电信物联网概念及研究开发建议

南京邮电大学校长 杨震

物联网是近几年来国内和国际都十分热门的研究课题，我国在2010年下半年同时启动了三个有关物联网研究的国家973计划项目，并且近几年国家有关部门都设立了有关物联网方面的科技攻关计划项目。欧洲、美国、韩国和日本都对物联网技术高度关注，其中欧盟系统的开展了物联网的科学研究和应用开发。欧盟于2010年前后设立了若干个有关物联网研究的项目，其中较有影响力的是2010年9月欧洲委员会资助的物联网体系结构研究项目(IoT-A)，该项目将于2013年8月结束，目前IoT-A官方网站上已经陆续发布了一系列相关的研究报告，其中提到的相关问题、采取的研究方法以及取得的研究结论值得我国物联网理论研究和技术开发人员参考。

国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见明确提出“我国已将物联网作为战略性新兴产业的一项重要组成内容”，并且提出的第一条任务就是“加快技术研发，突破产业瓶颈。

国际电信联盟 (ITU)于2011年8月IoT-GSI会议上就物联网定义达成了一致性意见，其中文的翻译是：从宽泛的角度看，物联网可以作为具有技术和社会影响的愿景；从技术标准角度看，物联网可作为一个信息社会的全球基础设施，通过基于已有的和正在演进的、可互操作的信息和通信技术，互连(物理的和虚拟的)物品，使得先进的服务成为可能；物联网通过探索标识、数据获取、处理和通信能力，充分使用物品并对所有应用提供服务，同时保留所需的隐私。

ITU-T针对物联网的定义明确了物联网是“全球基础设施”，这是ITU-T需要进行技术标准化的物联网。我们把这种面向所有应用领域、作为信息基础设施的物联网称为电信物联网(IoT-T, Internet of Things for Telecommunications)。我们认为，研究和构建电信物联网可以解决目前物联网技术开发和产业发展过程中仅仅面向“物品内联网”而导致的技术和产品缺乏标准、产业发展无法形成规模、开发和应用成本较高等问题，并有可能突破我国物联网产业发展的瓶颈，推动我国物联网产业有序健康地发展。

电信物联网的特征与组成

根据ITU-T有关电信物联网的定义以及欧盟IoT-A相关的研究结论，我们可以概括出电信物联网的技术特征及其基本组成结构。

1.电信物联网的特征

作为全球信息基础设施的电信物联网，从技术角度看，电信物联网至少应该具有以下特征：

（1）支持大范围地直接连接物品。电信物联网能够直接、大范围地连接物品，感知物品的信息，在法律允许以及所有者授权下可以操纵物品。直接连接物品表示对于物品的连接不需要人为干预，可以根据应用需求，直接连接物品、感知物品和允许的权限范围操纵物品；大范围连接物品表示对于物品的连接不受区域的限制，只要电信物联网能够覆盖到的范围，都可以实现物品的直接连接。电信物联网的这个特征要求物联网必须充分利用现有电信网，在此基础上根据物联网应用需求扩展电信网的能力和服务。

（2）支持大量的异构物品标识。电信物联网能够支持大量异构标识，用于识别不同的物品。物联网并不需要为每个物品分配IP地址，只需要识别异构物品的标识。电信物联网将遵循现代网络地址与网络实体标识分离的理念，通过分布的物品标识/服务标识与网络地址的目录管理系统，实现异构物品标识、异构服务标识与统一电信物联网地址的动态分配和查询。

（3）支持智能联网和通信服务。电信物联网支持面向装置的智能联网和通信服务。智能联网包括了自主联网，表示电信物联网结点能够具有面向联网的自我配置、恢复、优化和保护能力，并且可以通过标准接口自动连接、使用和优化电信物联网；智能通信服务包括基于位置的通信服务，电信物联网结点可根据所处位置发起、使用和优化通信用户定制的通信服务。

（4）支持物品相关的智能应用服务。电信物联网可以支持无人工干预的、物联网结点自主访问和使用的智能应用服务，其中包括场景感知类应用服务、基于位置的应用服务，例如不具有生活自理能力的老人和儿童看护服务，行为或车辆的导航服务等。

（5）支持物品相关的安全和隐私保护。电信物联网必须支持用户必须的、与物品以及物品所有者相关的安全和隐私保护。物品相关的安全包括物品数据的真实性验证，电信物联网具有自动处理物品数据和自动验证物品数据真实性的能力，电信物联网可以根据需求提供溯源服务。物品相关的隐私保护包括在提供与物品数据相关服务时，可以根据隐私保护策略，隐去物品标识、物品所有者信息等涉及到物品隐私的数据。

（6）支持法律允许的人体相关服务。电信物联网作为国家或全球信息基础设施，从技术角度而言，是唯一可以公开提供法律允许的人体相关服务的物联网，并且可以得到严格的法律监督。

从以上电信物联网技术特征可以看出，电信物联网可以解决目前物联网应用开发中许多关键共性技术问题，为物联网的应用开发、部署和推广提供一个公共的平台；可以降低物联网应用开发和部署的成本和时间，提高物联网服务质量，真正满足现代社会对物联网的应用的多方面需求。

2.电信物联网的组成

图1 电信物联网基本功能模型

欧盟的IoT-A项目是从全球信息基础设施角度研究和探讨物联网体系结构，其研究结论可以作为电信物联网体系结构的参考。ITU-T有关物联网的标准化工作还没有进展到物联网体系结构的标准化阶段，所以目前并没有一个标准的电信物联网的参考体系结构。以下将根据我们目前参与ITU-T有关物联网标准化工作的阶段性结果，对电信物联网组成和结构提出一些建议，供参考。

根据ITU-T给出的物联网定义，可以把电信物联网抽象成为图1的基本功能模型，它包括物联网信息采集、数据传递、融合、处理、物品相关服务提供等方面的操作。

图1给出的物联网物品感知、物联网数据管理、物联网服务提供属于电信物联网的基本操作集合，包含在这三类操作集合中的物联网隐私保护也是电信物联网必须具有的一类基本操作，它不同于其他类型的物联网安全操作，它是电信物联网中必须具备的、符合相关法律法规约束的、内置在电信物联网基本操作内的操作集合。

物联网物品感知操作是物联网必须提供的基本抽象操作，图1描述了电信物联网相关的基本参与方，包括物联网用户、物联网服务供应商、物联网数据管理员以及现实物品。这些基本参与方关联于电信物联网的基本操作类。

物联网服务供应商表示所有直接或间接提供电信物联网服务的外部实体。物联网服务供应商内部可以形成一个完整的电信物联网服务提供的生态系统。物联网数据管理员表示所有提供电信物联网数据采集、传递、存储、融合、处理和应用管理或控制的物联网外部实体。现实物品表示电信物联网可以直接感知并且能够采集其信息，传递、存储、融合、处理和应用其数据，并且能够追溯到信息采集源的物联网外部实体。

电信物联网的基本功能模型不仅刻画了物联网对物品的直接感知的基本特征，也刻画了物联网提供公共服务的基本特征，基于该基本功能模型的功能分解可以在把握电信物联网基本特征的前提下，具体描述和分析电信物联网的功能结构和关键技术。

图2 电信物联网体系结构参考模型组成结构图

由于电信物联网不仅仅提供数据传递的服务，还必须在数据传递前和数据传递后直接提供数据处理的服务，所以，电信物联网真正成为一个融合信息技术与通信技术的电信网。这样，电信物联网体系结构参考模型就无法参照现有的电信网或互联网体系结构参考模型，它必须运用信息与通信技术(ICT)进行在信息和通信多个视角进行完整设计和验证的网络体系结构。我们认为电信物联网体系结构参考体系结构应该包括如图2所示的相关模型。

图2描述的电信物联网体系结构参考模型组成结构反映了设计和验证电信物联网的基本方法和不同视角。例如这里明确了参考模型必须源于实际的物联网应用需求，所以，所有的模型都是基于物联网应用域的抽象模型；电信物联网是以物品信息感知和处理为核心的网络，所以，信息模型成为整个参考模型构建的核心；信息模型涉及到通信模型和安全模型的设计和验证，这三类模型在功能角度的细化构成了电信物联网的功能模型。

电信物联网的关键技术

虽然电信物联网相关技术种类繁多，但我们认为真正属于电信物联网核心的关键技术可以分成两类，其一是电信物联网智能技术；其二是电信物联网安全与隐私保护技术。

1.电信物联网智能技术

物联网主要的特征是连接物品以及向物品提供服务。对于可能连接上千亿物品的电信物联网，无论是连接物品，还是向物品提供服务，都是人工无法干预和处理的操作，这就需要电信物联网智能处理技术。电信物联网智能技术主要包括智能通信技术、智能服务技术和智能应用技术。

（1）智能通信技术

电信物联网智能通信技术可以向物品或连接物品的物联网装置提供自主联网，自主连接通信的对等方，以及自主进行数据交互等方面的能力。目前国际上在电信物联网智能通信技术方面研究较为成熟的是机器与机器通信(M2M)技术，它属于一种数据通信技术，允许机器直接与另一台机器进行通信，而无需人工参与交互或者人工干预。我们通常把M2M技术作为物联网的使能技术，从系统组成结构看，M2M技术只涉及到物品感知装置之后的数据传送技术。

（2）智能服务技术

智能服务技术包括场景感知服务，数据内容感知服务，基于位置服务等。面向电信网和互联网的智能服务一直是网络研究中的一个热点问题，但目前在智能服务技术方面的研究还没有形成一个完整的技术体系。电信物联网的智能服务技术具有更加明确的应用需求，即提供没有人为干预的、与物品所处位置、场景以及本身特征相关的服务，基于这样明确的应用需求，电信物联网智能服务技术有可能发展成为一类较为成熟和实用的技术。

（3）智能应用技术

电信物联网的智能应用技术包括智能交通系统、智能电网、智能医疗、智能物流、智慧城市等物联网应用的通用智能应用支撑技术。网络智能应用技术是一类互联网发展过程中经典的、一直悬而未解的技术问题。

目前国际和国内有关物联网的智能应用技术的研究和开发都处于初级阶段，智能应用技术包括了数据挖掘技术、应用语义分析技术、智能决策技术等，欧盟相关研究机构已经启动的相关的研究，例如M2M中的语义标识和处理技术研究。

2.电信物联网安全技术

电信物联网中物理空间和信息空间的耦合关联催生出复杂的安全可信机理，以及异构网络环境下个人隐私信息保护的脆弱性等新的信息安全问题，使得安全风险大大增加。安全可信保障是电信物联网大规模应用的一个核心和基础问题。

在网络的开放性、终端的多样性、信息的混杂性、内容的可信性等电信物联网应用环境下，电信物联网的安全需求应包括网络安全、服务安全、数据安全和应用安全等。图3表示了电信物联网安全技术的架构。

图3 电信物联网安全技术架构

电信物联网安全机制应包括两个方面：信息领域的安全和控制领域的安全。信息领域安全需着眼于现有安全方案性能的提高，泛在应用中的用户隐私保护是需被解决的重要问题；控制领域安全则在克服攻击对网络状态的影响上。电信物联网安全与隐私保护技术需要关联现实物品，属于物化安全可信保障技术。

电信物联网环境下，多个实体在分布式处理平台上以私有数据参与协作，数据隐私主要集中在感知层和处理层。电信物联网中存在着物的信息表示形式多样化和物品信息使用主体理解能力不足之间的矛盾，隐私保护技术主要考虑如何保持两者的平衡。不同的隐私保护方法各有其特点，可对应于不同的隐私保护需求，基于同态加密技术和安全多方计算加密方法是有效的隐私保护算法。隐私保护技术的有效性可以从隐私性、数据准确性、延时和能量消耗这几个方面综合考量。

电信物联网研究与开发的建议

电信物联网目前还仅仅是一张蓝图，为了尽快把电信物联网变为现实，我们建议应该加强电信物联网的基础理论研究、技术标准制定和应用技术开发。

1.加强电信物联网基础理论研究

物联网还存在许多概念层面的疑问，例如直接连接物品的物联网装置与可以执行物联网应用的物联网应用装置有何区别？物品的电子标签是否可以看成是物联网装置？如何制定物联网装置的技术规范？如何制定物联网应用装置的技术规范？如何描述物品相关服务的静态结构和动态结构？如何制定标准的电信物联网参看体系结构？如何制定与现有网络兼容的机器到机器通信协议标准？如何构成具有全球缩放能力的物联网标识和相关网络地址的关联目录技术规范？以上这些问题都需要进入深入和系统的理论研究和科学实验，才能找到对于有利于电信物联网发展的技术规范和技术路线。

电信物联网的基础理论研究一定是基于具体应用需求展开的理论研究，基础理论研究必须能够真正解决电信物联网技术开发、部署和应用过程中的关键技术问题。

2.加强电信物联网技术标准制定

构建作为国家信息基础设施和全球信息基础设施的电信物联网，需要在全国范围和全球范围得到广泛认同和普遍接受的物联网技术标准。技术标准的制定是一项十分繁琐和艰巨的工作，不仅需要考虑技术上的开放性和经济方面的可行性，还需要考虑到技术的先进性，使得电信物联网技术标准在方便不同厂商的物联网设备能够实现互连、互通和互操作的同时，可以进一步激发电信物联网技术内在的创新活力。

为了能够真正制定技术先进、实际可行的电信物联网技术标准体系，需要产业界和学术界的理论研究和技术开发人员的共同努力，需要产学研的紧密结合。

3.加强电信物联网应用技术开发

电信物联网技术标准的价值在于促进物联网应用的开发，形成电信物联网产业的规模化发展；而电信物联网发展的动力在于物联网应用的推广和普及，并且不断激发新的物联网应用需求。随着我国大量发展低碳节能经济、循环经济和生态经济，人与自然密切互动、精细化管理的农业、工业、能源和服务产业将会广泛引入物联网技术的应用，这样，将会带来电信物联网技术开发和应用的新机遇。

为了能够促进物联网应用技术开发，需要研究和制定互利共赢、协同发展的物联网应用开发的商业模型，形成物联网应用开发的生态系统和产业链，通过制定积极合理的物联网产业发展的政策，为物联网应用技术创新带来内在的动力。

从物品内联网发展到物品互联网，这是一个本质性的转变，这需要从信息基础设施角度研究、开发和部署电信物联网。作为一个信息基础设施，电信物联网独立于任何一个具体的应用领域，可以为所有物联网应用提供通用的物联网服务。