物聯網產業化發展思路與泛在無線通信技術研究

朱洪波 楊龍祥 朱琦

中圖分類號：TN929.5文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 (2012) 02-0001-04

摘要：文章基于物聯網的特征、技術思想及其與新興產業的關系，重點研究了實現物聯網產業化應用的關鍵——泛在無線技術，主要包括末梢感知層、網絡融合層、無線資源管理以及對數據進行綜合處理的信息處理等關鍵技術。文章指出物聯網的本質是利用“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。物聯網正催生一場戰略性新興產業革命，將帶來千載難逢的機遇，全面推動社會的經濟振興和社會進步。

關鍵詞： 物聯網；泛在網；后互聯網；異構網絡融合；云計算

Abstract: This paper discusses one of the key aspects of industrial IoT: ubiquitous wireless technology. Ubiquitous wireless technology includes peripheral perception layer, network convergence layer, radio resource management, and information processing for integrated data. In this paper, we suggest that the essence of IoT is to achieve ubiquitous services through a ubiquitous network, which is a far-reaching network. We also suggest that IoT will create opportunities and promote economic revitalization and social progress.

Key words: Internet of things; ubiquitous networks; post internet; heterogeneous network convergence; cloud computing

1 物聯網的技術思想

物聯網作為全球戰略性新興產業已經受到國家和社會的高度重視。物聯網的應用標志著互聯網的發展已經開始進入一個新的歷史階段，而基于互聯網的產業化應用和智慧化服務將成為下一代互聯網的重要時代特征。物聯網將充分發揮新一代信息通信技術的發展優勢，與傳統產業服務深度融合，促進傳統產業的革命性轉型，研究滿足國家產業發展需求的信息化解決方案，推動信息服務產業的發展與建設，實現戰略信息服務產業的智慧化；將形成以新興信息服務業為龍頭，網絡運營業為支撐，網絡設備制造業為補充的完善的產業結構。

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；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、全球定位系統或其他信息獲取方式等各種創新的傳感科技嵌入到世界的各種物體、設施和環境中；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的數據化，并賦予生命；物聯網希望世界萬物能夠智慧化地上網，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效率，同時降低人工帶來的不穩定性。因此，物聯網在行業應用中將發揮無窮的潛力。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、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的整合。

在一個網絡物理平臺上提供多種業務，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，將會提供一個統一的網絡平臺，所有的業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。

物聯網是一個多設備、多網絡、多應用、互聯互通、互相融合的一個大網，相關的接口、通信協議等都需要有一個統一標準來指導。而目前，各地的物聯網都各有自己的標準。標準很多，又缺乏權威性，這就導致不同的物聯網項目難以互通，成為一個個“孤島”。僅僅RFID在全球就有幾十個標準化組織出臺了250個標準，而全球兩萬多種傳感器的標準化現狀可想而知。因此統一的標準對物聯網產業化發展顯得至關重要。不僅可以讓各地正開展的示范應用的成功案例在其他地區進行有效復制，推而廣之，并且能讓一個個信息“孤島”有效融合，整合資源鏈，在一定程度上避免重復建設帶來的資源耗費從而提高效率。

廣泛的物聯網應用需求必將積極推進物聯網標準體系的構建，建立跨行業、跨領域的物聯網標準化協作機制，鼓勵和支持企業積極參與國際標準化工作，推動中國具有自主知識產權的技術成為國際標準。國家將圍繞物聯網關鍵技術和產業，開展技術攻關和產業化推進工程，著力突破傳感器網、物聯網關鍵技術，加快通信網、傳感網絡以及物聯網的結合，推動形成完整產業鏈和自主發展的規模產業化能力，提升整體產業層級和在國際分工體系的位置，推動形成具有國際競爭力的物聯網制造和運營產業體系。國家將大力支持自主知識產權的創造和應用，鼓勵企業建立專利聯盟，加大對物聯網知識產權保護和管理。

物聯網的技術思想正在催生一場戰略性新興產業革命[1-3]，物聯網時代的到來將給我們帶來千載難逢的機遇。

物聯網產業發展的核心價值是傳促使傳統產業在這場新興產業革命的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展與建設，全面推動社會的經濟振興和社會進步。

2 泛在無線技術是實現物

聯網產業化應用的關鍵

物聯網可以理解為是泛在網的應用形式[4]，而不是傳統意義上的網絡概念。

泛在網是在異構網絡融合和頻譜資源共享基礎上實現無所不在的網絡覆蓋，是一種基于個人和社會的需求。

泛在網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并且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[5]。

泛在無線技術是泛在網在連接物質世界過程中實現末梢效應和邊緣價值的核心技術，也是促進物聯網產業化應用的關鍵。

泛在網通過泛在無線技術完成與物質世界的連接，并且實現環境感知、內容感知以及智慧性，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。

作為泛在無線技術重要組成部分的傳感網可以看作是物聯網的一種末梢網絡和感知延伸網。傳感網是多個由傳感器、數據處理單元和通信單元組成的節點，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。

目前，與物聯網緊密相關的無線通信技術已滲透到社會各領域，成為很多行業的支撐，并形成新的經濟增長點。隨著無線通信網絡發展所呈現出的高速化、寬帶化、異構化、泛在化趨勢，由于泛在網絡實現的關鍵就在于泛在無線技術，泛在無線通信成為近年來無線通信領域關注的熱點之一。

作為泛在無線通信的一個重要應用，無所不在的“物聯網”通信時代即將來臨，從長遠來看，物聯網的產業化應用有望成為后互聯網時代經濟增長的引擎。

通信網絡正在朝著泛在網絡發展，而泛在無線接入是泛在網絡和物聯網的核心和關鍵技術。泛在網絡能夠隨時隨地提供網絡服務，泛在網絡中用戶通過智能終端可以從網絡上獲得除傳統的話音、短信、視頻業務外的各種各樣的服務。泛在網絡是一個無處不在的網絡，人們可以在任意時間任意地點接入網絡。泛在網絡幫助人類實現在任何時間、任何地點，任何人、任何物都能順暢地通信。通信對象可以是機器對機器、機器對人、人對機器和人對人。隨著國民經濟的發展和社會信息化水平的日益提高，泛在網絡已經成為國內外政府、學術界、運營商、社會團體、設備廠商關注的重要話題。

3 泛在無線通信技術研究

進展

在物聯網產業發展的過程中，關于泛在無線通信技術的研究進展已經在業界引起了廣泛的關注，所涉及的關鍵無線技術主要包括：末梢感知層的關鍵技術、網絡融合層的關鍵技術、無線資源管理的關鍵技術以及對數據進行綜合處理的信息處理等關鍵技術。

3.1 末梢感知層

末梢感知層的關鍵技術主要涉及數據的感知、采集和傳輸技術，其中無線技術主要集中在數據傳輸部分。物聯網的末梢網絡主要是以無線傳感器為代表的大規模自組織網絡結構。傳感器網絡內部署了海量的多種類型傳感器，每個傳感器都是一個信息源，不同類別的傳感器對不同的環境和信息進行感知并捕獲數據。傳感器按一定周期采集不同類型的數據，所采集的信息內容和信息格式也不同。數據采集需要采用短距離低功率的無線通信技術，之后要將數據傳輸到控制中心或者處理平臺，經過處理后，由應用平臺控制實現不同的系統應用。因為本文主要探討物聯網與無線技術，因此，以下著重說明短距離無線通信技術和無線傳感器網絡。

3.1.1 短距離無線通信技術

鑒于物聯網的無線連通方式有部署靈活、移動性、滲透性強等特點，近年來，世界眾多站在技術前沿的國家和企業在制訂標準、研究新技術和應用解決方案方面紛紛予以關注，以期掌握市場主動。國家近期也通過一系列措施支持和鼓勵中短距離無線通信、與無線傳感技術相關技術的研發和產業化。

短距離無線通信尤其適合物聯網的感知延伸層的組網和應用，尤其以無線個域網(WPAN)為主的無線通信網絡為主要內容。目前，主流的微功率短距離的無線通信技術如WLAN、UWB、RFID[6]、Bluetooth、Zigbee、60 GHz毫米波的WPAN等，其中大部分技術的工作頻率都集中在了2.3～2.4 GHz頻段上。2.4 GHz頻段無線系統主要有Bluetooth、Wi-Fi、Wireless USB、Zigbee以及無繩電話和微波爐等系統與設備。如此密集的系統分布，必然造成該頻段的資源緊缺，頻譜日益擁擠，電磁兼容問題日益凸現。

藍牙(Bluetooth)技術[7-8]是一種適用于短距離無線數據與語音通信的開放性全球規范。目前，藍牙技術已經經歷了艱難的醞釀階段，進入了全面起飛階段。藍牙越來越多地嵌入到中高檔產品中，如PDA、移動電話、無繩電話、臺式計算機、筆記本計算機、MP3播放機、數字相機和便攜式上網設備等，并從移動信息電器逐步拓展到汽車、工業控制、醫療設備等新的領域。

Wi-Fi[9-10]是一種可以將個人電腦、手持設備(如PDA、手機)等終端以無線方式互相連接的技術。其技術標準采用IEEE 802.11b標準。Wi-Fi可以幫助用戶訪問電子郵件、Web和流式媒體。它為用戶提供了無線的寬帶互聯網訪問。同時，它也是在家里、辦公室或在旅途中上網的快速、便捷的途徑。在物聯網應用中，Wi-Fi將作為無線和有線相連接、短距離與長距離通信相銜接的橋梁，發揮更大的作用。

Zigbee[11]使用IEEE 802.15.4標準作為媒體訪問控制(MAC)和物理(PHY)層規范，并在此基礎上定義了應用層(APL)、網絡層以及用戶應用框架。

Zigbee之所以能在自動控制領域得到廣泛應用，是由于它自身具備的多種優點，包括低功耗、低成本、低速率、近距離、短時延、高容量、高安全、免執照頻段。

總之，除了底層的傳感器技術、海量的IPv4/IPv6地址資源、自動控制、智能嵌入等配套技術之外，實現真正的無所不在的、大規模的物與物聯網，更為重要的是在傳輸層實現統一協作的通信協議基礎，而這其中，各種無線電通信技術，將起到特別關鍵作用。

WPAN、WLAN、NGBWA等無線通信技術，以及基于這些無線技術相結合的融合應用將是物聯網產業鏈中，最為重要的組成部分。

3.1.2 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡[12-13]將以其網絡規模大、自組織性強、網絡拓撲動態變化強、以數據為中心等優勢成為物聯網不可或缺的主要部分。

ITU架構中泛在傳感器網絡、基礎骨干網絡和泛在傳感器接入網絡是物聯網網絡架構中可能采用無線傳輸技術的部分，也是物聯網頻譜需求的主要來源。

傳感器網絡基礎骨干網絡以傳統的公共移動通信網絡和數字集群網絡為代表，泛在傳感器接入網絡則以短距離無線傳輸技術為代表。

物聯網在各個行業(如智能家居、智能安全、動物溯源、智能醫院、智能交通、智能物流等)領域應用中，末端設備和設施，包括具備“內在智能”的(如傳感器、移動終端、工業系統、樓控系統、家庭智能設施、視頻監控系統等)和“外在使能”的(如貼上RFID的各種資產、攜帶無線終端的個人與車輛甚至“智能塵埃”等)物理界實體，都需要通過各種傳感器設備、無線、有線的通信網絡實現互聯互通，以實現其“智能化物件或動物”的特質，這其中無線傳感器網絡的應用需求最為強烈。

目前，我們在無線傳感器網絡方面研發的技術包括：

·無線傳感網接入技術，內容包括基于無線傳感器網絡的多網絡融合系統結構和多種無線傳感器網絡接入技術的比較。

·無線傳感網路由技術，內容包括無線傳感器網絡路由協議設計。

·無線傳感網拓撲控制技術，內容包括無線傳感器網絡功率控制技術和典型的拓撲控制方法。

·無線傳感網中數據聚合與管理，內容包括無線傳感網數據聚合技術，無線傳感網數據管理技術以及無線傳感網安全技術。

3.2 無線頻譜資源應用與管理策略

我們對物聯網應用過程中對無線資源特別是無線頻譜資源的需求做了分析。

在末梢網絡中，以無線傳感器網絡的頻譜需求為例，無線傳感器網絡所能提供的無線通信帶寬是十分有限的，特別是在2.4 GHz的通信頻段上，聚集了藍牙、Wi-Fi、ZigBee等無線網絡，使得該頻段的信道變得十分擁擠。

從全局的觀點考慮，根據ITU-R M.2078等國際報告[14]，4G還需要352～1 152 MHz的頻率，這些頻譜都是按照4G的用戶流量模型為人與人的通信而設計的，并不包括物聯網的頻譜需求，因此解決物聯網的頻譜需求的難度遠遠大于4G。

無線頻譜資源緊張可能成為物聯網應用的“瓶頸”問題。同時，我們發現，可以通過有效的資源管理機制實現頻譜的合理和高效再利用，從而解決頻譜資源緊張問題，使資源的供需達到平衡。

無線資源管理可以從國家政策和規劃角度得到很好的再配置，我們也對該方面提出了相關的建議。例如對物聯網頻譜的合理規劃與管理、物聯網頻率劃分調整及頻率保護政策、參照國際慣例對物聯網頻譜進行規劃、建立物聯網的流量模型及常見應用模型、為典型的物聯網應用制訂頻譜標準、借鑒頻譜拍賣機制適當實施頻譜開放計劃等等。

目前，我們主要從技術方面提出了適合于物聯網無線資源管理的各種措施，包括：從空時頻能復用角度，開發頻譜池、頻譜聚合、智能天線、軟件無線電、多點協作等技術；在授權頻段開發D2D直通技術，在非授權頻段，開發多種短距離通信技術共存技術等；從系統級角度開發頻譜分析、頻譜決策、頻譜監視、頻譜搬移和頻譜共享等頻譜管理技術；從頻譜二次利用角度開發可見光通信、太赫茲通信、白色空間通信以及開發2.5 GHz、3.3～3.4 GHz、3.5 GHz、5 GHz、5.15～5.725 GHz等新頻段業務；此外，在無線資源管理方面，著重開發無線技術的電磁兼容和電磁干擾技術，為無線資源的有效復用、多種技術和系統的高效共存提供保障。

3.3 異構網絡融合與協同技術

網絡的異構性主要體現在以下幾個方面：

·不同的無線頻段特性導致的頻譜資源使用的異構性。

·不同的組網接入技術所使用的空中接口設計及相關協議在實現方式上的差異性和不可兼容性。

·業務的多樣化。

·終端的多樣化。

不同運營商針對異構網絡所實施的相應的運營管理策略不同。

以上幾個方面交叉聯系，相互影響構成了無線網絡的異構性。這種異構性對網絡的穩定性、可靠性和高效性帶來了挑戰，同時給移動性管理、聯合無線資源管理、服務質量保證等帶來了很大的問題。

網絡融合的主要策略可以理解為各種異構網絡之間，在基礎性網絡構建的公共通信平臺之上，實現共性的融合與個性的協同。

所謂“融合”是在技術創新和概念創新的基礎上對不同系統間共性的整合，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或者下一代網絡的融合，從而構成一張無所不在的大網。

所謂“協同”則是在技術創新和概念創新的基礎上對不同系統間個性的整合，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、競爭與協作的關系以滿足用于的業務和應用需求。

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互通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。

具體來說，異構網絡融合的實現分為兩個階段：一是連通階段，二是融合階段。

連通階段指各種網絡如傳感器網絡、RFID網絡、局域網、廣域網等都能互聯互通，感知信息和業務信息傳送到網絡另一端的應用服務器進行處理以支持應用服務。

融合階段是指在網絡連通層面的網絡平臺上，分布式部署若干信息處理的功能單元，根據應用需求而在網絡中對傳遞的信息進行收集、融合和處理，從而使基于感知的智能服務實現得更為精確。從該階段開始，網絡將從提供信息交互功能擴展到提供智能信息處理功能乃至支撐服務，并且傳統的應用服務器網絡架構向可管、可控、可信的集中智慧參與的網絡架構演進。因此，異構網絡融合不是對現有網絡的革命與顛覆，而是對現有網絡分階段的演進、有效地規劃異構網絡融合的研究與應用。

3.4 海量信息處理技術與云計算

在物聯網中，從末梢網絡采集了大量的數據，這些數據需要進行處理才能實現各種不同的應用需求。于是，海量信息智能處理與云計算技術應運而生。根據泛在無線網絡中數據信息的特點，可以采用諸如數據時間對準技術、集中式數據融合算法及分布式數據融合算法等技術進行數據融合，采用分類、估值、預言、相關性分組或關聯規則、聚集、描述和可視化、復雜數據類型(Text、Web、圖形圖像、視頻、音頻等)挖掘等進行數據挖掘。

目前，我們針對海量信息處理和云計算方面，建立了相應的實驗平臺，涵蓋網絡信息處理等領域的應用，圍繞機器翻譯、語言信息處理、海量信息存儲與搜索、網絡內容技術、語義計算、Web挖掘與服務、云計算、網絡通信及安全等若干領域的理論技術與應用開展研究。

4 結束語

如今，物聯網正越來越多地運用到人們的生活中。全中國的力量都被發動起來迎接物聯網時代的到來，作為科研力量之一的學校和科研團隊一直努力在物聯網研究方面做出有價值的工作，目前，我們研發了智慧校園系統、校園環境控制系統、云計算開發平臺，將各種信息與服務孤島融合成為一個統一的平臺，統一了門戶，統一了用戶的身份，實現了全校資源、服務和用戶的融合共享；采用云計算和新一代信息技術使校園服務逐步實現智慧化。將人才培養、科學研究、服務社會融為一體。需要融合、需要創新、需要共享，這是物聯網的方向。還有一個是面向服務、面向應用，而云計算就是基礎。相信，我們會繼續為物聯網時代做出更多有意義的成果。

在后互聯網時代的國家物聯網產業化發展和技術應用策略中應當高度重視泛在無線通信技術的研發，并加快推進與物聯網產業化應用的深度融合，以新興信息服務業為龍頭優先發展基于網絡的新興智慧服務產業，以社會發展的服務需求為導向發展物聯網。

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、各個產業的發展，需要多種力量的整合。這就需要國家的新興經濟產業政策和立法上要走在前面，要制訂出適合新興產業革命和發展的政策與法規，保證新興經濟的正常發展。

對于物聯網時代的新興產業和經濟發展，必須要有政府的政策支持，必須要有專門人員和專門機構來研究和協調，這樣物聯網才能真正帶動新興經濟的發展而大有作為。

5 參考文獻

[1] ITU Internet Reports 2005: The Internet of things [R]. ITU, 2005.

[2] GIUSTO D, IERA A, MORABITO G, et al. The Internet of things [M]. New York, NY, USA: Springer, 2010.

[3] 朱洪波,楊龍祥, 于銓. 物聯網的技術思想與應用策略研究 [J]. 通信學報, 2010,31(11) 1-8.

[4] 朱洪波, 楊龍祥, 朱琦. 物聯網技術進展與應用[J].南京郵電大學學報:自然科學版, 2011, 31(1): 1-7.

[5] 朱曉榮, 孫君, 齊麗娜, 等. 物聯網 [M]. 北京:人民郵電出版社, 2010.

[6] 沈蘇彬, 范曲立, 宗平, 等. 物聯網的體系結構與相關技術研究 [J]. 南京郵電大學學報:自然科學版,2009, 29(6):1-11.

[7] 馬凱, 莊奕琪, 程雪梅. 藍牙無線信道建模及系統仿真 [J]. 移動通信, 2004,(S3): 1-5.

[8] 戴迎. 藍牙室內信道模型與同頻干擾研究 [J]. 計算機工程與應用, 2008,(05): 12-17.

[9] 李揚. Wi-Fi技術原理及應用研究 [J]. 科技信息, 2010,06(1):241-241.

[10] 季曉澎. IEEE 802.11n關鍵技術研究 [D]. 北京郵電大學, 2009.

[11] 關健. 無線個人區域網ZigBee與Wi-Fi的干擾分析 [D]. 北京：北京郵電大學, 2009.

[12] 趙忠華, 皇甫偉, 孫利民, 等. 無線傳感器網絡管理技術 [J]. 計算機科學, 2011,01(01):08-14。

[13] 胡湘華. 無線傳感器網絡節點調度方法研究 [D]. 國防科學技術大學, 2008.

[14] Internet of things — An action plan for Europe [R]. Commission of the European Communities, 2009.

收稿日期：2012-02-20

作者簡介

朱洪波，南京郵電大學副校長、教授、博士生導師，南京郵電大學物聯網研究院院長、物聯網科技園董事長兼首席科學家，江蘇省重點學科“通信與信息系統”博士點學科帶頭人，江蘇省“無線通信”重點實驗室主任，教育部“泛在無線通信與傳感網技術”重點實驗室常務副主任，國際電信聯盟無線電通信局(ITU-R)第三研究組(SG3)副主席，中國電子學會學術工作委員會副主任、物聯網專家委員會副主任，中國通信學會無線電應用與管理委員會副主任，科技部國家“973”計劃信息學科領域專家組成員，國家自然科學基金通信學科評審專家組成員，工信部國家科技重大專項評審專家組成員，研究方向為移動通信與寬帶無線技術、泛在無線通信與物聯網技術、電波傳播與電磁兼容等。

楊龍祥，南京郵電大學通信與信息工程學院教授、博士生導師、副院長，通信技術研究所所長，江蘇省無線通信重點實驗室副主任，研究方向為寬帶無線通信、未來移動通信系統、協作通信和網絡編碼。

朱琦，南京郵電大學通信與信息工程學院教授、博士生導師，研究方向為移動通信與無線技術。