中国电信-从电信运营商角度看物联网的总体架构和发展

从电信运营商角度看物联网的总体架构和发展电信科学作者：中国电信股份有限公司上海研究院诸瑾文王艺1引言2009年IBM智慧地球、欧盟行动计划和温总理“感知中国”的提出将国内对于物联网（Internetofthings）的关注推向了前所未有的高度，其他与之相关的名词，如泛在网（ubiquitousnetwork）、传感网（sensornetwork）、M2M（machinetomachine，即机器到机器的通信）等也越来越频繁地出现，和物联网一起成为热门概念。究竟什么是物联网，物联网带来了怎样的机遇与挑战，本文从电信运营商角度，分析、探讨对物联网整个体系架构的理解，对物联发展趋势的看法以及在这样的技术和产业背景下，作为电信运营商的发展机会和应对策略。2物联网概念辨析物联网的概念是在1999年提出的，当时它的定义很简单：把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。这里包含两个重要的观点：一是物联网要以互联网为基础发展起来；二是RFID是实现物品与物品连接的主要手段。然而，从现在来看，射频识别技术只是实现物品与物品连接的手段之一，这种连接具有以单向为主、不具备组网能力等局限性，因此，现在对物品与物品连接的普遍理解需要更多地借助无线传感网技术来实现。泛在网也被称作无所不在的网络，最早见于施乐首席科学家MarkWeiser在1991年“21世纪的计算”文章中提出的UbiquitousComputing，因此泛在网概念的提出比物联网更早一些，而且国际上研究Ubiquitous的人也更加多一些，已经有一定的积累。2004年，日本提出了U-Japan、韩国提出了U-Korea的国家信息化发展计划。对谁最先提出的泛在网概念目前还有争议，日本学者认为泛在网是他们最先提出的概念。泛在网将4A作为其主要特征，即可以实现在任何时间（Anytime）、任何地点（Anywhere）、任何人（Anyone）、任何物（Anything）都能方便地通信，因此其在内涵上更多的是以人为核心，关注可以随时随地地获取各种信息，几乎包含了目前所有的网络概念和研究范畴。传感网是指“随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，通过自组织的方式构成的无线网络”。现在谈到的传感网，一般指的是无线传感器网络，严格来说应当称为wirelessSensorNetwork（WSN）。传感网实际上由传感器＋短距离传输模块共同构成。传感器种类非常多，常见的有温度传感器、压力传感器、湿度传感器、振动传感器、位移传感器、角度传感器等，据说传感器的种类有3万余种。目前我国从信息化发展新阶段的角度提出传感网，其研究和探讨的重点其实并不是传感器本身，而是聚焦在通过各种低功耗、短距离无线传输技术构成自组织网络来传输数据。从电信运营商角度，关注得最早也关注得最多的其实就是M2M，例如，中国移动，在2004年就开始开发M2M业务，国外的电信运营商，如Oragne、Sprint、DoCoMo都推出了M2M业务，尤其挪威电信，M2M业务量占到其业务总量的40％。“M2M是物联网的雏形，是物联网在现阶段的主要形式”是目前电信运营商普遍认可的观点。这几种概念之间的关联关系，可以用图1来大概表示。无论是物联网还是泛在网、M2M，其实都不是一种全新的网络技术，更不是对现有技术的颠覆，它是在综合利用现有的各种技术基础上的创新，涵盖了软件、通信、智能计算、自动控制等各领域，是跨学科的综合应用。3对物联网总体架构的认识和探讨在业界，物联网被公认大致有三个层次，从下到上依次是感知层、传送层和应用层。如果拿人来比喻的话，感知层就像皮肤和五官，用来识别物体，采集信息，传送层则是神经系统，将信息传递到大脑进行处理，人能从事各种复杂的事情，这就是各种不同的应用，如图2所示。感知层：感知层包括传感器等数据采集设备以及数据接入到网关之前的传感器网络。例如RFID标签和用来识别RFID信息的扫描仪、视频采集的摄像头、各种传感器以及由短距离传输技术组成的无线传感网。感知层是物联网发展和应用的基础，RFID技术、传感和控制技术、短距离无线通信技术是感知层涉及的主要技术，其中又包括芯片研发、通信协议研究、RFID材料、智能节点供电等细分领域。传送层：传送层是在现有通信网和互联网的基础上建立起来的，综合使用2G/3G、有线宽带、PSTN、Wi-Fi通信技术，实现有线与无线的结合、宽带与窄带的结合、感知网与通信网的结合。传送层中的感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的物联网的核心技术。感知数据管理与处理技术包括传感网数据的存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的理论和技术。云计算平台作为海量感知数据的存储、分析平台，将是物联网传送层的重要组成部分，也是应用层众多应用的基础。应用层：物联网应用层利用经过分析处理的感知数据，为用户提供丰富的特定服务。物联网的应用可分为监控型（物流监控、污染监控）、查询型（智能检索、远程抄表）、控制型（智能交通、智能家居、路灯控制）、扫描型（手机钱包、高速公路不停车收费）等。应用层是物联网发展的目的，软件开发、智能控制技术将会为用户提供丰富多彩的物联网应用。各种行业和家庭应用的开发将会推动物联网的普及，也将给整个物联网产业链带来利润。图3所示是物联网的整体架构，包括感知层、传送层和应用层，还可以进一步细分成感知设备、接入单元、接入网络、中间件和应用。感知设备包括了各种传感器、数据采集设备以及无线传感网。接入单元包括将传感器数据直接传送到通信网络的DTU，以及连接无线传感网和通信网络的物联网网关设备，其中物联网网关根据使用环境的不同，有行业物联网网关和家庭物联网网关两种，将来还会有用于公共节点的共享式网关。严格来说，物联网网关应该是一种跨感知层和传送层的设备。接入网络指电信运营商现有的通信网络，包括2G/3G、有线宽带、PSTN、Wi-Fi等。中间件是为物联网应用提供基础的公共服务能力的平台系统。应用层为各种丰富的物联网应用，包括行业应用、政府应用、家庭应用等。4从电信运营商角度看物联网发展的阶段对“物联网”进行研究和探讨，首先要界定一下什么是“物”，从广义理解，除了人之外的都是物，大到一幢建筑，小到一粒沙子，还有动物、植物等，都可以是物联网的连接对象，通过物联网达到网络无处不在，信息及时获取，指令随时下达，控制完全自动的理想状态。应该说这是一个比较遥远的发展目标，一时之间很难实现。本文从电信运营商角度来看待物联网的发展，认为在向这个目标前进的过程中将会有三个发展阶段：机器互联阶段、局域感知阶段和广域感知阶段。（1）第一阶段：机器互联阶段对电信运营商来说，第一阶段就是发展M2M业务的阶段。在这个阶段通过结合使用通信技术、自动控制技术和软件智能处理技术，实现对机器设备信息的自动获取和自动控制。这个阶段通信的对象主要是机器设备，尚未扩展到任何物品，在通信过程中，也以使用离散的终端节点为主。在这一阶段，传感网技术也在发展，但多用于局域范围内实现数据传送，电信运营商并不过多关注，往往将其看作是用户自己的设备。目前，国内外不少运营商，尤其是移动运营商在M2M领域进行了大量研究，推出了各种M2M业务，如汽车信息服务、车队管理、远程医疗、远程计量等。（2）第二阶段：局域感知阶段随着物联网概念的不断升温以及技术本身发展趋势的推动，“物”的范围也在不断扩大，传感网逐渐被引入，传感网虽然仍主要用作局域组网，但是电信运营商不再将传感网仅仅看作用户自己的设备，而是认为传感网是通信网络终端节点向下延伸的毛细网络。在这个阶段运营商将越来越关注如何将通信网络与传感网结合。目前，短距离无线传输技术非常多，缺乏统一的标准，用的比较广泛的有RFID、ZigBee、蓝牙、Z-Wave等。对于同一种传输技术，如ZigBee，实际应用中也没有统一标准，有相当多的厂商基于私有协议自己开发传输模块或传输芯片，所以不同厂商的ZigBee芯片间无法互通。因此无线传感网往往是异构的，实现异构协同是该阶段主要的研究内容，物联网网关的概念应运而生，通过物联网网关屏蔽无线传感网的差异性，使异构的无线传感网之间、无线传感网与通信网之间能实现协同工作。由于传感网仍然用于局域范围内组成毛细网络，因此对于传感网本身的内部节点管理并没有太多的改变，各种无线传感网技术仍然采用各自的协议，实现局域管理和局域寻址。目前，物联网正处于第一阶段向第二阶段演进的过程中。（3）第三阶段：广域感知阶段在广域感知阶段，传感网不再仅仅用于局域组网，而是开始用于广域组网，遍布各处的无线传感网节点构成了一张全新的广域网络。电信运营商也许会运营这个网络，也许这样的网络不完全由电信运营商运营，但无论如何，在这个阶段，会产生一些基于无线传感网技术的公共节点，这些公共节点作为物联网基础设施的基本组成部分，必然要实现广域管理，如遵循统一的通信协议、实现广域寻址等。虽然这是一个相对比较遥远的阶段，但物联网的发展必然会向这个阶段演进。5电信运营商在物联网发展中的策略如前文所述，物联网基本架构分为感知层、传送层和应用层，涉及的技术范围非常广泛，运营商很难对所有的技术都深入研究，物联网的发展要依靠产业链各界共同合作推进，因此对于不同层应当采取不同的策略。5.1感知层——用感知层的无线传感网技术标准众多，无论国际还是国内，都有相当数量的科研机构和专业公司在研究，部分无线传感网技术已经具备一定规模，有成熟的产业链，电信运营商至少在现阶段没有必要对感知层的无线承载、通信协议、自组网算法等方面进行深入的研究。对感知层的研究应当围绕“用”开展，以传感网和通信网的结合为切入点，关注异构网络如何实现协同工作以及如何实现可管理的感知网。5.2传送层——建传送层包含了接入网络和接入单元，接入网络即通信网络，要以电信运营商为主进行建设和优化。现有的通信网络是以承载人与人的通信为主的，其设计和建设都是围绕着人的通信模式，进入物联网发展的时代，不但会产生大量的通信节点，而且这些节点的通信特征与人的通信截然不同，必然对网络带来压力。同时，对物联网节点的管理也对通信网络提出了很多新问题。通信网会向着“能支撑物联网应用规模有序发展”的目标演进，在充分利用现有网络资源的原则下，根据业务量的增加，分阶段、逐步进行网络改造。混同承载阶段：在业务发展初期，业务量不是特别大的情况下，直接采用现有网络承载物联网业务，网络不作大的改动，网络参数基本不变。由于现有网络不能区分人与人的通信、物与物的通信，主要通过终端侧的配置以及对终端的管理，缓解网络的压力。区别承载阶段：业务发展中期，物联网应用规模的增加对网络资源（如码号资源、传输资源）造成较大压力，这时需要对网络进行部分改造，使得网络侧能区别物与物的通信，采取不同策略，缓解网络压力，保障业务质量。独立承载阶段：在物联网业务规模化后，将产生与其他通信相互干扰的问题，同时也出现了大量对通信SLA要求较高的物联网应用，可考虑逐步采用物理/逻辑隔离的网络承载物联网业务，如建设独立的接入网，在核心网中划分专门的互联子网等。接入单元是将感知的数据传送到通信网的关键设备，运营商需要进行掌控，根据网络的要求和用户的需求，引导设备生产厂商进行开发，并积极推动产业链发展。5.3应用层——汇应用层包括了中间件和应用。中间件层面，运营商可以充分发挥优势，将结合网络的运营能力开放出来，提供给应用集成，为用户提供更好的服务。应用是物联网发展的基础，物联网的发展要依赖应用的驱动，然而物联网应用非常丰富，涉及行业众多，深入到每个行业，其总量也许并不非常大，但这些行业加起来占有的比重却非常高，长尾效应明显。因此需要从行业市场和垂直市场两个方面分别制定策略，对于行业市场，采取与产业链合作，鼓励合作伙伴积极推进；电信运营商则更多关注垂直市场层面，发挥运营优势，开发标准化应用，可适用于多个行业，如全球眼视频监控应用、定位应用等，这些垂直市场的标准化应用又可以作为物联网的基础能力，通过中间件方式提供。6结束语借助政府