1 物聯(lián)網(wǎng)與M2M的關系
M2M是一種以機器終端智能交互為核心的、網(wǎng)絡化的應用與服務。它通過在機器內(nèi)部嵌入無線通信模塊，以無線通信等為接入手段，為客戶提供綜合的信息化解決方案，以滿足客戶對監(jiān)控、指揮調(diào)度、數(shù)據(jù)采集和測量等方面的信息化需求。
從定義上看，M2M的定義是Machine to Machine，將通信能力植入機器，以機器終端智能交互為核心的、網(wǎng)絡化的應用與服務;而物聯(lián)網(wǎng)的定義是Thing toThing，將感知、通信、處理能力植入物體，具有全面感知、可靠傳送、智能處理特征的連接物理世界的網(wǎng)絡。因此物聯(lián)網(wǎng)在定義上從機器的通信發(fā)展到物與物之間的通信，擴大了通信的范疇。
從內(nèi)涵上看，M2M強調(diào)的是機器與機器之間的可靠通信，而物聯(lián)網(wǎng)并重強調(diào)信息的全面感知，可靠傳送、智能處理，是物聯(lián)的網(wǎng)絡，是通過信息技術對物理世界的多維度呈現(xiàn)與智能反饋。因此物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)涵上從通信為核心的服務發(fā)展到以信息為核心的服務。
從感知能力上看，M2M已具備通過M2M終端連接外部設備，獲得條形碼、RFID、傳感器、攝像頭等感知能力，由于受到終端能耗、體積和移動通信網(wǎng)絡覆蓋等影響，只能實現(xiàn)信息的有限感知，而物聯(lián)網(wǎng)補充了傳感器網(wǎng)絡作為感知神經(jīng)末梢網(wǎng)，由于其易部署、低能耗、自組網(wǎng)等特點，可以幫助實現(xiàn)信息的全面感知。
從通信能力上看，M2M是以移動通信為主，只能實現(xiàn)信息的有限傳送，而物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)多種通信技術的結合，將通信網(wǎng)絡作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎設施，實現(xiàn)信息的更自由傳送。從應用場景上看，M2M由于受網(wǎng)絡覆蓋、終端能耗、終端體積、部署成本的影響，主要應用在機器監(jiān)控領域；物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展會帶來感知能力、網(wǎng)絡能力及處理能力的全面提升，在應用場景上將更大的豐富。
綜上所述，M2M是物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)階段最普遍的應用形式。
2 物聯(lián)網(wǎng)總體架構需求分析
2．1業(yè)務發(fā)展對物聯(lián)網(wǎng)總體架構的需求
業(yè)務發(fā)展對物聯(lián)網(wǎng)總體架構有如下3方面需求。
2．1．1實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)信息服務提供商的需求
國內(nèi)與全球運營商面臨物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務開展的共同問題，即是僅能提供基于網(wǎng)絡的通信服務，而且由于大部分物聯(lián)網(wǎng)終端通信產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量比較小，因此單終端ARPU值明顯低于手機用戶。因此，運營商如果希望在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中獲取更大的話語權，實現(xiàn)從通信服務到信息服務的提升，必須建設一套體現(xiàn)運營商核心價值的物聯(lián)網(wǎng)運營架構。
2．1．2統(tǒng)一服務能力，尋求與行業(yè)深入合作的需求與行業(yè)深入合作的端到端應用需要有效的商業(yè)模式來支持，同時也需要有效的技術架構來配合。為了推動產(chǎn)業(yè)鏈上下游的合作，便于行業(yè)集成商快速開發(fā)應用，低成本部署與維護業(yè)務，需要要統(tǒng)一服務能力，并提供開放的開發(fā)與調(diào)用接口。
2．1．3統(tǒng)一運營支撐能力，降低運營成本的需求
現(xiàn)網(wǎng)已有的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，大部分沒有按照統(tǒng)一的技術標準來開發(fā)與運營，造成難以形成規(guī)模優(yōu)勢，運營成本較高，尤其物聯(lián)網(wǎng)終端無人值守的特征，若沒有統(tǒng)一的技術標準，運維的成本更會顯著增加。因此有必要在全網(wǎng)推廣統(tǒng)一的技術架構、統(tǒng)一的通信協(xié)議、統(tǒng)一的終端能力。
2．2技術發(fā)展對物聯(lián)網(wǎng)總體架構的需求
物聯(lián)網(wǎng)在機器到機器通信的基礎上，更強調(diào)對物理世界信息的全面感知、可靠傳輸和智能處理，因此對應物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡層、應用層分別需要增強以下功能：
感知層：增加傳感器網(wǎng)絡等局域網(wǎng)絡接入及管理能力，增加感知外設即插即用及管理能力；感知設備低能耗、小型化、低成本要求等。
網(wǎng)絡層：增加傳感器網(wǎng)絡管理等局域網(wǎng)絡管理能力；增加對外設和物品的管理能力；基于接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)的優(yōu)化滿足業(yè)務規(guī)模發(fā)展的需求；增加端到端QoS、安全要求；增加物品和感知外設等感知對象和能力的統(tǒng)一編碼和尋址能力。
應用層：增加海量信息存儲、共享能力；增加信息挖掘和聚合能力。
3 物聯(lián)網(wǎng)總體架構介紹
對應物聯(lián)網(wǎng)3層參考體系架構，為了滿足統(tǒng)一架構、統(tǒng)一協(xié)議、統(tǒng)一終端能力的物聯(lián)網(wǎng)總體技術需求，對物聯(lián)網(wǎng)總體技術架構設計如圖1所示。
圖1 物聯(lián)網(wǎng)總體技術架構圖
在感知層，物聯(lián)網(wǎng)終端形態(tài)包括普通M2M終端、感知接入網(wǎng)關、感知子網(wǎng)節(jié)點、手持終端、終端外設及卡識讀物等。感知層的主要功能是信息采集與封裝，以及對上層下達控制命令的執(zhí)行。
普通M2M終端是指嵌入遠距離通信模塊(包括移動通信模塊或者是有線接入通信模塊)的通信設備，包含終端中間件和終端應用兩部分，終端中間件是終端能力的匯集、封裝和開放的部件，終端應用是駐留在終端上的應用邏輯。終端外設是指傳感器、控制器、GPS、攝像頭、條碼讀寫器、RFID讀寫器等外部裝置。卡識讀物是指條碼或者是RFID標簽。感知接入網(wǎng)關是指將感知層子網(wǎng)接入運營商網(wǎng)絡的網(wǎng)關設備，包括網(wǎng)關中間件和網(wǎng)關應用兩部分。感知層子網(wǎng)包括無線傳感器網(wǎng)絡、Wi—Fi網(wǎng)絡、有線局域網(wǎng)等局域網(wǎng)絡。子網(wǎng)節(jié)點為接入到感知接入網(wǎng)關的感知子網(wǎng)終端設備，包括節(jié)點中間件與節(jié)點應用量部分。子網(wǎng)節(jié)點同時也可以接終端外設和卡識讀物。手持終端是指具有遠距離通信能力、數(shù)據(jù)存儲和處理能力，人機界面交互能力的便攜設備，包含終端中間件和終端應用兩部分，可視具體應用情況而具備M2M終端、感知接入網(wǎng)關或感知子網(wǎng)節(jié)點的功能。
在網(wǎng)絡層，主要包括接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)、業(yè)務網(wǎng)、網(wǎng)管系統(tǒng)和業(yè)務支撐系統(tǒng)。其中接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)在承載基本通信能力以外，還考慮為機器到機器通信進行優(yōu)化，由于現(xiàn)有網(wǎng)絡是基于人人通信設計的，對于機器通信具有不同的話務模型，可以通過優(yōu)化來降低網(wǎng)絡成本，為大規(guī)模機器接入提供技術支撐。而業(yè)務網(wǎng)中的M2M業(yè)務中間件是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務運營能力、統(tǒng)一通信服務能力，信息服務能力的核心業(yè)務能力集。網(wǎng)絡層的主要功能是實現(xiàn)應用層與感知層之間信息的可靠傳送，以及對應用與感知設備的管理與鑒權。
接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)在提供已有功能的基礎上都需要針對物聯(lián)網(wǎng)通信特征進行優(yōu)化，并開放M2M能力，并與業(yè)務網(wǎng)協(xié)同形成整體的網(wǎng)絡能力。業(yè)務網(wǎng)主要是封裝運營商的全部通信能力、業(yè)務管理能力、感知層遠程維護能力，并向應用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的開放接口。網(wǎng)管系統(tǒng)對現(xiàn)有網(wǎng)絡設備進行管理的基礎上，還需要對各層增強的M2M能力進行管理。業(yè)務支撐系統(tǒng)為滿足物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務受理、計費等需求進行業(yè)務支撐。
在應用層，先階段主要是各個行業(yè)的垂直應用，例如智能抄表、車載導航、路燈控制，環(huán)境監(jiān)控、安防監(jiān)控等，在物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務發(fā)展到較成熟的階段后，可以發(fā)展基于海量信息挖掘的聚合服務。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務規(guī)模發(fā)展要求應用系統(tǒng)通過統(tǒng)一接口來實現(xiàn)與網(wǎng)絡層的通信，從而可以簡化應用系統(tǒng)的實現(xiàn)，應用層可以通過代理模式(例如MAS)與企業(yè)已有的信息系統(tǒng)實現(xiàn)集成，也可以通過應用托管模式(例如ADC)來提供SaaS服務。應用層的主要功能是業(yè)務邏輯的實現(xiàn)以及提供與用戶的交互界面。
4 物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術
物聯(lián)網(wǎng)的主要特征包括全面感知、可靠傳送、智能處理3大方面。
4．1在感知層，要解決的主要問題及關鍵技術
(1)遠程管理：物聯(lián)網(wǎng)的服務質(zhì)量保證首先來自于有效的信息采集。因此對于傳感器、RFID讀寫器、GPS，攝像頭等感知設備的管理、對通信終端設備的管理、以及對感知層子網(wǎng)、感知接入網(wǎng)關設備的有效遠程管理是基本的關鍵技術；
(2)低成本：低成本是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模應用的一個重要技術，包括低成本的傳感器技術、RFID標簽技術，M2M模組技術等；
(3)低功耗：低功耗是降低物聯(lián)網(wǎng)感知層設備對供電依賴，滿足更多應用場景需要的一項關鍵技術，可以通過優(yōu)化網(wǎng)絡通信協(xié)議來降低通信的功耗需求，或研究其它方式來進行能源補充，例如太陽能供電、生物環(huán)境供電等技術，
(4)傳感器感知能力：智能傳感器、生物傳感器、MEMS是傳感器領域的發(fā)展方向；
(5)傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)化；傳感器網(wǎng)絡是移動通信網(wǎng)絡的重要補充，其核心技術與工程技術的不斷完善是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的重要前提；
(6)外設即插即用；外設包括傳感器、控制器、GPS、攝像頭、RFID識讀器等感知設備，外設的即插即用是實現(xiàn)業(yè)務靈活部署，以及對感知能力有效管理的重要技術。
4．2在網(wǎng)絡層，要解決的主要問題及關鍵技術
(1)業(yè)務運營能力：業(yè)務運營能力包括通信能力運營與信息能力運營，不斷加強通信服務能力，并積極開發(fā)信息運營能力相關關鍵技術，是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展的重要方向，
(2)大規(guī)模接入：物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展預期是將超過人人通信規(guī)模的，因此為應對更大規(guī)模的機器通信需求，為低成本可靠實現(xiàn)機器通信，移動通信網(wǎng)絡優(yōu)化關鍵技術必不可少；
(3)碼號體系：碼號作為運營商的核心資源之一，為滿足業(yè)務持續(xù)發(fā)展，需要提供充足的碼號資源和有效的機器尋址體系；
(4)端到端QoS，物聯(lián)網(wǎng)承載的信息差異化非常大，對于不同價值的信息應該進行區(qū)分并提供不同的服務質(zhì)量，實現(xiàn)端到端的QoS差分服務，滿足不同業(yè)務的需求；
(5)端到端安全：物聯(lián)網(wǎng)承載的信息對安全的要求差異化也比較大，對于涉及到企業(yè)生產(chǎn)、政府管理、人們生活等相關關鍵信息，有極強的端到端安全需求。
4．3在應用層，要解決的主要問題及關鍵技術
(1)行業(yè)融合技術：通信、網(wǎng)絡技術與行業(yè)IT技術的有效融合是物聯(lián)網(wǎng)價值的重要體現(xiàn)；
(2)應用集成技術：包括系統(tǒng)集成技術和應用設計、部署，維護等工程關鍵技術。
5 物聯(lián)網(wǎng)標準體系介紹
5．1物聯(lián)網(wǎng)標準化策略
在分析物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務發(fā)展時，標準化是影響物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的重要原因之一，因此全方面推廣物聯(lián)網(wǎng)標準化是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)標準化工作包括中國通信行業(yè)標準、中國其他行業(yè)標準、中國相關國家標準、國際標準等。
物聯(lián)網(wǎng)標準體系在全球都處于初步階段，中國物聯(lián)網(wǎng)相關行業(yè)和企業(yè)在物聯(lián)網(wǎng)標準體系領域具備參與制定甚至引領標準化的機遇。建議的工作開展策略是：
技術研究先行，在架構確定后，加快核心技術與產(chǎn)品研究，同時完善國內(nèi)通信行標、其他行標，作為物聯(lián)網(wǎng)在相關行業(yè)推廣的一種重要市場手段。
盡量挖掘國際專利，確保物聯(lián)網(wǎng)在國際標準組織的話語權，并倡導成立國際推廣組織進行推廣，加強企業(yè)知識產(chǎn)權在國際標準組織的部署，積極倡導成立國際標準推廣組織。
5．2物聯(lián)網(wǎng)標準體系內(nèi)容
5．2．1行業(yè)及國家標準
物聯(lián)網(wǎng)主要相關國內(nèi)技術標準組織包括CCSA(中國電信通信標準化協(xié)會)，TCIO(泛在網(wǎng)技術工作委員會)與傳感器網(wǎng)絡標準工作組(WGSN)。
CCSA TCIO第一次會議于2010年2月在北京召開，設總體工作組、應用工作組，網(wǎng)絡工作組、感知延伸工作組4個工作組。
WGSN是2009年9月11日成立的中國傳感器網(wǎng)絡標準工作組，WGSN設國際標準化、標準體系與系統(tǒng)架構、通信與信息交互、協(xié)同信息處理、標識、安全，接口、行業(yè)應用、網(wǎng)關、設備與測試、無線頻譜研究與測試標準等工作組。
物聯(lián)網(wǎng)標準體系在相關行業(yè)的行業(yè)標準或者是國家標準的推廣是物聯(lián)網(wǎng)技術與行業(yè)融合的一種重要手段，可以重點考慮的行業(yè)或者國家標準包括《中國物流標準》、《中國汽車行業(yè)標準》、《中國交通行業(yè)標準》、《中國環(huán)境標準》等。
5．2．2國際標準
物聯(lián)網(wǎng)主要相關國際標準組織包括ETSI(EuropeanTelecommunications Standards Institute)、3GPP、ZigBee Alliance／IEEE 802．15．4。
ETSI TC M2M第1次會議于2009年1月舉行，其主要工作內(nèi)容是收集和定義M2M需求、定義M2Moverall high level架構、補充現(xiàn)有標準所沒有覆蓋的M2M的需求，并對這些需求進行標準化，為ETSI提供M2M領域知識支持、協(xié)調(diào)ETSI與其他標準化組織之間的M2M的工作。TC M2M的主要工作組包括需求組、架構組，智能儀表應用組、術語組、電子醫(yī)療應用組、消費電子應用組、城市自動化應用組。
3GPP中包括SAl(需求工作組)、SA2(架構工作組)、SA3(安全工作組)、RAN(3G／LTE無線工作組)、GERAN(GSM無線工作組)、CT6(用戶卡工作組)分別成立了M2M相關的標準組。全面開展?jié)M足M2M對移動通信網(wǎng)絡優(yōu)化的標準化研究。
ZigBee Alliance／IEEE 802．15．4是國際上最早最成熟的傳感器網(wǎng)絡標準，其中ZigBee Alliance／定義了無線傳感器網(wǎng)絡與應用層標準，IEEE 802．15．4定義了無線傳感器網(wǎng)絡的物理層和MAC層標準。ZigbeeAlliance工作組包括協(xié)議棧規(guī)范，Stack Profile、ZigBee Cluster Library、Application Profile、測試規(guī)范、網(wǎng)關規(guī)范等，IEEE 802．15．4當前正在研究的是802．15．4e(MAC層改進)、802．15．4f(主動式RFID改進)、802．15．49(電力應用物理層改進)等工作組。
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