物聯(lián)網(wǎng)與電信網(wǎng)融合策略

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)界并沒有統(tǒng)一、精確的定義。早期的物聯(lián)網(wǎng)是依托射頻識(shí)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(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(jì)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(shí)現(xiàn)信息傳輸、協(xié)同和處理，從而實(shí)現(xiàn)物與物、物與人之間的互聯(lián)。把所有物品通過射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。

　　在感知領(lǐng)域的另外一個(gè)術(shù)語就是傳感網(wǎng)，它將大量、多種類傳感器節(jié)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(xiàn)對(duì)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(gè)概念的使用場景存在一定差異，傳感網(wǎng)是實(shí)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(shí)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(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(biāo)的U- Japan構(gòu)想，計(jì)劃于2O04—2007年共投入29億美元，預(yù)計(jì)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(jì)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(jì)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(gè)環(huán)節(jié)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(tǒng)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)高可靠、高效運(yùn)行。智能電網(wǎng)可以實(shí)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(shí)時(shí)定價(jià)、停電檢測、電能質(zhì)量監(jiān)測等目標(biāo)。美國能源部預(yù)計(jì)這一計(jì)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(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)可以歸納為“感知、傳輸、處理”，實(shí)現(xiàn)“及時(shí)、精確、全面地獲取和處理信息，達(dá)到科學(xué)決策、降低成本、提高效率、保護(hù)環(huán)境、增強(qiáng)安全等目標(biāo)，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(shí)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(diǎn)技術(shù)

　　傳感器是指能感知預(yù)定的被測指標(biāo)并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)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(hào)類型、制造工藝等方式進(jìn)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(dòng)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(dòng)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(hù)與生物科學(xué)等。

　　隨著納米技術(shù)和微機(jī)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(diǎn)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(diǎn)具有感知能力、計(jì)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(jì)算、通信功能，構(gòu)成了傳感器節(jié)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(xiàn)傳感器智能化的重要手段，其特點(diǎn)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(diǎn)，同時(shí)結(jié)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(xiàn)。

　　(2)射頻識(shí)別技術(shù)

　　射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID為物體貼上電子標(biāo)簽，實(shí)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(biāo)簽、讀寫器和信息處理系統(tǒng)組成。當(dāng)帶有電子標(biāo)簽的物品經(jīng)過特定的信息讀寫器時(shí).標(biāo)簽被讀寫器激活并通過無線電波將標(biāo)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(dòng)采集工作。信息處理系統(tǒng)根據(jù)需求承擔(dān)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(shí)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)、 2G/3G移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了信息的遠(yuǎn)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(chǔ)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(guī)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(guī)范，工作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)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?shù)奶攸c(diǎn)使它非常適宜支持計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限的簡單器件。

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步擴(kuò)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(kuò)展到資源受限的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備上，IETF 6LowPAN工作組負(fù)責(zé)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(gè)適配層，使得IPv6可以在802.15.4網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)高效通信，從而逐步實(shí)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(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(xiàn)一個(gè)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(diǎn)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(duì)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(diǎn)、關(guān)口節(jié)點(diǎn)(sink node)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)之間通過無線的方式進(jìn)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(diǎn)，關(guān)口節(jié)點(diǎn)借助長距離通信將區(qū)域的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程的應(yīng)用中心。由于傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，采集的數(shù)據(jù)量大，因此數(shù)據(jù)通常需進(jìn)行節(jié)點(diǎn)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(dá)到物聯(lián)網(wǎng)確定的最終目標(biāo)，就必須實(shí)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(gè)人電腦等傳統(tǒng)終端逐漸擴(kuò)展到傳感器節(jié)點(diǎn)中，傳感器節(jié)點(diǎn)將真正成為電信網(wǎng)中的一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。

　　圖1 傳感網(wǎng)通信方式示意圖