(wǎng)是指在物理世界的實體中部署具有一定感知能力、計算能力和執(zhí)行能力的嵌入式芯片和軟件，使之成為“智能物體”，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實現(xiàn)信息傳輸、協(xié)同和處理，從而實現(xiàn)物與物、物與人之間的互聯(lián)。把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理。
在感知領(lǐng)域的另外一個術(shù)語就是傳感網(wǎng)，它將大量、多種類傳感器節(jié)點(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)，實現(xiàn)對物理世界的動態(tài)協(xié)同感知?？梢钥闯觯瑐鞲芯W(wǎng)是以感知為目的的物物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。從用戶或產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的角度也被稱為物聯(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。兩個概念的使用場景存在一定差異，傳感網(wǎng)是實現(xiàn)物物通信的重要手段和基礎(chǔ)設(shè)施。因此更多的是從實現(xiàn)的角度來描述網(wǎng)絡(luò)本身。而物聯(lián)網(wǎng)則從應(yīng)用的角度來描述物物通信的網(wǎng)絡(luò)，在本文中根據(jù)實際情況，兩種概念均會使用。
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)社會為目標的U-Japan構(gòu)想，計劃于2O04—2007年共投入29億美元，預(yù)計到2010年將帶來371億美元的直接收益。韓國提出了U．Korea戰(zhàn)略及IT839戰(zhàn)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(chǔ)建設(shè)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(xiàn)有電網(wǎng)基礎(chǔ)上，通過在發(fā)電、輸電等各個環(huán)節(jié)引入先進的傳感和測量技術(shù)、控制方法以及決策支持系統(tǒng)實現(xiàn)電網(wǎng)高可靠、高效運行。智能電網(wǎng)可以實現(xiàn)高壓輸電線安全監(jiān)控、電力設(shè)備工作情況監(jiān)控、智能用戶需求響應(yīng)、實時定價、停電檢測、電能質(zhì)量監(jiān)測等目標。美國能源部預(yù)計這一計劃在未來20年內(nèi)將節(jié)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)的幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)可以歸納為“感知、傳輸、處理”，實現(xiàn)“及時、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，更加有利于人類的可持續(xù)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(yīng)用提供了基礎(chǔ)。
(1)傳感器與傳感節(jié)點技術(shù)
傳感器是指能感知預(yù)定的被測指標并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器的類型多樣，可以按照用途、材料、輸出信號類型、制造工藝等方式進行分類。常見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?zhèn)鞲衅?、能耗傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、振動傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器等。隨著技術(shù)的發(fā)展，新的傳感器類型也不斷產(chǎn)生。傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括工業(yè)生產(chǎn)自動化、國防現(xiàn)代化、航空技術(shù)、航天技術(shù)、能源開發(fā)、環(huán)境保護與生物科學(xué)等。
隨著納米技術(shù)和微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源構(gòu)成。節(jié)點具有感知能力、計算能力和通信能力，也就是在傳統(tǒng)傳感器基礎(chǔ)上，增加了協(xié)同、計算、通信功能，構(gòu)成了傳感器節(jié)點。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)是實現(xiàn)傳感器智能化的重要手段，其特點是將硬件和軟件相結(jié)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，同時結(jié)合人工智能技術(shù)．推動物聯(lián)網(wǎng)中智能環(huán)境的實現(xiàn)。
(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識別技術(shù)，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID為物體貼上電子標簽，實現(xiàn)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(tǒng)由電子標簽、讀寫器和信息處理系統(tǒng)組成。當帶有電子標簽的物品經(jīng)過特定的信息讀寫器時．標簽被讀寫器激活并通過無線電波將標簽中攜帶的信息傳送到讀寫器以及信息處理系統(tǒng)，完成信息的自動采集工作。信息處理系統(tǒng)根據(jù)需求承擔相應(yīng)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)實現(xiàn)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：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)、
隨著互聯(lián)網(wǎng)的進一步擴展，業(yè)界開始研究如何通過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(jié)點設(shè)備上，IETF 6LowPAN工作組負責研究的 Iev6over 802．15．4協(xié)議，在應(yīng)用層和MAC層之間增加了一個適配層，使得IPv6可以在802．15．4網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)高效通信，從而逐步實現(xiàn)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．實現(xiàn)一個完全交互式和反應(yīng)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(gòu)
傳感網(wǎng)南部署在觀察區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點組成，主要通過無線通信方式形成多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目的是協(xié)作感知、采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并傳送給觀察者。典型的傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示．由傳感器節(jié)點、關(guān)口節(jié)點(sink node)組成。傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點之間通過無線的方式進行通信．并通過多跳方式將感知到的數(shù)據(jù)傳到關(guān)口節(jié)點，關(guān)口節(jié)點借助長距離通信將區(qū)域的數(shù)據(jù)傳送到遠程的應(yīng)用中心。由于傳感網(wǎng)節(jié)點數(shù)量眾多，采集的數(shù)據(jù)量大，因此數(shù)據(jù)通常需進行節(jié)點間的協(xié)同處理和融合匯聚。
目前．大多數(shù)的傳感網(wǎng)應(yīng)用僅僅是孤立應(yīng)用系統(tǒng)，相互之間沒有關(guān)聯(lián)和交互。要想真正達到物聯(lián)網(wǎng)確定的最終目標，就必須實現(xiàn)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)的功能范圍將從個人電腦等傳統(tǒng)終端逐漸擴展到傳感器節(jié)點中，傳感器節(jié)點將真正成為電信網(wǎng)中的一個終端節(jié)點。
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(jié)點處理能力低、內(nèi)存小，能力有限：
· 節(jié)點電源小，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(jié)點故障或互聯(lián)出問題的幾率較大：
· 傳感節(jié)點、傳感網(wǎng)絡(luò)、傳感業(yè)務(wù)單元都應(yīng)支持移動性(但事實上受限于硬件能力，傳感網(wǎng)絡(luò)可能不完全支持可移動性)；
· 動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓撲，傳感節(jié)點會比較頻繁地進入或脫離拓撲，使得網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生變化；
· 異質(zhì)節(jié)點共存，單個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可能涉及多個傳感網(wǎng)絡(luò)，這些傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點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)能夠為各種用戶群提供廣泛的應(yīng)用．包括普通消費者、公共機構(gòu)、政府、企業(yè)等。為了支持更廣泛的應(yīng)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(簡稱NGN擴展功能)，目前這一塊工作也是國際標準化組織的熱點工作之一。韓國的電子和通信研究所(ETRI)在ITU．T SG13組提交的 USN (ubiquitous sensor network，無所不在的傳感網(wǎng)絡(luò))總體架構(gòu)，其中包括物理傳感網(wǎng)絡(luò)、NGN、USN中間件以及USN上層應(yīng)用。各種傳感器網(wǎng)絡(luò)在最靠近用戶的地方組成無所不在的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，用戶在此環(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)逐步實現(xiàn)融合。
隨著電信網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的融合．物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也對NGN網(wǎng)絡(luò)能力提出了新的要求。電信網(wǎng)應(yīng)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(quán)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)。在通信方式上有無線連接和有線連接。這些不同的傳感網(wǎng)在特定的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中共存．因此需要NGN能夠管理不同類型的傳感網(wǎng)絡(luò)?；诜?/SPAN>IP網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)通常通過網(wǎng)關(guān)對其進行管理，而基于IP網(wǎng)絡(luò)的傳感網(wǎng)絡(luò)則被作為一個子網(wǎng)直接進行管理。其次，傳感網(wǎng)中經(jīng)常會發(fā)生單個節(jié)點硬件故障或者鏈路失敗，但傳感網(wǎng)本身不能由于單個故障而中斷工作，因此，NGN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)支持傳感器網(wǎng)絡(luò)的配置，以實現(xiàn)連接保障和對于傳感器節(jié)點生命周期的管理。
(2)業(yè)務(wù)信息(profile)
在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中．多個應(yīng)用會同時使用單個傳感網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)，由于不同應(yīng)用的用戶要求不同，所以要求物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)ν慌鷤鞲袛?shù)據(jù)根據(jù)需求的不同進行不同的處理。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(shù)據(jù)的管理方式。業(yè)務(wù)信息庫由物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的信息單元組成，其中存儲了業(yè)務(wù)標識、數(shù)據(jù)類型、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)信息庫來注冊和發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。
(3)設(shè)備信息管理
設(shè)備信息管理包括傳感網(wǎng)絡(luò)和傳感節(jié)點的設(shè)備信息．在特定情況下，設(shè)備信息可以和業(yè)務(wù)信息關(guān)聯(lián)。設(shè)備信息包括傳感網(wǎng)絡(luò)標識、設(shè)備標識、設(shè)備類型、設(shè)備能力、設(shè)備位置等。由于未來物聯(lián)網(wǎng)中傳感器、傳感節(jié)點和傳感網(wǎng)絡(luò)均存在多樣性，因此設(shè)備信息管理需要支持管理大量的異類節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)。
(4)業(yè)務(wù)注冊和發(fā)現(xiàn)管理
為了發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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)種類多樣，需要采用一套標準的業(yè)務(wù)描述信息和描述語言，從而提高業(yè)務(wù)注冊和發(fā)現(xiàn)的效率。物聯(lián)網(wǎng)使用者和應(yīng)用可以通過提交一個或者多個業(yè)務(wù)屬性來發(fā)現(xiàn)已注冊的業(yè)務(wù)。在部分應(yīng)用中，傳感網(wǎng)中的設(shè)備需要和業(yè)務(wù)一樣提前注冊。物聯(lián)網(wǎng)使用者或應(yīng)用通過提交一個或者多個設(shè)備屬性來發(fā)現(xiàn)注冊的業(yè)務(wù)。如果設(shè)備擁有者不希望被別人發(fā)現(xiàn)和訪問，該設(shè)備可以不進行注冊。
(5)服務(wù)質(zhì)量(QoS)保障
QoS保障機制在某些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中是非常重要的，比如傳感網(wǎng)采集的火警報警信息傳送。由于未來物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)建在現(xiàn)有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)之上的，所以物聯(lián)網(wǎng)自身應(yīng)能夠根據(jù)業(yè)務(wù)要求為應(yīng)用和數(shù)據(jù)打上QoS標識，而且這些標識應(yīng)該是基礎(chǔ)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)用戶和傳感網(wǎng)之問也通過IP實現(xiàn)組網(wǎng)。在這種情況下，傳感節(jié)點直接連接到基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中(通常情況下傳感節(jié)點是通過網(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(jié)點都沒有IP地址，所以用戶和傳感網(wǎng)之間是通過傳感網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)組網(wǎng)互聯(lián)的。不同類型的傳感網(wǎng)必須能連接到基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中．即NGN擴展功能支持傳感網(wǎng)和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)之間的連接，不管這些網(wǎng)絡(luò)是 IP還是非IP、無線還是有線的。
(7)移動性管理
傳感網(wǎng)對移動的支持包括兩個方面：一是傳統(tǒng)的傳感網(wǎng)自身對傳感器節(jié)點移動性的支持：二是能夠?qū)F(xiàn)有的移動IP技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，形成一個低功耗、低速率要求的新型物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。前者可以通過傳感器自身的移動技術(shù)實現(xiàn)，這種移動不會影響到基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的拓撲。第二種情況描述的是整個傳感器網(wǎng)絡(luò)在不同的網(wǎng)絡(luò)間移動(如在NGN網(wǎng)絡(luò)和非NGN網(wǎng)絡(luò)間)，稱為網(wǎng)絡(luò)移動性，此時要求NGN能夠支持傳感器在網(wǎng)絡(luò)間移動，并支持對于傳感器節(jié)點移動時的位置信息管理。
(8)其他要求
由于傳輸數(shù)據(jù)的敏感度，傳感網(wǎng)的應(yīng)用和服務(wù)應(yīng)該有較高的安全性要求。但傳感節(jié)點本身受制于很多條件，無法配合進行安全性處理，比如數(shù)據(jù)加密，因此要求傳感網(wǎng)應(yīng)用支持密鑰管理；另外，傳感網(wǎng)的安全機制應(yīng)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)上用戶的認證鑒定和授權(quán)功能，能夠有效地防止非授權(quán)用戶接人非授權(quán)的服務(wù)、資源和數(shù)據(jù)。根據(jù)傳感網(wǎng)使用場景的要求，傳感網(wǎng)需要根據(jù)不同的數(shù)據(jù)傳播方式提供不同營賬和計費服務(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)進行深度融合。隨著形勢的變化．國家開始高度重視物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，我國運營商需要密切關(guān)注國家在相關(guān)領(lǐng)域的政策動向和標準化進展。并積極參與標準的制定，引導(dǎo)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，特別是與移動網(wǎng)絡(luò)和下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的融合。通過物聯(lián)網(wǎng)采集更豐富、更全面的價值信息，開發(fā)更多新型業(yè)務(wù)，提升市場競爭力。
在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中，電信運營商建立并重點提供感知網(wǎng)絡(luò)解決方案和平臺服務(wù)，使客戶傳感網(wǎng)絡(luò)和電信網(wǎng)絡(luò)進行融合，讓客戶更好地收集和使用實體信息．作為電信網(wǎng)絡(luò)的延伸。隨著國內(nèi)電信重組的完成，我國三大運營商均成為具有有線寬帶網(wǎng)絡(luò)和覆蓋全國的移動網(wǎng)的全業(yè)務(wù)運營商，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用具有良好的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢．電信網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備和終端可以作為中層的匯聚節(jié)點及大容量傳感節(jié)點，因此需要逐步升級相關(guān)網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備的規(guī)范，規(guī)范物聯(lián)網(wǎng)與電信網(wǎng)絡(luò)的融合方案和接口．引導(dǎo)業(yè)界采用標準接口開發(fā)傳感器產(chǎn)品。在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，建立物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的業(yè)務(wù)管理平臺和感知數(shù)據(jù)庫。做好統(tǒng)一標識規(guī)劃，并實現(xiàn)和其他管理系統(tǒng)的協(xié)同。制定終端內(nèi)感知功能實現(xiàn)規(guī)范，推動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，增強用戶粘度，推進物聯(lián)網(wǎng)走向公眾應(yīng)用。
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