物联网时代通信网络面临的机遇和挑战

2012-01-25文丨谢新梅

中国传媒科技 2012年16期

文丨谢新梅

1 引言

互联网技术改变了人们的生活方式并取得了巨大成功，下一个信息技术变革的动力来自物联网技术。从技术上看，物联网就是从通信网转变为以实现在任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅地通信为目标的泛在网。物物之间感知和通信是物联网关键技术。通信网络具有覆盖范围广、可靠性高等优势，是物联网实现的前提，物联网业务的发展也对现有通信网络提出了很多新的挑战和需求。

2 物联网通信网络现状

物联网可以看成是一种建立在互联网上的泛在网络，物联网技术的重要基础和核心仍然是通信网络。通过各种有线无线网络和互联网融合，物体的信息可以在网络中实时准确地交互传输。感知层的信息通过各种通信系统传递。这些通信系统包括接入网和核心网，接入网包括了有线通信接入网和无线通信接入网。从广义上来说，还包括了无线传感器网络。

2.1 无线传感器网络

无线传感器网络位于感知层，由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过采集层获取信息在传送到无线接入网中。除了采集信息外，微型节点还能获取一定范围之内的其他节点采集到的信息，在该范围内节点采集到的信息统一处理，统一传送，或者经过节点之间的相互“联系”后，它们协商传送到各自的部分信息接入网，这样就具有了无线自组网的功能。

2.2 接入网

1）无线通信接入网物联网的无线接入网包括短距离无线通讯网和长距离无线通信。短距离无线接入网包括10多种已存在的短距离无线通讯（如2G/3G、WIFI、蓝牙、RFID等）标准网络以及组合形成的无线网状网（Mesh Networks)；长距离无线通讯网包括GPRS/CDMA、3G， 4G，5G等蜂窝（伪长距离通讯）网以及真正的长距离GPS卫星移动通信网，下面简单介绍几种无线接入技术。

①蜂窝移动通信技术：蜂窝移动通信技术经历了第2代和第3代移动通信的快速发展，未来蜂窝移动通信技术将从第3代过渡到第4代(4G)。4G理论上在20MHZ的带宽下达到下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率，支持的数据通信速率非常高，同时能在350km/小时的速度下达到很好的接收效果，真正满足现有物联网业务要求。②Wi-Fi技术：Wi-Fi俗称无线宽带网，是一种短程无线传输技术，为用户提供了无线的宽带互联网访问。Wi-Fi一直是企业实现自己无线局域网所青睐的技术，在各行各业已被广泛使用。如无线城市概念就是使用高速宽带无线技术覆盖城市行政区域。③GPS卫星通信：GPS在物联网中主要应用在卫星导航技术方面，同时GPS与移动通信基站定位、陀螺、航位推算技术进行组合应用，以及卫星导航与无线通信等其它高科技的结合，这些都促进物联网的深入发展。

2）有线通信接入网

①PSTN接入：物联网用户可以通过PSTN接入互联网。所谓公用电话交换网PSTN，即我们日常生活中常用的电话网。在众多的广域网互连技术中，通过PSTN进行互连所要求的通信费用最低，但其数据传输质量及传输速度也最差，同时PSTN的网络资源利用率也比较低。②宽带互联网接入：物联网用户可以通过宽带方式接入互联网，目前宽带用户最常见的宽带接入方式接入互联网，网络服务商通过光纤接入到楼，然后再通过网线到户。为居民提供的网络速率一般为10Mbps，并共享带宽。③有线通接入：有线通为各地的有线电视台所经营，通过有线电视信号线接入，采用HFC-经济实用的综合数字服务宽带网接入技术，其终端设备为cable modem。HFC通常由光纤干线、同轴电缆支线和用户配线网络三部分组成。有线通采用有线电视网络进行传输，在网络覆盖上具有优势。缺点在于当用户激增时，速率就会下降且不稳定，扩展性不够。④电力线接入：电力线通信利用传输电流的电力线作为通信载体，具有极大的便捷性。电力线上网可以充分利用现有的配电网络基础设施，无需任何布线，从而可以节省巨大的新增投资，但是很难保证数据通信的稳定性，因为电力系统用户端电压的变化带来了数据传输的干扰，从而影响上网的质量。

2.3 核心网

①移动核心网：移动核心网是物联网网络层的重要技术，和蜂窝通信技术共同构成移动通信系统。目前移动核心网正在向LTE和4G转型。LTE核心网（SAE）的结构相对于原有的移动核心网得到了很大的简化。SAE对用户业务数据实现集中管理，完成以用户为中心的业务数据的融合。随着移动通信与互联网的不断融合，移动核心网也加速向全IP网络转变，对各种网络和不同域之间的技术进行融合，在网络管理及控制方面上实现智能化，实现基于IMS技术的网络。②IMS网络：IMS是在基于IP的网络上提供多媒体业务的通用网络架构，采用端到端全IP系统，从终端到核心侧都采用基于IP承载的SIP协议,也采用基于IP的路由方式。IMS体系结构采用标准开放接口，并通过一个统一的系统整合各种业务，有利于各种业务平台之间的兼容，有效促进产品兼容性和多厂家合作，从而使得实现物联网的各种业务有了技术上的可能性。③NGN网络：下一代网络(NGN)是可以承载语音、数据、多媒体等种类丰富的业务。IMS网络和软交换网络都属于NGN网络。NGN汇聚了固定、移动、宽带等多种网络，致力于和PSTN(公共交换电话网)及移动网的完美互通。同时，NGN提供了一个开放式的体系架构，便于新业务的快速开发和部署。下一代网络，可以在任何时间、任何地点，互联任何物品，提供多种形式信息访问和信息管理的网络。因此从某个方面来看，NGN网络的目标和物联网目标是一致的。

3. 物联网通信网络发展

3.1 通信网络面临的机遇

物联网被称为是下一个万亿级的信息产业，到2020年，预计将有超过500亿台的M2M设备连接到全球公共网络，到2015年中国物联网整体市场规模将达到7500亿元。物联网带给用户的体验更明显，当物联网与通信网络相连时，用户可随时随地全方位“感知”对方，从而使得人们的生活方式发生巨大变化，并且给人们巨大的想象空间：未来人们的生活将是智能的。而物联网的发展反过来也带动了通信网络的发展。

1）物联网提供了通信网络的技术发展条件

物联网的信息传递需要依赖通信网与互联网，需要实现无缝网络覆盖和异构网络融合，构建异构的泛在网为通信网络提供了发展机会。支撑物联网的通信网络架构涉及业务层、网络层、接入层、延伸网四个层面。通信网络在标识解析技术、安全技术、QOS业务控制技术、网络管理等技术问题上，没有统一的标准，这造成了物联网的应用割据，难以进行资源共享，而这些问题在未来的物联网发展阶段必须得到解决。

2）物联网给电信运营商带来新的利润增长点

电信运营商是维护物联网通信网络的服务公司。目前运营商的通信业务已经趋向饱和，运营商需要转向物物通信并寻找新的增长点。物物通信比传统的人人通信更广阔的市场前景。虽然物联网不能带来通信网络规模的扩大，但可以促进网络优化，深化业务和产业的融合，加快运营商转型的步伐。

3）物联网带来了三网融合深度发展的契机

三网融合是指将互联网、有线电视网及电信网融合，三大网络通过技术改造，其技术功能趋于一致，业务范围趋于相同，网络互联互通、资源共享，能为用户提供语音、数据和广播电视等多种服务。物联网和三网融合之间是相辅相成的关系，在三网融合发展的今天，家庭联网更多的为生活应用三网融合，从更大层面体现了将来跨网络、跨设备、跨屏幕、跨地域的发展。物联网、嵌入式的互联网、传感器网等新技术，对于管理资源，更好的分配资源，提高整个企业的管理效率，有极大的推动作用。

3.2 通信网络面临的挑战

虽然物联网给通信网络带了发展机遇，但是目前的通信网络还面临着很多挑战。

1）物联网新业务对通信网络容量带来严峻的挑战

由于物联网提供的是物物通信，处于物联网终端的各种物体每时每刻产生的大量数据，业务种类也千差万别，其流量特征差异很大，有些尚待开发的业务流量特征还处于完全无知的状态。这些流量都在不断进入信息系统，等待存储、分析和充分利用。面对这样千差万别的流量，通信网将遭受巨大的负荷冲击，这就要求网络具备高度智能化处理网络数据的能力。目前研究如何在无线与核心网络中应对可能的冲击，如何安全的处理各种物联网业务是一个重要的课题，可能采取的手段包括用户分级（无线），制定指定专用资源（核心）等等。

2）物联网对无线通信网络的覆盖提出挑战

当无线网络服务于物联网时，一个重要的问题是如果保证每个终端的覆盖，物联网的终端千差万别，有很多终端都可能放置在比较封闭的地方，一般很少有人会去查看这些位置，所以产生了覆盖盲点。为了保证物联网的覆盖质量，必须通过一些方式来确认网络的覆盖。而对这个物物构建的网络环境来说，做到每个点都可以覆盖是一个巨大的挑战。

3）物联网对通信网络提出安全考验

物联网由海量的机器构成，缺少人对设备的有效监控，并且信息交互量大，因此其安全问题不容忽视。物联网接入网包括了各种无线和有线通信接入技术，接入层的性使得如何保证异构网络间节点漫游和服务的无缝移动成为研究的重点。对移动网络来说，用户通过无线接口来鉴权和认证，但是无线信道容易被窃听而获得其中传输的信息，因此移动通信网络存在各种不安全的因素。而核心网目前已经走向IP化使得过去封闭的网络走向开放互联。IP化也同时将互联网的各种安全威胁不攻击、脆弱性等引入电信网络，极大的增加了安全风险，虽然相较于接入网更有保障，但是仍然面临着用户终端的接入认证信息被恶意盗用等数据安全问题。

4）物联网地址缺乏是通信网络的难题

目前无线通信识别用户采用的是国际移动用户识别码（IMSI），区别设备使用的是国际移动设备身份码（IMEI），互联网采用IPv4地址的寻址体系来进行物联网节点的寻址。虽然这些号码的数量可以满足人人通信，但是一旦与物联网的终端共用，就会显得匮乏。当所有的物体都有一个属于自己的IP的时候，物联网才能真正实现。因此物联网应采用IPv6（IPv4必然不够），地址长度为128比特，地址空间增大了2的96方倍。我们可以想象如果采用IPv6技术的话，世界上的每个沙粒都可以有一个 IP地址。但是由于物联网对海量地址的需求导致了地址分配方式必须使用自动化分配，这样对网络中的DHCP服务器也提出了极高的性能和可靠性要求，如何提高DHCP服务器性能不足，成为物联网应用的一个难题。另外IPv6没有注重服务的可用性与安全性，很有可能会增加重大的网络安全威胁，比如IPv6采用IPSec加密，IPSec并不能够处理IPv6网络中的所有漏洞问题，但是攻击者可以利用加密机制，利用防火墙和IPS无法检测加密内容的特点，绕过这些设备，直接向服务器发起攻击。因此需要在实践中改善IPv6协议的安全性能。

5）物联网需要各种通信网络的融合

在技术上，通信技术协议众多，包括前面介绍的无线通信网络和有线通信网络各种协议标准，还有物联网的无线传感器网络的各种技术标准等等。由于厂家的不同，终端、设备、网络标准都可能不同，因此会形成多种网络差异化的局面。目前物联网很难对各种行业的网络形成统一的业务提供平台。如何有效整合各种网络协议，就成为物联网不可绕过的一个问题。