電信物聯網概念及研究開發建議

南京郵電大學校長 楊震

物聯網是近幾年來國內和國際都十分熱門的研究課題，我國在2010年下半年同時啟動了三個有關物聯網研究的國家973計劃項目，并且近幾年國家有關部門都設立了有關物聯網方面的科技攻關計劃項目。歐洲、美國、韓國和日本都對物聯網技術高度關注，其中歐盟系統的開展了物聯網的科學研究和應用開發。歐盟于2010年前后設立了若干個有關物聯網研究的項目，其中較有影響力的是2010年9月歐洲委員會資助的物聯網體系結構研究項目(IoT-A)，該項目將于2013年8月結束，目前IoT-A官方網站上已經陸續發布了一系列相關的研究報告，其中提到的相關問題、采取的研究方法以及取得的研究結論值得我國物聯網理論研究和技術開發人員參考。

國務院關于推進物聯網有序健康發展的指導意見明確提出“我國已將物聯網作為戰略性新興產業的一項重要組成內容”，并且提出的第一條任務就是“加快技術研發，突破產業瓶頸。

國際電信聯盟 (ITU)于2011年8月IoT-GSI會議上就物聯網定義達成了一致性意見，其中文的翻譯是：從寬泛的角度看，物聯網可以作為具有技術和社會影響的愿景；從技術標準角度看，物聯網可作為一個信息社會的全球基礎設施，通過基于已有的和正在演進的、可互操作的信息和通信技術，互連(物理的和虛擬的)物品，使得先進的服務成為可能；物聯網通過探索標識、數據獲取、處理和通信能力，充分使用物品并對所有應用提供服務，同時保留所需的隱私。

ITU-T針對物聯網的定義明確了物聯網是“全球基礎設施”，這是ITU-T需要進行技術標準化的物聯網。我們把這種面向所有應用領域、作為信息基礎設施的物聯網稱為電信物聯網(IoT-T, Internet of Things for Telecommunications)。我們認為，研究和構建電信物聯網可以解決目前物聯網技術開發和產業發展過程中僅僅面向“物品內聯網”而導致的技術和產品缺乏標準、產業發展無法形成規模、開發和應用成本較高等問題，并有可能突破我國物聯網產業發展的瓶頸，推動我國物聯網產業有序健康地發展。

電信物聯網的特征與組成

根據ITU-T有關電信物聯網的定義以及歐盟IoT-A相關的研究結論，我們可以概括出電信物聯網的技術特征及其基本組成結構。

1.電信物聯網的特征

作為全球信息基礎設施的電信物聯網，從技術角度看，電信物聯網至少應該具有以下特征：

（1）支持大范圍地直接連接物品。電信物聯網能夠直接、大范圍地連接物品，感知物品的信息，在法律允許以及所有者授權下可以操縱物品。直接連接物品表示對于物品的連接不需要人為干預，可以根據應用需求，直接連接物品、感知物品和允許的權限范圍操縱物品；大范圍連接物品表示對于物品的連接不受區域的限制，只要電信物聯網能夠覆蓋到的范圍，都可以實現物品的直接連接。電信物聯網的這個特征要求物聯網必須充分利用現有電信網，在此基礎上根據物聯網應用需求擴展電信網的能力和服務。

（2）支持大量的異構物品標識。電信物聯網能夠支持大量異構標識，用于識別不同的物品。物聯網并不需要為每個物品分配IP地址，只需要識別異構物品的標識。電信物聯網將遵循現代網絡地址與網絡實體標識分離的理念，通過分布的物品標識/服務標識與網絡地址的目錄管理系統，實現異構物品標識、異構服務標識與統一電信物聯網地址的動態分配和查詢。

（3）支持智能聯網和通信服務。電信物聯網支持面向裝置的智能聯網和通信服務。智能聯網包括了自主聯網，表示電信物聯網結點能夠具有面向聯網的自我配置、恢復、優化和保護能力，并且可以通過標準接口自動連接、使用和優化電信物聯網；智能通信服務包括基于位置的通信服務，電信物聯網結點可根據所處位置發起、使用和優化通信用戶定制的通信服務。

（4）支持物品相關的智能應用服務。電信物聯網可以支持無人工干預的、物聯網結點自主訪問和使用的智能應用服務，其中包括場景感知類應用服務、基于位置的應用服務，例如不具有生活自理能力的老人和兒童看護服務，行為或車輛的導航服務等。

（5）支持物品相關的安全和隱私保護。電信物聯網必須支持用戶必須的、與物品以及物品所有者相關的安全和隱私保護。物品相關的安全包括物品數據的真實性驗證，電信物聯網具有自動處理物品數據和自動驗證物品數據真實性的能力，電信物聯網可以根據需求提供溯源服務。物品相關的隱私保護包括在提供與物品數據相關服務時，可以根據隱私保護策略，隱去物品標識、物品所有者信息等涉及到物品隱私的數據。

（6）支持法律允許的人體相關服務。電信物聯網作為國家或全球信息基礎設施，從技術角度而言，是唯一可以公開提供法律允許的人體相關服務的物聯網，并且可以得到嚴格的法律監督。

從以上電信物聯網技術特征可以看出，電信物聯網可以解決目前物聯網應用開發中許多關鍵共性技術問題，為物聯網的應用開發、部署和推廣提供一個公共的平臺；可以降低物聯網應用開發和部署的成本和時間，提高物聯網服務質量，真正滿足現代社會對物聯網的應用的多方面需求。

2.電信物聯網的組成

圖1 電信物聯網基本功能模型

歐盟的IoT-A項目是從全球信息基礎設施角度研究和探討物聯網體系結構，其研究結論可以作為電信物聯網體系結構的參考。ITU-T有關物聯網的標準化工作還沒有進展到物聯網體系結構的標準化階段，所以目前并沒有一個標準的電信物聯網的參考體系結構。以下將根據我們目前參與ITU-T有關物聯網標準化工作的階段性結果，對電信物聯網組成和結構提出一些建議，供參考。

根據ITU-T給出的物聯網定義，可以把電信物聯網抽象成為圖1的基本功能模型，它包括物聯網信息采集、數據傳遞、融合、處理、物品相關服務提供等方面的操作。

圖1給出的物聯網物品感知、物聯網數據管理、物聯網服務提供屬于電信物聯網的基本操作集合，包含在這三類操作集合中的物聯網隱私保護也是電信物聯網必須具有的一類基本操作，它不同于其他類型的物聯網安全操作，它是電信物聯網中必須具備的、符合相關法律法規約束的、內置在電信物聯網基本操作內的操作集合。

物聯網物品感知操作是物聯網必須提供的基本抽象操作，圖1描述了電信物聯網相關的基本參與方，包括物聯網用戶、物聯網服務供應商、物聯網數據管理員以及現實物品。這些基本參與方關聯于電信物聯網的基本操作類。

物聯網服務供應商表示所有直接或間接提供電信物聯網服務的外部實體。物聯網服務供應商內部可以形成一個完整的電信物聯網服務提供的生態系統。物聯網數據管理員表示所有提供電信物聯網數據采集、傳遞、存儲、融合、處理和應用管理或控制的物聯網外部實體。現實物品表示電信物聯網可以直接感知并且能夠采集其信息，傳遞、存儲、融合、處理和應用其數據，并且能夠追溯到信息采集源的物聯網外部實體。

電信物聯網的基本功能模型不僅刻畫了物聯網對物品的直接感知的基本特征，也刻畫了物聯網提供公共服務的基本特征，基于該基本功能模型的功能分解可以在把握電信物聯網基本特征的前提下，具體描述和分析電信物聯網的功能結構和關鍵技術。

圖2 電信物聯網體系結構參考模型組成結構圖

由于電信物聯網不僅僅提供數據傳遞的服務，還必須在數據傳遞前和數據傳遞后直接提供數據處理的服務，所以，電信物聯網真正成為一個融合信息技術與通信技術的電信網。這樣，電信物聯網體系結構參考模型就無法參照現有的電信網或互聯網體系結構參考模型，它必須運用信息與通信技術(ICT)進行在信息和通信多個視角進行完整設計和驗證的網絡體系結構。我們認為電信物聯網體系結構參考體系結構應該包括如圖2所示的相關模型。

圖2描述的電信物聯網體系結構參考模型組成結構反映了設計和驗證電信物聯網的基本方法和不同視角。例如這里明確了參考模型必須源于實際的物聯網應用需求，所以，所有的模型都是基于物聯網應用域的抽象模型；電信物聯網是以物品信息感知和處理為核心的網絡，所以，信息模型成為整個參考模型構建的核心；信息模型涉及到通信模型和安全模型的設計和驗證，這三類模型在功能角度的細化構成了電信物聯網的功能模型。

電信物聯網的關鍵技術

雖然電信物聯網相關技術種類繁多，但我們認為真正屬于電信物聯網核心的關鍵技術可以分成兩類，其一是電信物聯網智能技術；其二是電信物聯網安全與隱私保護技術。

1.電信物聯網智能技術

物聯網主要的特征是連接物品以及向物品提供服務。對于可能連接上千億物品的電信物聯網，無論是連接物品，還是向物品提供服務，都是人工無法干預和處理的操作，這就需要電信物聯網智能處理技術。電信物聯網智能技術主要包括智能通信技術、智能服務技術和智能應用技術。

（1）智能通信技術

電信物聯網智能通信技術可以向物品或連接物品的物聯網裝置提供自主聯網，自主連接通信的對等方，以及自主進行數據交互等方面的能力。目前國際上在電信物聯網智能通信技術方面研究較為成熟的是機器與機器通信(M2M)技術，它屬于一種數據通信技術，允許機器直接與另一臺機器進行通信，而無需人工參與交互或者人工干預。我們通常把M2M技術作為物聯網的使能技術，從系統組成結構看，M2M技術只涉及到物品感知裝置之后的數據傳送技術。

（2）智能服務技術

智能服務技術包括場景感知服務，數據內容感知服務，基于位置服務等。面向電信網和互聯網的智能服務一直是網絡研究中的一個熱點問題，但目前在智能服務技術方面的研究還沒有形成一個完整的技術體系。電信物聯網的智能服務技術具有更加明確的應用需求，即提供沒有人為干預的、與物品所處位置、場景以及本身特征相關的服務，基于這樣明確的應用需求，電信物聯網智能服務技術有可能發展成為一類較為成熟和實用的技術。

（3）智能應用技術

電信物聯網的智能應用技術包括智能交通系統、智能電網、智能醫療、智能物流、智慧城市等物聯網應用的通用智能應用支撐技術。網絡智能應用技術是一類互聯網發展過程中經典的、一直懸而未解的技術問題。

目前國際和國內有關物聯網的智能應用技術的研究和開發都處于初級階段，智能應用技術包括了數據挖掘技術、應用語義分析技術、智能決策技術等，歐盟相關研究機構已經啟動的相關的研究，例如M2M中的語義標識和處理技術研究。

2.電信物聯網安全技術

電信物聯網中物理空間和信息空間的耦合關聯催生出復雜的安全可信機理，以及異構網絡環境下個人隱私信息保護的脆弱性等新的信息安全問題，使得安全風險大大增加。安全可信保障是電信物聯網大規模應用的一個核心和基礎問題。

在網絡的開放性、終端的多樣性、信息的混雜性、內容的可信性等電信物聯網應用環境下，電信物聯網的安全需求應包括網絡安全、服務安全、數據安全和應用安全等。圖3表示了電信物聯網安全技術的架構。

圖3 電信物聯網安全技術架構

電信物聯網安全機制應包括兩個方面：信息領域的安全和控制領域的安全。信息領域安全需著眼于現有安全方案性能的提高，泛在應用中的用戶隱私保護是需被解決的重要問題；控制領域安全則在克服攻擊對網絡狀態的影響上。電信物聯網安全與隱私保護技術需要關聯現實物品，屬于物化安全可信保障技術。

電信物聯網環境下，多個實體在分布式處理平臺上以私有數據參與協作，數據隱私主要集中在感知層和處理層。電信物聯網中存在著物的信息表示形式多樣化和物品信息使用主體理解能力不足之間的矛盾，隱私保護技術主要考慮如何保持兩者的平衡。不同的隱私保護方法各有其特點，可對應于不同的隱私保護需求，基于同態加密技術和安全多方計算加密方法是有效的隱私保護算法。隱私保護技術的有效性可以從隱私性、數據準確性、延時和能量消耗這幾個方面綜合考量。

電信物聯網研究與開發的建議

電信物聯網目前還僅僅是一張藍圖，為了盡快把電信物聯網變為現實，我們建議應該加強電信物聯網的基礎理論研究、技術標準制定和應用技術開發。

1.加強電信物聯網基礎理論研究

物聯網還存在許多概念層面的疑問，例如直接連接物品的物聯網裝置與可以執行物聯網應用的物聯網應用裝置有何區別？物品的電子標簽是否可以看成是物聯網裝置？如何制定物聯網裝置的技術規范？如何制定物聯網應用裝置的技術規范？如何描述物品相關服務的靜態結構和動態結構？如何制定標準的電信物聯網參看體系結構？如何制定與現有網絡兼容的機器到機器通信協議標準？如何構成具有全球縮放能力的物聯網標識和相關網絡地址的關聯目錄技術規范？以上這些問題都需要進入深入和系統的理論研究和科學實驗，才能找到對于有利于電信物聯網發展的技術規范和技術路線。

電信物聯網的基礎理論研究一定是基于具體應用需求展開的理論研究，基礎理論研究必須能夠真正解決電信物聯網技術開發、部署和應用過程中的關鍵技術問題。

2.加強電信物聯網技術標準制定

構建作為國家信息基礎設施和全球信息基礎設施的電信物聯網，需要在全國范圍和全球范圍得到廣泛認同和普遍接受的物聯網技術標準。技術標準的制定是一項十分繁瑣和艱巨的工作，不僅需要考慮技術上的開放性和經濟方面的可行性，還需要考慮到技術的先進性，使得電信物聯網技術標準在方便不同廠商的物聯網設備能夠實現互連、互通和互操作的同時，可以進一步激發電信物聯網技術內在的創新活力。

為了能夠真正制定技術先進、實際可行的電信物聯網技術標準體系，需要產業界和學術界的理論研究和技術開發人員的共同努力，需要產學研的緊密結合。

3.加強電信物聯網應用技術開發

電信物聯網技術標準的價值在于促進物聯網應用的開發，形成電信物聯網產業的規模化發展；而電信物聯網發展的動力在于物聯網應用的推廣和普及，并且不斷激發新的物聯網應用需求。隨著我國大量發展低碳節能經濟、循環經濟和生態經濟，人與自然密切互動、精細化管理的農業、工業、能源和服務產業將會廣泛引入物聯網技術的應用，這樣，將會帶來電信物聯網技術開發和應用的新機遇。

為了能夠促進物聯網應用技術開發，需要研究和制定互利共贏、協同發展的物聯網應用開發的商業模型，形成物聯網應用開發的生態系統和產業鏈，通過制定積極合理的物聯網產業發展的政策，為物聯網應用技術創新帶來內在的動力。

從物品內聯網發展到物品互聯網，這是一個本質性的轉變，這需要從信息基礎設施角度研究、開發和部署電信物聯網。作為一個信息基礎設施，電信物聯網獨立于任何一個具體的應用領域，可以為所有物聯網應用提供通用的物聯網服務。