物联网技术业务思考和展望 | 未来物联网及其核心技术
物联网技术业务思考和展望
本文由5G（ID:angmobile）授权转载
卢斌 中国电信股份有限公司广东研究院
本文主要讲了什么内容：
为了分析物联网技术业务并展望其未来的发展，从对物联网业务的预测出发，归纳分析物联网可能的业务场景，分析各种场景对应的无线接入技术的优缺点，最后对物联网的发展和商业模式进行展望。
一、引言
经过20多年的高速发展，移动通信成为当今经济发展的推动力，在以人为中心的手机通信市场，人口普及率达到90%甚至超过100%。为了寻找新的增长点，物联网业务逐步进入无线通信产业链各个环节中。据预测，2025年物联网的连接数将超过270亿，潜力巨大。物联网业务种类繁多，使用的技术和解决方案也不同。本文将在分析物联网的业务和技术方案基础上，对物联网的商业模式进行思考和探讨。
二、物联网业务需求
Machina Research公司是当今世界领先的IoT市场预测和策略提供者，持续跟进和提供IoT市场的每年发展情况。据Machina Research相关预测，2015~2025年物联网的连接数如图1所示，从中可以看出，物联网的业务需求非常巨大。IoT连接数从2015年的60亿增加到2025年的270亿，符合年增长率为16%。为了更好分析物联网技术方案，需对各种物联网业务的应用场景进行细分。部分物联网业务如表1所示。
图1 物联网业务连接数预测图
表1 部分物联网业务场景需求
物联网业务需求巨大，具有很明显的垂直行业特点。根据业务场景，可以细分为固定或慢速无线数据接入（局域物联网）、移动无线数据接入（移动物联网）、泛在无线数据接入（低功率广域物联网）三种情况。
（1）固定或慢速无线数据接入
如图2所示，局域物联网是指在一个局部区域（如单个工厂等）中，在生产线上或固定区域布放各种传感器进行数据采集，数据传送到本地的局域网和应用管理平台，主要服务于本地生产和监控，重点在于稳定、可靠、自主可控，主要为固定或慢速移动传感器，没有移动和漫游需求。
图2 局域物联网示意图
（2）移动无线数据接入
如图3所示，移动物联网是指在全国或全球范围内，布放各种传感器进行数据采集，数据通过移动IP网络传送到集中的服务器和应用管理平台，主要服务于全国范围内的生产和监控，重点在于稳定、可靠，有移动和漫游需求，数据传输量较大。
图3 移动物联网示意图
（3）泛在无线数据接入
如图4所示，低功率广域物联网（LPWAN）是指在大范围内，布放各种一体化传感器进行数据采集，数据通过LPWA无线技术传送到本地的服务器，再通过广域IP互联网汇聚到集中的服务器和应用管理平台，主要服务于全国范围内的生产和监控，重点在于稳定、可靠，一般情况下没有移动需求，可能存在漫游需求，局部网络位置比较分散，数据传输量较大。
图4 低功率广域物联网示意图
三、物联网技术及比较
从以上物联网的业务需求可以看出，物联网技术主要是完成各种传感器设备与互联网的无线连接，实现设备或终端的开关信号或数据的传输，其中传感器的无线连接方式是非常重要的一环，如图5所示，数据采集和数据应用控制与物联网技术息息相关。而数据处理、大数据挖掘和分析、数据创新等环节，则与工业4.0、大数据、云计算等同步发展，对物联网技术业务起到有力的支撑。
图5 物联网业务环节示意图
对于2025年预测有270亿物联网连接的构成，Machina Research公司研究分析结果如下：72%由短距无线接入技术来承接，如Wi-Fi、Zigbee、PLC电力线传输等，这一技术将主导整个物联网市场，主要包括消费电子、大楼监控和自动化。
蜂窝型连接将从2015年的3.34亿上升到2025年的22亿，主要为LTE技术，其中的45%将应用在车联网业务上，包括在出厂前预置和出厂后安装的。在270亿的连接中，有将近有11%（30亿）的连接使用低功率广域网的技术，如Sigfox、LoRa、NB-IoT等。根据业务场景和Machina Research公司的预测，对于物联网重要一环，可以把无线接入细分局域或短距无线接入、低功率广域网、蜂窝无线接入等。
部分物联网技术特点如表2所示。
表2 部分物联网技术特点
从上述分析来看，结合Machina Research公司的预测，到2025年，不同的网络场景有不同的技术使用。比如最后10 m的物联网接入没有电源功耗问题的，可以优先选择局域或短距无线接入技术，就近接入有线局域网或互联网，这是最直接的方案。再比如在工业生产中的工业物联网，生产线上的数据传输要求高稳定低时延、安全可靠，没有移动和漫游的需求，这时如果采用NB-IoT等广域物联网的方案，表面上看起来可以，但是对于工业物联网肯定不是解决一个数据传输的问题，更多的还是个性化或嵌入式的解决方案。而针对目前很热的“Connected Cars”和移动医疗等的联网需求，其移动和漫游是局域短距和广域固定等技术所无法满足的，则需要蜂窝物联网技术。
接下来分析公网和专网问题。一般理解，蜂窝网属于公众移动网络，为广大普通用户提供服务，而专网，像铁路、航空、公安等系统的集群网，提供其用户专网专用，以确保运行系统的安全性。这是网络特性、用户群体特性、安全稳定等因素所决定。5G微信公众平台（ID：angmobile）了解到，作者进一步分析指出，当然，目前也会出现“虚拟专网”的概念，利用VPN等网络技术，在公众网络中划分虚拟专网。这在有线互联网中使用很普遍，但是在铁路、航空、地铁、工业自动化等关键领域，在物联网安全性尚未健全的情况下，建议还是使用物联专网为宜。
蜂窝物联网或NB-IoT等技术，是在蜂窝通信网的基础上满足物联网业务需求。其成本技术具有很明显的优势，充分利用已有的公众蜂窝通信网络（主要提供话音和移动数据业务），具有信号覆盖大、建网边际成本低、授权频段确保网络质量、规模应用后终端模块价格迅速降低等优点。从上面提到物联网业务需求来看，很多业务是固定或慢速低数据业务需求，没有漫游和高速移动的业务需求，同时很多工业物联网是和生产系统直接关联的，可以考虑使用广域物联网建设专网。是否能采用“虚拟物联专网”的方案，还值得商榷。
四、商业模式分析
五、结论
本文通过对物联网业务需求、技术发展等的分析，提出局域短距、蜂窝型、广域固定三种物联技术分类和场景，初步对物联网商业模式进行思考分析，这仅是抛砖引玉，期望带来更多更全面的分析和思考。物联网将开启一个全新的时代，各种新业务、新技术以及由此引发新的商业模式，不断推陈出新，万物互联、智慧物联将不断走入新境界。
未来物联网及其核心技术
来源：人民网，作者：郭淳学（北京经开投资开发股份有限公司BDA研究院研究员 中国嵌入式系统产业联盟副理事长兼秘书长）、赵文银（北京乾坤化物数字技术有限公司 总经理 ）
未来物联网从概念的提出，到研制和应用过程，将是人们对未来物联网的认识不断完善和创新的过程，也将是对现有计算机软硬系统和信息技术的不断挑战和创新过程，具有深远意义。
未来物联网是在为现有的和继续建的互联网+的信息孤岛和碎片状的物联网之上构建的一个物理世界的万物互联通道，主要由信息传输组合通道、唯一标识码读写系统、网络和信息安全的保障体系、完整的相关标准等构成，供愿意通过未来物联网实现跨单位、跨部门、跨地域、跨国家地进行信息互联互通的用户选择使用。
在2015年瑞士达沃斯经济论坛的座谈会上,世界互联网巨头谷歌公司的执行董事长埃里克•施密特大胆预言：互联网即将消失，一个高度个性化、互动化的有趣世界——物联网即将诞生。施密特的此番言论可谓互联网公司自我颠覆，意义深远。当前,思科、AT&T、Axeda、亚马逊、苹果、通用电气、谷歌与IBM等在内的美国公司都在布局物联网，争相抢占在物联网产业的主导地位。(见后附件)
依照主席在第二届世界互联网大会上提出的国际社会应该在相互尊重、相互信任的基础上，加强对话合作，共同构建和平、安全、开放、合作的网络空间的原则；根据我们掌握的中国嵌入式系统产业联盟成员单位和国内有关企业多年在构建未来物联网所需的核心技术进行研究所取得的成果，在此将领先世界水平的、以具有中国知识产权技术支撑构思的未来物联网及相关技术做如下简介：
一、未来物联网
随着社会从互联网得到人与人信息互联服务需求，快速转为从物联网得到人与人、人与物、物与物的信息互联服务需求的增加，信息化正在从互联网时代进入物联网时代。人们对物联网做了多年的研究和应用，但是，在物联网的定义和认识上还有很大的不同。因受技术瓶颈和地域等的限制，构建的物联网不仅形态各异，大小不一、相互割裂，互联困难，还存在时效性、整体性、完整性、兼容性、安全性和扩展性等诸多方面的缺陷，满足不了提供万物互联的服务需求。
未来物联网是可实现将全球物理世界中任意多有需求的万物互联的网。因此，未来物联网一方面是将互联网延伸，解决当前互联网的lP地址有限的问题，可提供无限多的lP地址，满足所有需要的物通过lP地址互联的需求。另一面未来物联网可提供无限多唯一标识码，将不能或不必要接入互联网的无限多可识别物的信息，经过所有可传输这些信息的有线、无线、光电等通讯通道实现互联需求。
在未来物联网中，互联网将弱化为一种信息通道（通讯工具），与其它各种通讯通道（通讯工具）一起构成实现万物互联的物联网信息通道（通讯工具）体系。未来物联网按照不同的需求、不同的地域或行政区所属关系，可将已建的和不断新建的不同类型、大小不一或分层的物联网融合为一体，形成可增长的整体物联网群。未来物联网内的各个独立的物联网的内外联接方式可采用适合的一种或多种信息通道（通讯工具）传输信息来实现万物互联。如同人们可选用现代交通提供的航空、水路、公路等和步行自由出行一样。
未来物联网将引发现有信息技术在数制、CPU、存储器、传感器、智能终端、智能制造、智能社会、软件编程方法、操作系统、网络架构、多网融合、网络安全等诸多领域的变革和创新。未来物联网将会完善现有信息技术体系和产业链。由于这种变革和创新大多在顶层和底层进行，不需改变汇编和高级语言，对应用层没有影响，会兼容和增强现有的信息化成果。
未来物联网将使目前的各种互联网企业转变为物联网企业，将使各类互联网+的应用，将转化为物联网+的应用。其中，许多互联网+应用，将通过增配智能终端或智能硬件，从智慧型应用转升为感知可控的智能型应用。
未来物联网将比现在的分散物联网可更直接、有效和广泛地参与工农业生产和社会管理，通过提供更准确可靠的感知可控的智能化服务，显著提高生产能力和管理水平，促进国民经济、社会文化和人民生活水平的快速发展和提高。
二、未来物联网的核心技术
未来物联网向下要担负实现：与现在IPV4和IPV6互联网兼容、还要提供无限多的IP地址，完成国内外有关国家政府和国际大公司正在投巨额资金研究的下一代互联网的目标同时，还要提供无限多的唯一标识码，实现前所未有的互联网与多网融合的万物互联的功能研究，才能成为代表物理世界万物信息的完整物联网。
未来物联网向上要担负实现：与在物理世界和信息世界已经形成并正在快速增长的网络空间的信息对接互联的目标，应具有与网络空间的“空间网”（名称待定）融合的网络架构，成为网络空间的“空间网”（名称待定）的基础网络架构之一。
因此、要实现未来物联网，需要对现有的信息技术首先在以下几方面进行颠覆性变革和创新：
1、二的幂进制数
当前计算机使用的二进制数存在天然缺陷，如：同样字长的二进制表示的数，仅是二的幂进制表示的数一半。研制二的幂进制数CPU和存储器，在使用同样集成电路工艺时，计算速度和存储容量会显著提高。
2、新计算机体系
当前计算机体系采用的是单轴计算。现提出的将指令的操作码和操作数分开处理的方案，运行时还是单轴计算。使用二的幂进制CPU和存储器后，有利于研制出双轴或多轴计算机体系，可大大提高计算机的计算效率。
3、无限增长量（天量）数据的快速检索
计算机运行中实际计算占用的时间很短，大量被检索参加计算的数据和存储计算结果数据的地址时间占用。无限增长量（天量）数据的快速检索技术不仅可提高计算机的寻址速度，更大的功能是支撑未来物联网可提供无限多的IP地址和无限多唯一标识码的技术。
4、软件编程的指导思想
软件是通过计算机处理数据（信息）的工具。在现有的“软件定义一切”的认识指导下，软件编程的大量工作是在一步一步地对所有相关数据按人的主观意识去驱动；不仅费时和费力，且成本高、维护难、可靠性和扩展性也很差。软件编程应在“软件描述一切”的认识指导下，通过描述数据流动的规则去让数据自动按规则流动，就会提高软件编程的效率和质量。
5、没有BUG的软件编程方法
当前在软件行业流行软件编程中存在BUG是不可避免的说法。但是，物联网应用对软件本身的安全要求很高，特别是因软件原因可能产生严重后果的应用，对软件的要求是绝对不能有BUG存在。采用面向事实的分析 (Fact-Oriented Analysis)、面向结构的设计(Frame-Oriented Design)、面向形式的编程(Form-Oriented Programming) 的FO软件开发方法和对按物联网需要相联的每个物客观存在的多维属性，如实完整地进行描述和引用，就可避免软件编程中BUG的存在。
6、网络架构
当前网络架构有4个版本存在。最早提出和在美国军方建立和应用的计算机间联网的网络架构1.0、以现在广泛应用的因特网为代表的互联网的网络架构2.0、以美国谷歌公司建立的B4网络为代表的软件定义网络（SDN）的网络架构3.0，鲜为人知的136X工程的基于遗传基因特征的浮云分层的网络空间信息世界EM258.com的网络架构4.0。这4个版本网络架构中，只有EM258.com的网络架构4.0满足未来物联网提供无限多的IP地址和无限多唯一标识码的需求。但是，EM258.com的网络架构4.0是为网络空间设计和运行的网络架构，在未来物联网中引用，还需进行软件上裁减和硬件上的完善工作。
涉及未来物联网的这些核心技术有些已有理论、有些已报专利，其中大部分技术通过实际应用的初步检验。如果将这些核心技术集合使用，我国就已具有了开始进行构建未来物联网软、硬件和系统的技术基础条件。
三、构建未来物联网的意义
互联网的发明和应用，对改变人们的生活和发展国民经济带来的促进效果是非常巨大的。过去,在互联网兴起的时候,由于在技术上的差距,我国不可能研制出有主权的互联网在世界推广使用。显然，没有互联网的主控权，对国家安全带来的不安全因素也是巨大的。
主席指出：大国网络安全博弈，不单是技术博弈，还是理念博弈、话语权博弈。在今日互联网将消亡、物联网将兴起的时候，是中国构建未来物联网的好时机。
在还原论哲学思想主导下，过去几十年里西方计算机技术得到快速发展。但是随着信息化的深入，计算机需要处理的非线性数据越来越多，对处理线性数据有优势的数字计算机，数据处理的难度在不断增加，同时计算机软硬件的发展也遇到甁颈。
在思维模式方面，在东方长期以来是整体论哲学思想占主导，只是在近一百多年里，基于还原论哲学思想的近代科学成为了主导。研究表明：整体论哲学思想和中华文明中有许多便于处理非线性数据和有利于对计算机软硬件创新的理念。上述的未来物联网的核心技术中，有许多的创新技术就来源于这些理念的一部分。
由于构建未来物联网的核心技术都是信息技术的顶层和底层技术，一旦这些技术在构建未来物联网中完善和成熟，经广泛推广应用，将对计算机软硬件的研制发展，对云计算、大数据、移动通讯、系统集成、智能制造等诸多有智能、智慧需求的计算机应用带来不可估量的创新发展，将促进信息技术进入新的时代。
特别是未来物联网采用树结构提供无限多的IP地址和无限多的唯一标识码，IP地址和唯一标识码解析都是按逻辑结构即刻自动解析，没有现在互联网似的根服务器。将来在全世界各国推广使用未来物联网时，由于各国的IP地址可分别在自己的一个枝叉上，完全可以由本国掌控，不受制于他国，因此会非常安全。按照这种技术构建的未来物联网没有主控权，容易被世界各国接受，符合主席提出的国际社会应该在相互尊重、相互信任的基础上，加强对话合作，共同构建和平、安全、开放、合作的网络空间的原则。事实上，只有全世界各国都支持和使用未来物联网，未来物联网才能真正实现将全世界万物互联的作用。
中国是负责任的大国，有责任引导各国平等合作构建未来物联网，为全世界信息化的发展做出贡献。
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