泛在/物联网研究

1 泛在/物联网发展的必然性和重要性
    通信网、互联网、传感器网、延伸和识别技术集成融合构建泛在信息基础网络。目前信息网络正从被动地接受、传输信息到主动采集、处理和利用信息，开始加速向物质领域、人物互动感知领域的延伸，并广泛应用到基础设施、物流配送、环境保护、安全生产和军事防御等领域，实现物质世界实时便捷的资源配置和科学管理。广泛分布的传感器、射频识别(RFID)和嵌入式智能小物体使物理实体具备了感知、计算、存储和执行的能力，不断推动物理世界的智能化。通信网、互联网、传感器网和识别技术融合集成将构建未来的泛在网，使信息沟通从人与人向人与物、物与物扩展延伸，实现信息共享和业务协同。泛在/物联网的出现开辟了人类发展的泛在领域，让人们可以更好地适应资源环境，增加从有知走向未知的探索信心。同时，也

使得人、环境和自然的协调适应和发展具备更了加广阔的前景。新一代信息通信基础设施深入渗透生产活动和生活方式，构建了人类发展和文明演化的全新网络环境，成为经济社会发展的关键载体。

    泛在/物联网将成为中国经济社会发展的新兴战略性产业。国际金融危机对世界经济影响深远，对中国经济发展既是机遇也是挑战。国家领导人已敏锐地意识到这次机遇，温家宝总理在无锡视察中科院相应技术研发中心时提出至少3件事情可以尽快去做：一是把传感系统和3G中的时分(TD)技术结合起来；二是在国家重大科技专项中，加快、推进传感网的发展；三是尽快建立中国的传感信息中心，或者叫“感知中国”中心。2009年11月3日温总理在首都科技界的发言中把传感网、物联网、后IP时代等相关关键技术，作为中国未来经济社会发展新兴战略性产业之一。围绕泛在/物联网，涉及光通信、无线通信、计算机控制、多媒体、网络、软件、微电子、光电子材料和器件、纳米技术电子、自动化等新信息通信技术创新，将会快速向传统产业渗透，衍生、催生新的业态，引领中国在后危机时代占领经济发展制高点。

2 泛在网、物联网、传感器网的定位分析
    传感器网、物联网、泛在网的概念来源不同，内涵有所重叠但强调的侧重点不同。传感器网络（也称传感网）是利用各种传感器（光、电、温度、湿度、压力等）加上中低速的近距离无线通信技术构成一个独立的网络, 是由多个具有有线/无线通信与计算能力的低功耗、小体积的微小传感器节点构成的网络系统，它一般提供局域或小范围物与物之间的信息交换。物联网是指在物理世界的实体部署具有一定感知能力、计算能力或执行能力的各种信息传感设备，通过网络设施实现信息传输、协同和处理，从而实现广域的人与物、物与物之间信息交换需求的互联。泛在网是指基于个人和社会的需求，利用现有的和新的网络技术，实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务。泛在网络超强

的环境感知、内容感知及其智能性，为个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用。

    未来的泛在网、物联网、传感器网各有定位：传感器网是泛在/物联网的组成部分，物联网是泛在网发展的物联阶段，通信网、互联网、物联网之间相互协同、融合是泛在网发展的目标。

    传感器网最主要的特征是利用各种各样的传感器加上中低速的近距离无线通信技术，比如说ZigBee这样的技术构成一个独立的网络,它将重点解决局域或小范围的物与物信息交换。它是物联网末端采用的关键技术之一。

    物联网将解决广域或大范围的人与物、物与物之间信息交换需求的联网问题。它强调应用，包括各种末端网、通信网络和应用3个层次，其中末端网包括各种实现与物互联的技术，如传感器网络、RFID、二维码、短距离无线通信技术、移动通信模块等。物联网采用各种不同的技术把物理世界的各种智能物体、传感器接入网络。一种是网络本身深入到物体，采用通信网或互联网的网络技术把这种把智能物体接入网络（例如采用IPv6的技术）；另一种技术是采用通信网或互联网的延伸技术把智能物体、传感器接入网络。具体的延伸技术可以是采用传感器网络把传感器接入网络，也可以采用近距离无线通信技术，例如超宽带(UWB)、近距离无线传输(NFC)和RFID等，把智能物体、传感器接入网络。物联网通过接入延伸技术，实现末端网络（个域网、汽车网、家庭网络、社区网络、小物体网络等）的互联来实现了人与物、物与物之间的通信。在这个网络中，机器、物体和环境都将被纳入人类感知的范畴，利用传感器技术、智能技术，所有的物体将获得生命的迹象，从而变得更加聪明，实现了数字虚拟世界与物理真实世界的对应或映射。

    虽然不同概念的起源不同，侧重点也不一致，但从发展的视角来看，未来的网络发展看重更多的是无处不在的网络基础设施的发展。它能够帮助人类实现“4A”化通信，即在任何时间(anytime)、任何地点(anywhere)，任何人(anyone)、任何物(anything)都能顺畅地通信。通过新的信息通信技术改变我们传统的生产方式、工作方式、生活方式，并深入到生活、工作的方方面面，包括知识结构、社会关系、经济和商业生活、政治、媒体、教育、医疗和娱乐等，由此解决社会与经济问题，实现由信息通信技术(ICT)所能达到的信息化发展的蓝图。因此，要实现上述的蓝图，物联网将从最初一个个单独的网络应用，发展并融入到一个大的网络环境中，而这个大的网络环境就是泛在网。泛在网需要这些信息基础设施实现互联、互通，需要资源共享、协同工作，需要进行信息收集、决策分析，因此很自然地就提出了对海量数据的存储、计算的需求。通过云计算、超级计算机技术来实现存储资源、计算资源、软件资源的整合与共享，可以像水和电一样，为用户提供一种统一的简便的资源利用方式。因此超级计算机和云计算将是泛在网信息基础设施中重要的技术。泛在网络目标是向个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用。从网络技术角度看，泛在网是通信网、互联网、物联网高度融合的目标，它将实现多网络、多行业、多应用、异构多技术的融合和协同。如果说通信网、互联网发展到今天解决了人与人信息通信的问题，物联网则实现网络连接、接入、延伸到物理世界的泛在物联阶段，解决人与物、物与物的通信。通信网、互联网、物联网各自的发展是泛在网

初级发展阶段，泛在网的最终目标是通信网、互联网、物联网的高度融合和协同。

3 泛在/物联网标准研究挑战和机遇并存
    泛在网国际标准组织甚多但缺少领军和主线。泛在网涉及的技术广泛，多个国际标准化组织和工业标准化组织都在从事泛在网相关的标准化工作，如图1所示。

    其中国际电信联盟远程通信标准化组(ITU-T)、欧洲电信标准化协会机器到机器(ETSI M2M)技术委员会、国际标准化组织/国际电工委员会JTC SC6

    泛在网中国标准研究在积累基础、创新发展上大有机会。中国信息通信业对泛在网进行了长期的跟踪、研究，并在相应的中国标准组织进行了标准研究。中国通信标准化协会(CCSA)的技术工作委员会TC3、TC5、TC8，已经对泛在网的需求和架构、M2M业务研究、无线传感器网络(WSN)与电信网结合的总体技术要求、TD网关设备要求、无线传感网安全技术要求等进行了研究和行业标准的制定，同时还完成了M2M技术的移动通信网物流信息服务的一系列标准。信息技术标准化委员会的传感器网络工作组，启动了传感器网的总则/术语、通信与信息交互、接口、安全、标识、应用标准化工作。由于泛在网涉及的业务广泛、行业应用宽泛、成本的问题，泛在网的发展急需解决的问题就是其标准化，通过标准化和规模使用降低其应用成本。国际化标准发展的模糊性和不确定性，导致还没有哪一个国家对其具有绝对的引导和控制的实力，因此给中国的产业界在未来泛在网的发展提出挑战的同时也赋予了重大的机会。

4 泛在/物联网的应用及发展现状
    中国移动、中国电信、中国联通正积极筹备在中国城市智能家居、停车场服务等M2M公众业务，部分电信运营商正在进行物联网在农业行业应用的示范，包括对环境信息、土壤信息、营养信息、生长信息等的监测和控制。例如上海浦东国际机场防入侵系统、中国移动的“动物溯源系统”、汶川地震灾害发生后部署的无线传感网通信系统、中国电信全球眼系统。

    从2001年开始，在国家自然科学基金、国家“863”计划基金的支持下，高校和研究机构在传感器网络技术和协议、数据协同处理和管理、传感器节点等方面开展了深入研究，在面向安防、环境监测、农业等行业应用的数据处理和组网应用上取得突破，但传感器、传感器节点平台、操作系统和物理层通信等基础性研究方面仍落后于其他国家。

    中国RFID在低频、高频、超高频和微波产业链的成熟度各不相同。低频和高频RFID产业链的发展已经非常成熟，既拥有从芯片设计、制造、封装到读写机具生产、应用软件开发的全部技术支撑群体，也拥有庞大的用户群，市场占有份额大。在超高频RFID领域，中国已经完成了超高频芯片的开发，目前开始出现一些成熟产品，制造工艺也在不断提升与改进，产业链逐渐成熟。但是国际上在该领域仍占据主导地位，中国还存在许多技术空白点，需要进一步加大研发。在微波RFID领域，中国目前还处于研发阶段，成熟和批量化的产品较少，产业链尚不成熟。总体上看，中国RFID产品的性价比低于发达国家同类产品，在市场上还不具有竞争优势。

    中国嵌入技术的开发与应用走过了多年的历程，但与发达国家相比，存在整体产业链结构不均衡的问题。作为一个联动性很强的产业，中国的嵌入式系统发展存在明显的断点：一是上游嵌入式芯片的设计企业过于依赖原料加工，工业附加值和利润很低，与国际上嵌入式芯片企业的高利润形成很大反差。其根本原因在于中国的企业缺乏核心技术，尤其是在集成电路芯片、IP核和关键元器件等方面基本上依赖于其他国家。二是在嵌入式软件领域，大部分都是硬件企业自主研发使用，软件企业外包服务的嵌入式软件仅占10%左右；而最为核心的嵌入式操作系统、数据库和开发工具等，国际品牌都占据了绝对优势，本土品牌虽有少数参与者，但在规模上无法与国际品牌进行竞争。

    综上所述中国物联网所涉及的关键技术，特别是传感技术与嵌入式智能技术，在芯片设计与制造、软件系统等方面力量薄弱，整体产业处于初级发展阶段。

5 发展泛在/物联网的举措
    随着泛在网时代的到来，一系列创新的应用和服务将会应运而生，需求方、供应方、研究机构和政府等利益相关方也相应组成新的产业链。同时，作为一个发展中国家和产品制造大国，中国必须抓住泛在网发展的战略机遇期，采取切实行动，早日攻破核心技术，进行产业布局，推动泛在网发展,前瞻性地抢占信息通信技术发展的制高点。

    (1) 增强政府宏观调控
    泛在网的发展关系到中国未来发展和科技实力，因此应从国家全局出发，进行统筹规划。加强对泛在/物联网、未来互联网发展的研究，确定泛在网发展战略和目标，并通过一系列切实可行的举措进行推动，形成政府、制造企业、微电子企业、行业用户、运营企业、服务企业等多方共举，共同推动泛在网发展的良好局面。

    (2) 稳抓核心技术
    加强泛在网核心技术研究，突破产业制造的瓶颈，在芯片制造、低成本低功耗器件、联网技术等方面获得突破。泛在网涵盖多种技术，产业关联度高，产业辐射效应大，产业上下游应通力合作，加强技术研究，提高企业的核心竞争力和自主创新能力。

    (3) 加强产业链和行业之间的相互合作
    泛在/物联网技术涉及跨行业、跨领域、跨学科的最新ICT技术，因此完整的物联网产业链也包括众多的元素，其中通信芯片商、通信模块商、传感器制造商、传感网节点制造商、应用软件提供商、系统集成商、物联网服务提供商、传统电信运营商、原始设备制造商、消费者、管理咨询提供商和测试认证提供商是整个物联网产业的主要组成部分。但产业链的核心是通信芯片商、传感器制造商、传感网节点制造商、系统集成商、电信运营商这几个部分，特别是在推动新的应用时，可能要改变行业旧的管理体制和工作模式，因此产业链的各个环节以及行业的之间的合作就尤其重要，政府在其中搭建公共的平台将促进这种横向和纵向的合作。

    虽然泛在网业务众多，但从国际上的发展情况来看，各个国家和地区都有所偏重，比如美国是汽车信息通信、北欧是自动抄表。从当前中国用户经济状况及市场发展趋势来看，智能电网、智能家居、电力抄表、节能环保监控等应用将会是泛在网产业的领跑者，在这些重点行业中选取一到两个进行泛在网的试点，在成功后可以进行宣传和组织各行各业学习，将有利于泛在网在中国的推广。

    (4) 重视泛在网标准研究
    泛在网络将提供人与人、人与物、物与物的服务，这些服务涉及到人们的日常生活、工作、健康、安全等各个方面。因此作为服务者，泛在网要涉及到现实生活的各个行业领域，例如文教、卫生、交通、金融等，而现有的通信网、互联网的标识体系并不能满足人与物、物与物的物联网应用的需求，也不能适应未来泛在网的要求。这个标识体系和其对应的解析体系将是通信网、互联网、物联网融合的主要内容，将是各个国家未来除了网络地址（例如IPv6）之后，抢占泛在网网络资源的又一重要高地。因此加强国际合作，积极参与国际标准化工作，抓住这个有利时机，推动中国泛在网自主创新技术，并被吸纳为国际标准，引领产业界占领该领域的制高点。

收稿日期：2010-03-05

(ISO/IEC)主要研究泛在/物联网整体框架方面的标准；美国电气电子工程师学会(IEEE)研究IEEE802.15低速近距离无线通信技术标准；互联网工程任务组(IETF) 6LoWPAN ROLL针对基于IEEE802.15.4的IPv6、低功耗网络路由的研究；第三代伙伴项目(3GPP)结合移动通信网研究M2M的需求、架构以及对无线接入的优化技术；开放移动联盟(OMA)对设备管理的研究；还有一些论坛和服务数据对象(SDO)也在研究相应的一些与泛在服务有关的行业应用标准。总体上泛在网相关标准化工作仍处于起步阶段，涉及的标准化研究内容也分散在不同的标准组织，不同的标准组织之间的也没有统筹部署研究目标、协调研究内容。ITU-T的成员虽然来自主权国家的政府和相关的产业界，但是目前的研究也仅针对泛在网的架构和需求，并没有和其它标准组织的研究紧密结合，并缺少统一的推进和部署。

[摘要] 泛在/物联网是信息通信技术发展的趋势之一，它将带动信息产业的整体发展，成为中国经济社会发展的新兴战略性产业。文章基于对传感器网、物联网及泛在网的定位分析，明确了泛在/物联网的内涵，指出泛在/物联网在给中国带来机遇的同时也面临标准化程度不高、关键技术力量薄弱等挑战。文章认为中国必须抓住泛在/物联网发展的战略机遇期，采取切实行动，前瞻性地抢占信息通信技术发展的制高点。

[关键词] 泛在网；物联网；传感器网

[Abstract] Development of Ubiquitous Network and Internet of Things has become a strategic industry in China’s economic and social development. In the future, it will lead the development of the information industry as a whole. Based on a comparative analysis of sensor networks, Internet of Things, and Ubiquitous Network, this paper clarifies their connotations, highlights the opportunities they have opened up, and discusses challenges—such as poor standardization and weak key technology. Furthermore, this paper highlights the necessity for China to seize upon opportunities of Ubiquitous Network and Internet of Things development, to take effective and proactive action, and to occupy the high ground of information and communication technology.

[Keywords] Ubiquitous Network; Internet of things; sensor network