物联网产业化发展思路与泛在无线通信技术研究

中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1009-6868 (2012) 02-0001-04

摘要：文章基于物联网的特征、技术思想及其与新兴产业的关系，重点研究了实现物联网产业化应用的关键――泛在无线技术，主要包括末梢感知层、网络融合层、无线资源管理以及对数据进行综合处理的信息处理等关键技术。文章指出物联网的本质是利用“泛在网络”实现“泛在服务”,是一种更加广泛深远的未来网络应用形态。物联网正催生一场战略性新兴产业革命，将带来千载难逢的机遇，全面推动社会的经济振兴和社会进步。

关键词： 物联网；泛在网；后互联网；异构网络融合；云计算

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 物联网的技术思想

物联网作为全球战略性新兴产业已经受到国家和社会的高度重视。物联网的应用标志着互联网的发展已经开始进入一个新的历史阶段，而基于互联网的产业化应用和智慧化服务将成为下一代互联网的重要时代特征。物联网将充分发挥新一代信息通信技术的发展优势，与传统产业服务深度融合，促进传统产业的革命性转型，研究满足国家产业发展需求的信息化解决方案，推动信息服务产业的发展与建设，实现战略信息服务产业的智慧化；将形成以新兴信息服务业为龙头，网络运营业为支撑，网络设备制造业为补充的完善的产业结构。

物联网的技术思想可以定义为利用“泛在网络”实现“泛在服务”，是一种更加广泛深远的未来网络应用形态；其原意是用网络形式将世界上的物体都连接在一起，使世界万物都可以主动上网。它的基本方式是将射频识别设备(RFID)、传感设备、全球定位系统或其他信息获取方式等各种创新的传感科技嵌入到世界的各种物体、设施和环境中；把信息处理能力和智能技术通过互联网注入到世界的每一个物体里面，令物质世界被极大程度的数据化，并赋予生命；物联网希望世界万物能够智慧化地上网，使物体会“说话”、会“思考”、会“行动”。

物联网的本质就是借助于网络智慧化的实现，把各种事物以信息化的方式通过网络表现出来；物品能够利用RFID等传感技术彼此进行智慧“交流”，而无需人的干预；通过互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享。

物联网最为明显的特征是物物相连，而无需人为干预，从而极大程度地提升效率，同时降低人工带来的不稳定性。因此，物联网在行业应用中将发挥无穷的潜力。比如，将感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。

在一个网络物理平台上提供多种业务，这才是多域资源和服务融合的真正内涵。真正的多域融合以后，将会提供一个统一的网络平台，所有的业务就都可以在这个网络平台上实现，当然，接入方式是多种多样的，但整个网络将会是一个统一、融合的网。融合后的网络，将能够为用户的使用带来极大的方便。

物联网是一个多设备、多网络、多应用、互联互通、互相融合的一个大网，相关的接口、通信协议等都需要有一个统一标准来指导。而目前，各地的物联网都各有自己的标准。标准很多，又缺乏权威性，这就导致不同的物联网项目难以互通，成为一个个“孤岛”。仅仅RFID在全球就有几十个标准化组织出台了250个标准，而全球两万多种传感器的标准化现状可想而知。因此统一的标准对物联网产业化发展显得至关重要。不仅可以让各地正开展的示范应用的成功案例在其他地区进行有效复制，推而广之，并且能让一个个信息“孤岛”有效融合，整合资源链，在一定程度上避免重复建设带来的资源耗费从而提高效率。

广泛的物联网应用需求必将积极推进物联网标准体系的构建，建立跨行业、跨领域的物联网标准化协作机制，鼓励和支持企业积极参与国际标准化工作，推动中国具有自主知识产权的技术成为国际标准。国家将围绕物联网关键技术和产业，开展技术攻关和产业化推进工程，着力突破传感器网、物联网关键技术，加快通信网、传感网络以及物联网的结合，推动形成完整产业链和自主发展的规模产业化能力，提升整体产业层级和在国际分工体系的位置，推动形成具有国际竞争力的物联网制造和运营产业体系。国家将大力支持自主知识产权的创造和应用，鼓励企业建立专利联盟，加大对物联网知识产权保护和管理。

物联网的技术思想正在催生一场战略性新兴产业革命[1-3]，物联网时代的到来将给我们带来千载难逢的机遇。

物联网产业发展的核心价值是传促使传统产业在这场新兴产业革命的新一轮竞争中占领制高点，抢占先机，掌握主动权，引领世界信息化的发展与建设，全面推动社会的经济振兴和社会进步。

2 泛在无线技术是实现物

联网产业化应用的关键

物联网可以理解为是泛在网的应用形式[4]，而不是传统意义上的网络概念。

泛在网是在异构网络融合和频谱资源共享基础上实现无所不在的网络覆盖，是一种基于个人和社会的需求。

泛在网利用现有的和新的网络技术，实现人与人、人与物、物与物之间无所不在并且按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等综合服务的网络体系[5]。

泛在无线技术是泛在网在连接物质世界过程中实现末梢效应和边缘价值的核心技术，也是促进物联网产业化应用的关键。

泛在网通过泛在无线技术完成与物质世界的连接，并且实现环境感知、内容感知以及智慧性，为个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用。泛在网具有比物联网更广泛的内涵。

作为泛在无线技术重要组成部分的传感网可以看作是物联网的一种末梢网络和感知延伸网。传感网是多个由传感器、数据处理单元和通信单元组成的节点，通过自组织方式构成范围受限的无线局域网络。传感网为物联网提供事物的连接和信息的感知。

目前，与物联网紧密相关的无线通信技术已渗透到社会各领域，成为很多行业的支撑，并形成新的经济增长点。随着无线通信网络发展所呈现出的高速化、宽带化、异构化、泛在化趋势，由于泛在网络实现的关键就在于泛在无线技术，泛在无线通信成为近年来无线通信领域关注的热点之一。

作为泛在无线通信的一个重要应用，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，从长远来看，物联网的产业化应用有望成为后互联网时代经济增长的引擎。

通信网络正在朝着泛在网络发展，而泛在无线接入是泛在网络和物联网的核心和关键技术。泛在网络能够随时随地提供网络服务，泛在网络中用户通过智能终端可以从网络上获得除传统的话音、短信、视频业务外的各种各样的服务。泛在网络是一个无处不在的网络，人们可以在任意时间任意地点接入网络。泛在网络帮助人类实现在任何时间、任何地点，任何人、任何物都能顺畅地通信。通信对象可以是机器对机器、机器对人、人对机器和人对人。随着国民经济的发展和社会信息化水平的日益提高，泛在网络已经成为国内外政府、学术界、运营商、社会团体、设备厂商关注的重要话题。

3 泛在无线通信技术研究

进展

在物联网产业发展的过程中，关于泛在无线通信技术的研究进展已经在业界引起了广泛的关注，所涉及的关键无线技术主要包括：末梢感知层的关键技术、网络融合层的关键技术、无线资源管理的关键技术以及对数据进行综合处理的信息处理等关键技术。

3.1 末梢感知层

末梢感知层的关键技术主要涉及数据的感知、采集和传输技术，其中无线技术主要集中在数据传输部分。物联网的末梢网络主要是以无线传感器为代表的大规模自组织网络结构。传感器网络内部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器对不同的环境和信息进行感知并捕获数据。传感器按一定周期采集不同类型的数据，所采集的信息内容和信息格式也不同。数据采集需要采用短距离低功率的无线通信技术，之后要将数据传输到控制中心或者处理平台，经过处理后，由应用平台控制实现不同的系统应用。因为本文主要探讨物联网与无线技术，因此，以下着重说明短距离无线通信技术和无线传感器网络。

3.1.1 短距离无线通信技术

鉴于物联网的无线连通方式有部署灵活、移动性、渗透性强等特点，近年来，世界众多站在技术前沿的国家和企业在制订标准、研究新技术和应用解决方案方面纷纷予以关注，以期掌握市场主动。国家近期也通过一系列措施支持和鼓励中短距离无线通信、与无线传感技术相关技术的研发和产业化。

短距离无线通信尤其适合物联网的感知延伸层的组网和应用，尤其以无线个域网(WPAN)为主的无线通信网络为主要内容。目前，主流的微功率短距离的无线通信技术如WLAN、UWB、RFID[6]、Bluetooth、Zigbee、60 GHz毫米波的WPAN等，其中大部分技术的工作频率都集中在了2.3～2.4 GHz频段上。2.4 GHz频段无线系统主要有Bluetooth、Wi-Fi、Wireless USB、Zigbee以及无绳电话和微波炉等系统与设备。如此密集的系统分布，必然造成该频段的资源紧缺，频谱日益拥挤，电磁兼容问题日益凸现。

蓝牙(Bluetooth)技术[7-8]是一种适用于短距离无线数据与语音通信的开放性全球规范。目前，蓝牙技术已经经历了艰难的酝酿阶段，进入了全面起飞阶段。蓝牙越来越多地嵌入到中高档产品中，如PDA、移动电话、无绳电话、台式计算机、笔记本计算机、MP3播放机、数字相机和便携式上网设备等，并从移动信息电器逐步拓展到汽车、工业控制、医疗设备等新的领域。

Wi-Fi[9-10]是一种可以将个人电脑、手持设备(如PDA、手机)等终端以无线方式互相连接的技术。其技术标准采用IEEE 802.11b标准。Wi-Fi可以帮助用户访问电子邮件、Web和流式媒体。它为用户提供了无线的宽带互联网访问。同时，它也是在家里、办公室或在旅途中上网的快速、便捷的途径。在物联网应用中，Wi-Fi将作为无线和有线相连接、短距离与长距离通信相衔接的桥梁，发挥更大的作用。

Zigbee[11]使用IEEE 802.15.4标准作为媒体访问控制(MAC)和物理(PHY)层规范，并在此基础上定义了应用层(APL)、网络层以及用户应用框架。

Zigbee之所以能在自动控制领域得到广泛应用，是由于它自身具备的多种优点，包括低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全、免执照频段。

总之，除了底层的传感器技术、海量的IPv4/IPv6地址资源、自动控制、智能嵌入等配套技术之外，实现真正的无所不在的、大规模的物与物联网，更为重要的是在传输层实现统一协作的通信协议基础，而这其中，各种无线电通信技术，将起到特别关键作用。

WPAN、WLAN、NGBWA等无线通信技术，以及基于这些无线技术相结合的融合应用将是物联网产业链中，最为重要的组成部分。

3.1.2 无线传感器网络

无线传感器网络[12-13]将以其网络规模大、自组织性强、网络拓扑动态变化强、以数据为中心等优势成为物联网不可或缺的主要部分。

ITU架构中泛在传感器网络、基础骨干网络和泛在传感器接入网络是物联网网络架构中可能采用无线传输技术的部分，也是物联网频谱需求的主要来源。

传感器网络基础骨干网络以传统的公共移动通信网络和数字集群网络为代表，泛在传感器接入网络则以短距离无线传输技术为代表。

物联网在各个行业(如智能家居、智能安全、动物溯源、智能医院、智能交通、智能物流等)领域应用中，末端设备和设施，包括具备“内在智能”的(如传感器、移动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等)和“外在使能”的(如贴上RFID的各种资产、携带无线终端的个人与车辆甚至“智能尘埃”等)物理界实体，都需要通过各种传感器设备、无线、有线的通信网络实现互联互通，以实现其“智能化物件或动物”的特质，这其中无线传感器网络的应用需求最为强烈。

目前，我们在无线传感器网络方面研发的技术包括：

・无线传感网接入技术，内容包括基于无线传感器网络的多网络融合系统结构和多种无线传感器网络接入技术的比较。

・无线传感网路由技术，内容包括无线传感器网络路由协议设计。

・无线传感网拓扑控制技术，内容包括无线传感器网络功率控制技术和典型的拓扑控制方法。

・无线传感网中数据聚合与管理，内容包括无线传感网数据聚合技术，无线传感网数据管理技术以及无线传感网安全技术。

3.2 无线频谱资源应用与管理策略

我们对物联网应用过程中对无线资源特别是无线频谱资源的需求做了分析。

在末梢网络中，以无线传感器网络的频谱需求为例，无线传感器网络所能提供的无线通信带宽是十分有限的，特别是在2.4 GHz的通信频段上，聚集了蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等无线网络，使得该频段的信道变得十分拥挤。

从全局的观点考虑，根据ITU-R M.2078等国际报告[14]，4G还需要352～1 152 MHz的频率，这些频谱都是按照4G的用户流量模型为人与人的通信而设计的，并不包括物联网的频谱需求，因此解决物联网的频谱需求的难度远远大于4G。

无线频谱资源紧张可能成为物联网应用的“瓶颈”问题。同时，我们发现，可以通过有效的资源管理机制实现频谱的合理和高效再利用，从而解决频谱资源紧张问题，使资源的供需达到平衡。

无线资源管理可以从国家政策和规划角度得到很好的再配置，我们也对该方面提出了相关的建议。例如对物联网频谱的合理规划与管理、物联网频率划分调整及频率保护政策、参照国际惯例对物联网频谱进行规划、建立物联网的流量模型及常见应用模型、为典型的物联网应用制订频谱标准、借鉴频谱拍卖机制适当实施频谱开放计划等等。

目前，我们主要从技术方面提出了适合于物联网无线资源管理的各种措施，包括：从空时频能复用角度，开发频谱池、频谱聚合、智能天线、软件无线电、多点协作等技术；在授权频段开发D2D直通技术，在非授权频段，开发多种短距离通信技术共存技术等；从系统级角度开发频谱分析、频谱决策、频谱监视、频谱搬移和频谱共享等频谱管理技术；从频谱二次利用角度开发可见光通信、太赫兹通信、白色空间通信以及开发2.5 GHz、3.3～3.4 GHz、3.5 GHz、5 GHz、5.15～5.725 GHz等新频段业务；此外，在无线资源管理方面，着重开发无线技术的电磁兼容和电磁干扰技术，为无线资源的有效复用、多种技术和系统的高效共存提供保障。

3.3 异构网络融合与协同技术

网络的异构性主要体现在以下几个方面：

・不同的无线频段特性导致的频谱资源使用的异构性。

・不同的组网接入技术所使用的空中接口设计及相关协议在实现方式上的差异性和不可兼容性。

・业务的多样化。

・终端的多样化。

不同运营商针对异构网络所实施的相应的运营管理策略不同。

以上几个方面交叉联系，相互影响构成了无线网络的异构性。这种异构性对网络的稳定性、可靠性和高效性带来了挑战，同时给移动性管理、联合无线资源管理、服务质量保证等带来了很大的问题。

网络融合的主要策略可以理解为各种异构网络之间，在基础性网络构建的公共通信平台之上，实现共性的融合与个性的协同。

所谓“融合”是在技术创新和概念创新的基础上对不同系统间共性的整合，具体是指各种异构网络与作为公共通信平台的移动通信网或者下一代网络的融合，从而构成一张无所不在的大网。

所谓“协同”则是在技术创新和概念创新的基础上对不同系统间个性的整合，具体是指大网中的各个接入子网通过彼此之间的协同，实现共存、竞争与协作的关系以满足用于的业务和应用需求。

不同通信网络的融合是为了更好地服务于异构通信网络的协同。协同技术是实现多网互通及无线服务的泛在化、高速化和便捷化的必然选择，也是未来的物联网频谱资源共享亟待解决的问题。

具体来说，异构网络融合的实现分为两个阶段：一是连通阶段，二是融合阶段。

连通阶段指各种网络如传感器网络、RFID网络、局域网、广域网等都能互联互通，感知信息和业务信息传送到网络另一端的应用服务器进行处理以支持应用服务。

融合阶段是指在网络连通层面的网络平台上，分布式部署若干信息处理的功能单元，根据应用需求而在网络中对传递的信息进行收集、融合和处理，从而使基于感知的智能服务实现得更为精确。从该阶段开始，网络将从提供信息交互功能扩展到提供智能信息处理功能乃至支撑服务，并且传统的应用服务器网络架构向可管、可控、可信的集中智慧参与的网络架构演进。因此，异构网络融合不是对现有网络的革命与颠覆，而是对现有网络分阶段的演进、有效地规划异构网络融合的研究与应用。

3.4 海量信息处理技术与云计算

在物联网中，从末梢网络采集了大量的数据，这些数据需要进行处理才能实现各种不同的应用需求。于是，海量信息智能处理与云计算技术应运而生。根据泛在无线网络中数据信息的特点，可以采用诸如数据时间对准技术、集中式数据融合算法及分布式数据融合算法等技术进行数据融合，采用分类、估值、预言、相关性分组或关联规则、聚集、描述和可视化、复杂数据类型(Text、Web、图形图像、视频、音频等)挖掘等进行数据挖掘。

目前，我们针对海量信息处理和云计算方面，建立了相应的实验平台，涵盖网络信息处理等领域的应用，围绕机器翻译、语言信息处理、海量信息存储与搜索、网络内容技术、语义计算、Web挖掘与服务、云计算、网络通信及安全等若干领域的理论技术与应用开展研究。

4 结束语

如今，物联网正越来越多地运用到人们的生活中。全中国的力量都被发动起来迎接物联网时代的到来，作为科研力量之一的学校和科研团队一直努力在物联网研究方面做出有价值的工作，目前，我们研发了智慧校园系统、校园环境控制系统、云计算开发平台，将各种信息与服务孤岛融合成为一个统一的平台，统一了门户，统一了用户的身份，实现了全校资源、服务和用户的融合共享；采用云计算和新一代信息技术使校园服务逐步实现智慧化。将人才培养、科学研究、服务社会融为一体。需要融合、需要创新、需要共享，这是物联网的方向。还有一个是面向服务、面向应用，而云计算就是基础。相信，我们会继续为物联网时代做出更多有意义的成果。

在后互联网时代的国家物联网产业化发展和技术应用策略中应当高度重视泛在无线通信技术的研发，并加快推进与物联网产业化应用的深度融合，以新兴信息服务业为龙头优先发展基于网络的新兴智慧服务产业，以社会发展的服务需求为导向发展物联网。

物联网不仅需要技术革命，它更是牵涉到新兴经济领域各个行业、各个产业的发展，需要多种力量的整合。这就需要国家的新兴经济产业政策和立法上要走在前面，要制订出适合新兴产业革命和发展的政策与法规，保证新兴经济的正常发展。

对于物联网时代的新兴产业和经济发展，必须要有政府的政策支持，必须要有专门人员和专门机构来研究和协调，这样物联网才能真正带动新兴经济的发展而大有作为。

5 参考文献

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收稿日期：2012-02-20

作者简介

朱洪波，南京邮电大学副校长、教授、博士生导师，南京邮电大学物联网研究院院长、物联网科技园董事长兼首席科学家，江苏省重点学科“通信与信息系统”博士点学科带头人，江苏省“无线通信”重点实验室主任，教育部“泛在无线通信与传感网技术”重点实验室常务副主任，国际电信联盟无线电通信局(ITU-R)第三研究组(SG3)副主席，中国电子学会学术工作委员会副主任、物联网专家委员会副主任，中国通信学会无线电应用与管理委员会副主任，科技部国家“973”计划信息学科领域专家组成员，国家自然科学基金通信学科评审专家组成员，工信部国家科技重大专项评审专家组成员，研究方向为移动通信与宽带无线技术、泛在无线通信与物联网技术、电波传播与电磁兼容等。

杨龙祥，南京邮电大学通信与信息工程学院教授、博士生导师、副院长，通信技术研究所所长，江苏省无线通信重点实验室副主任，研究方向为宽带无线通信、未来移动通信系统、协作通信和网络编码。

朱琦，南京邮电大学通信与信息工程学院教授、博士生导师，研究方向为移动通信与无线技术。