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主 讲 人：李
玲
吉林大学通信工程学院
1
第2章 物联网体系架构
2
本章教学内容
2.1
概述
2.2
感知层
2.3
网络层
2.4
应用层
3
2.1 物联网概述
2.1.1
物联网应用场景
2.1.2
物联网需求分析
2.1.3
物联网体系架构
4
2.1.1 物联网应用场景
物联网是近年来的热点，人人都在提物联网，
但物联网到底是什么？究竟能做什么？本节将对
几种与普通用户关系紧密的物联网应用进行介绍。
5
应用场景一：
当你早上拿车钥匙出门上班，在电脑旁待命
的感应器检测到之后就会通过互联网络自动发起
一系列事件，比如通过短信或者喇叭自动播报今
天的天气，在电脑上显示快捷通畅的开车路径并
估算路上所花时间，同时通过短信或者即时聊天
工具告知你的同事你将马上到达等。
6
应用场景二：
想象一下，联网冰箱可以监视冰箱里的食物，
在我们去超市的时候，家里的冰箱会告诉我们缺少
些什么，也会告诉我们食物什么时候过期。它还可
以跟踪常用的美食网站，为你收集食谱并在你的购
物单里添加配料。这种冰箱知道你喜欢吃什么东西
，依据的是你给每顿饭做出的评分。它可以照顾你
的身体，因为它知道什么食物对你有好处。
7
应用场景三：
用户开通了家庭安防业务，可以通过PC或手机
等终端远程查看家里的各种环境参数、安全状态和
视频监控图像。当网络接入速度较快时，用户可以
看到一个以三维立体图像显示的家庭实景图，并且
采用警示灯等方式显示危险；用户还可以通过鼠标
拖动从不同的视角查看具体情况；在网络接入速度
较慢时，用户可以通过一个文本和简单的图示观察
家庭安全状态和危险信号。
8
物联网在我们日常生活中的应用丰富多彩
9
综上，从体系架构角度将物联网支持的业务应用分3类：
（1）具备物理世界认知能力的应用。根据物理世界的相关信
息，如用户喜好、周边环境等改善用户体验；
（2）在网络融合基础上的泛在化应用。不以业务类型划分，
而是从网络业务提供方式划分，强调泛在网络区别于现
有网络的业务提供方式；
（3）基于应用目标的综合信息服务应用。包括基于应用目标
的信息收集、分发、分析、网络和用户行为决策和执行
。
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2.1.2 物联网需求分析
“物联网”概念的问世，打破了之前的传统
思维。在“物联网”时代，钢筋混凝土、电缆将
与芯片、宽带整合为统一的基础设施。物联网的
本质就是物理世界和数字世界的融合。
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物联网是为了打破地域限制，实现物物之间
按需进行的信息获取、传递、存储、融合、使用
等服务的网络。因此，物联网应该具备如下3个能
力 ：全面感知、可靠传递、智能处理。
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（1）全面感知——利用RFID、传感器、二维码等随时随
地获取物体的信息，包括用户位置、周边环境、个体喜好
、身体状况、情绪、环境温度、湿度，以及用户业务感受
、网络状态等。
（2）可靠传递——通过网络融合、业务融合、终端融合
、运营管理融合，将物体的信息实时准确地传递出去。
（3）智能处理——利用云计算、模糊识别等各种智能计
算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体进行
实时智能化控制。
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2.1.3 物联网体系架构
 目前在业界物联网体系架构也大致被公认为有
这三个层次，底层是用来感知数据的感知层，
第二层是数据传输的网络层，最上面则是内容
应用层 。
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感知层
 感知层是物联网的皮肤和五官—识别物体，采
集信息。
 感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和
读写器、摄像头、GPS等。
 主要作用是识别物体，采集信息，与人体结构
中皮肤和五官的作用相似。
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网络层
 网络层是物联网的神经中枢和大脑—信息传递
和处理。
 网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管
理中心和信息处理中心等。
 网络层将感知层获取的信息进行传递和处理，
类似于人体结构中的神经中枢和大脑。
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应用层
 应用层是物联网的“社会分工”—与行业需求
结合，实现广泛智能化。
 应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，
与行业需求结合，实现行业智能化，这类似于
人的社会分工，最终构成人类社会 。
17
18
2.2 感知层
2.2.1
感知层功能
2.2.2
感知层关键技术
19
2.2.1 感知层功能
 物联网在传统网络的基础上，从原有网络用户终
端向“下”延伸和扩展，扩大通信的对象范围，即
通信不仅仅局限于人与人之间的通信，还扩展到人
与现实世界的各种物体之间的通信。
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 物联网感知层解决的就是人类世界和物理世界
的数据获取问题，包括各类物理量、标识、音
频、视频数据。
 感知层处于三层架构的最底层，是物联网发展
和应用的基础，具有物联网全面感知的核心能
力。作为物联网的最基本一层，感知层具有十
分重要的作用。
21
 感知层包括数据采集和数据短距离传输两部分。
即首先通过传感器、摄像头等设备采集外部物理
世界的数据，通过蓝牙、红外、ZigBee等短距离
有线或无线传输技术进行协同工作或传递数据到
网关设备。
 此处的短距离传输技术，尤指像蓝牙、ZigBee这
类传输距离小于100m，速率低于1Mbit/s的中低速
无线短距离传输技术。
22
2.2.2 感知层关键技术
 感知层所需要的关键技术包括传感器、RFID、
二维码标签和识读器、自组织网络、传感器网络、
短距离无线或有线短距离传输技术等。
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传感器技术
 计算机类似于人的大脑，而仅有大脑而没有感
知外界信息的“五官”显然是不够的，计算机
也还需要它们的“五官”—传感器。
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 传感器功能：
是一种检测装置，能感受到被测的信息，按一
定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息
输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示
、记录和控制等要求。

在物联网系统中，对各种参量进行信息采集和
简单加工处理的设备被称作物联网传感器。
25
 传感器分类依据：

物理量

工作原理

输出信号的性质
或是分为智能传感器与一般传感器
26
 传感器是摄取信息的关键器件，它是物联网中
不可缺少的信息采集手段，也是采用微电子技
术改造传统产业的重要方法。
27
RFID技术
 RFID是射频识别（Radio Frequency
IDentification）的英文缩写，是20世纪90年代
开始兴起的一种自动识别技术，它利用射频信号
通过空间电磁耦合实现无接触信息传递并通过所
传递的信息实现物体识别。
 RFID是一种能够让物品“开口说话”的技术，也
是物联网感知层的一个关键技术。
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 RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，
通过有线或无线的方式把它们自动采集到中央
信息系统，实现物品（商品）的识别，进而通
过开放式的计算机网络实现信息交换和共享，
实现对物品的“透明”管理。
29
 RFID系统的组成：



电子标签（Tag），用于存储待识别物品的标识
信息；
读写器（Reader），将约定格式的待识别物品的
标识信息写入电子标签的存储区中，或在读写器
的阅读范围内以无接触的方式将电子标签内保存
的信息读取出来；
天线（Antenna），发射或接收射频信号，内置
在电子标签或读写器中。
30
 RFID技术的工作原理：



电子标签进入读写器产生的磁场后，读写器发出
射频信号；
凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中
的产品信息（无源标签或被动标签），或者主动
发送某一频率的信号（有源标签或主动标签）；
读写器读取信息并解码后，送至中央信息系统进
行有关数据处理。
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 RFID特点：

无需接触；

自动化程度高；

耐用可靠；

识别速度快；

适应各种工作环境；

可实现高速和多标签同时识别
32
 RFID应用：

物流和供应链管理；

门禁安防系统；

道路自动收费；

航空行李处理；

文档追踪；

图书馆管理；

电子支付；

生产制造和装配；

物品监视；

汽车监控。
33
二维码技术
 二维码也叫二维条码或
二维条形码，是用某种
特定的几何形体按一定
规律在平面上分布（黑
白相间）的图形来记录
信息的应用技术。
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 二维码技术原理：
二维码在代码编制上巧妙地利用构成计算机内
部逻辑基础的“0”和“1”比特流的概念，使用
若干与二进制相对应的几何形体来表示数值信
息，并通过图像输入设备或光电扫描设备自动
识读以实现信息的自动处理。
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 与一维条形码相比，二维码的优势如下：


数据容量更大；
二维码能在横向和纵向两个方位同时表达信息，数
据存储量大大提高了；

数据类型增加，超越了字母和数字的限制。

条形码的相对尺寸小，空间利用率高；

保密性和抗损毁能力提高。
 目前，二维码已开始进入流通领域，如我国新发售的
火车票，都已开始采用新型二维码技术。
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 二维码的特点：
（1）高密度编码，信息容量大：可容纳多达
1850个大写字母或2710个数字或1108个字节或
500多个汉字，比普通条码信息容量约高几十
倍。
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（2）编码范围广：二维码可以把图片、声音、
文字、签字、指纹等可以数字化的信息进行编
码，并用条码表示。
（3）容错能力强，具有纠错功能：二维码因穿
孔、污损等引起局部损坏时，甚至损坏面积达
50%时，仍可以正确得到识读。
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（4）译码可靠性高：比普通条码译码错误率百万
分之二要低得多，误码率不超过千万分之一。
（5）可引入加密措施：保密性、防伪性好。
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（6）成本低，易制作，持久耐用。
（7）条码符号形状、尺寸大小比例可变。
（8）二维码可以使用激光或CCD摄像设备识读，
十分方便。
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ZigBee技术
 ZigBee是一种短距离、低功耗的无线传输技术
，是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术
，它是IEEE 802.15.4协议的代名词。
 ZigBee采用分组交换和跳频技术，并且可使用
3个频段，分别是2.4GHz 的公共通用频段、欧
洲的868MHz频段和美国的915MHz频段。
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 应用：

短距离范围；

数据流量较小的业务；
42
 技术特点：
 数据传输速率低，10~250kbit/s；
 低功耗，只有激活和睡眠两种状态，通信循环次数少，工作
周期短，一般两节5号干电池可使用半年；
 成本低，速率低，协议简单；
 网络容量大，网络最多可支持255个设备；





有效范围小 ，10~75m；
工作频段灵活， 2.4GHz /868MHz/915MHz为免执照频段；
可靠性高，采用了冲突避免机制和预留专用时隙机制，提高
了可靠性。
时延短，从睡眠转入工作状态只需15ms ,节点连接进入网络
只需30ms ,进一步节省了电能。
安全性高，提供了数据完整性检查，采用AES-128的加密算
法,以灵活确定其安全属性。
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蓝牙
 蓝牙（Bluetooth）是一种无线数据与话音通信的开放
性全球规范，和ZigBee一样，是一种短距离的无线传
输技术，为固定设备或移动设备之间的通信环境建立
通用的短距离无线接口。
 蓝牙采用高速跳频（Frequency Hopping）和时分多址
（Time Division Multiple Access，TDMA）等先进技
术，支持点对点及点对多点通信。
44
 蓝牙的技术特点：

同时可传输话音和数据；

可以建立临时性的对等连接（Ad hoc
Connection)；

开放的接口标准；
45
 蓝牙的应用：

话音/数据接入；

外围设备互连；

个人局域网（PAN）；
 在感知层主要是用于数据接入。
46
小结
 感知层——物联网的感觉器官（相当于人的
皮
肤和五官）；
 主要作用——信息采集、捕获、物体识别；
 关键技术——传感器、RFID、
二维码标签和识
读器、自组织网络、传感器网络、短距离无线
通信、低功耗路由等。
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2.3 网络层
2.3.1
网络层功能
2.3.2
网络层关键技术
48
2.3.1 网络层功能
 网络层主要承担着数据传输的功能；
 在物联网中，要求网络层能够把感知层感知到
的数据无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送，
它解决的是感知层所获得的数据在一定范围内，
尤其是远距离地传输问题。同时，现有需要对现
有网络进行融合和扩展，利用新技术以实现更加
广阔和高效的互联功能。
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2.3.2 网络层的关键技术

Internet

移动通信网

无线传感器网络
50
Internet
 Internet采用C/S工作模式，利用TCP/IP协议，与
Internet上的任意主机进行通信的计算机，无论何
种类型、采用何种操作系统，均可看做Internet的
一部分。
 物联网也被认为是Internet的进一步延伸。
 Internet将作为物联网主要的传输网络之一，它将
使物联网无所不在、无处不在地深入社会每个角落
。
 IPv6技术的引用提供了大量的IP地址，为物联网发
展发挥重大作用。
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移动通信网
 移动通信网由无线接入网、核心网和骨干网三
部分组成。
 无线接入网主要为移动终端提供接入网络服务
，核心网和骨干网主要为各种业务提供交换和
传输服务。
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 移动通信网具有覆盖广、建设成本低、部署方
便、具备移动性等特点，将成为物联网主要的
接入方式和传输载体，为人与人之间通信、人
与网络之间的通信、物与物之间的通信提供服
务。
 在移动通信网中，当前比较热门的接入技术有
3G、Wi-Fi和WiMAX。
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 3G——第三代蜂窝移动通信技术，综合了蜂窝、无绳、集群、移
动数据、卫星等各种移动通信系统的功能，与固定电信网的业务
兼容，能同时提供话音和数据业务。3G包括3种主要国际标准，
cdma2000，WCDMA，TD-SCDMA。
 Wi-Fi——是由接入点AP和无线网卡组成的无线网络。主流的WiFi技术无线标准有IEEE802.11b及IEEE 802.11g两种，分别可以
提供11Mbit/s和54Mbit/s两种传输速率。传输距离有几百米，可
实现各种便携设备在局部区域内的高速无线连接或接入局域网。
 WiMAX——是一种城域网(MAN)无线接入技术，是针对微波和毫米
波频段提出的一种空中接口标准，其信号传输半径可以达到50km
，基本上能覆盖到城郊。正是由于这种远距离传输特性，WiMAX
不仅能解决无线接入问题，还能作为有线网络接入(有线电视、
DSL)的无线扩展，方便地实现边远地区的网络连接。
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无线传感器网络
 无线传感器网络（WSN）的基本功能是将一系列空
间分散的传感器单元通过自组织的无线网络进行连
接，从而将各自采集的数据通过无线网络进行传输
汇总，以实现对空间分散范围内的物理或环境状况
的协作监控，并根据这些信息进行相应的分析和处
理。
55
 无线传感器网络的特点：


节点数目更为庞大（上千甚至上万），节点分布更为
密集；
由于环境影响和存在能量耗尽问题，节点更容易出现
故障；

环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；

通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的；

传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信
能力等都十分有限；
56
小结
 网络层——物联网的神经中枢和大脑。
 主要作用——将感知层获取的信息进行传递和处理
。
 网络层关键技术包括——Internet、移动通信网、
无线传感器网络。
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主要的机遇和问题
 通信网络将成为物联网的基础承载网络，移动通信
终端也可实现与物联网终端的融合，从而为电信业
务的发展带来新的机遇。
 现有通信网络是根据各自的资源进行接入连接并针
对各自的客户目标而设计的，因此形成了目前多种
异构无线接入技术并存的格局。因此，物联网中设
备的接入是一个泛在的、异构的接入。
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 物联网的终端发送或者接收数据的种类是多种多样的，包括
声音、视频、语音、数据等。
 接入方式多种多样，接入网有移动网络、无线接入网络、固
定网络和有线电视网络。
 移动通信网具有覆盖广、建设成本低、部署方便、具备移
动性等特点，将成为物联网主要的接入方式和传输载体.
 IP核心网络作为融合的基础承载网络长期服务于物联网，
为整个网络的处理能力的提升，对业务和应用的支持，达
到一个更高的层次；
 现有的无线接入网络主要有无线局域网、无线个域网、无
线传感器网络、2G、3G／LTE、WiMAX以及下一代无线网络
等。
 网关设备将多种接入手段整合起来，统一接入到电信网络
，可满足局部区域短距离通信的接入需求，实现与公共网
络的连接，同时完成转发、控制、信令交换和编解码等功
能，而终端管理、安全认证等功能保证了物联网业务的质
量和安全。
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2.4 应用层
2.4.1
应用层功能
2.4.2
应用层关键技术
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2.4.1 应用层功能
 应用层主要功能就是把感知和传输来的信息进
行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现
智能化的管理、应用和服务。
 应用层解决的是信息处理和人机界面的问题。
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 应用层将网络层传输来的数据通过各类信息系统进行处理
，并通过各种设备与人进行交互。
 应用层可划分为两个子层：一个是应用程序层；另一个是
终端设备层。


应用程序层进行数据处理，完成跨行业、跨应用、跨系
统之间的信息协同、共享、互通的功能，包括电力、医
疗、银行、交通、环保、物流、工业、农业、城市管理
、家居生活等，可用于政府、企业、社会组织、家庭、
个人等，这正是物联网作为深度信息化网络的重要体现
。
终端设备层主要是提供人机界面，物联网虽然是“物物
相连的网”，但最终是要以人为本的，最终还是需要人
的操作与控制。
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 物联网的应用可分为——

监控型(物流监控、污染监控)；

查询型(智能检索、远程抄表)；

控制性(智能交通、智能家居、路灯控制)；

扫描型(手机钱包、高速公路不停车收费)等。
 目前，软件开发、智能控制技术发展迅速，应用层技术将
会为用户提供丰富多彩的物联网应用。同时，各种行业和
家庭应用的开发将会推动物联网的普及，也给整个物联网
产业链带来利润。
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2.4.2 应用层关键技术
 M2M
 云计算
 人工智能
 数据挖掘
 中间件
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M2M
 根据不同场景代表

Machine-to-Machine

Man-to-Machine

Machine-to-Man

Mobile-to-Machine

Machine-to-Mobile
65
 M2M是现阶段物联网普遍的应用形式，是实现物
联网的第一步。通过几种技术的结合，实现对机
器设备信息的自动获取和自动控制。
 M2M将多种不同类型的通信技术有机地结合在一
起，将数据从一台终端传送到另一台终端，也就
是机器与机器的对话。
 M2M技术综合了数据采集、GPS、远程监控、电信
、工业控制等技术，可以在安检、自动抄表、机
械服务、自动售货机城市信息化等提供解决方案
。
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 M2M技术的目标就是使所有机器设备都具备联
网和通信能力，其核心理念就是网络一切（
Network Everything）。
67
云计算
 云计算（Cloud Computing）是分布式计算（
Distributed Computing）、并行计算（
Parallel Computing）和网格计算（Grid
Computing）的发展，或者说是这些计算机科
学概念的商业实现。
 云计算通过共享基础资源的方法，将巨大的系
统池连接在一起以提供各种IT服务，用户利用
终端和互联网接入云计算平台来共享资源。
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 狭义云计算指IT基础设施的交付和使用模式，通过网络以
按需、易扩展的方式获得所需的资源(硬件、平台、软件)
。提供资源的网络被称为“云”。“云”中的资源在使用
者看来是可以无限扩展的，并且可以随时获取、按需使用
、随时扩展、按使用付费。这种特性经常被称为像水电一
样使用的IT基础设施。
 广义云计算指服务的交付和使用模式，通过网络以按需、
易扩展的方式获得所需的服务。这种服务可以是IT和软件
、互联网相关的，也可以使用任意其他的服务。
69
 云计算由于具有强大的处理能力、存储能力、带宽和极
高的性价比，可以有效用于物联网应用和业务，也是应
用层能提供众多服务的基础。
 它可以为各种不同的物联网应用提供统一的服务交付平
台，可以为物联网应用提供海量的计算和存储资源，还
可以提供统一的数据存储格式和数据处理方法。
 利用云计算大大简化了应用的交付过程，降低交付成本
，并能提高处理效率。同时，物联网也将成为云计算最
大的用户，促使云计算取得更大的商业成功。
70
人工智能
 人工智能（Artificial Intelligence）是探索
研究使各种机器模拟人的某些思维过程和智能行
为（如学习、推理、思考、规划等），使人类的
智能得以物化与延伸的一门学科。
 该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别
、自然语言处理和专家系统等，目前主要的方法
有神经网络、进化计算、粒度计算等3种。
 在物联网中，人工智能技术主要负责分析物品所
承载的信息内容，从而实现计算机自动处理。
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数据挖掘
 数据挖掘（Data Mining）是从大量的、不完全的、有噪
声的、模糊的及随机的实际应用数据中，挖掘出隐含的
、未知的、对决策有潜在价值的数据的过程。
 数据挖掘主要基于人工智能、机器学习、模式识别、统
计学、数据库、可视化技术等，高度自动化地分析数据
，作出归纳性的推理。
 它一般分为描述型数据挖掘和预测型数据挖掘。前者包
括数据总结、聚类及关联分析等；后者包括分类、回归
及时间序列分析等。通过对数据的统计、分析、综合、
归纳和推理揭示事件间的相互关系，预测未来的发展趋
势，为决策者提供决策依据。
72
 在物联网中，数据挖掘只是一个代表性概念，
它是一些能够实现物联网“智能化”、“智慧
化”的分析技术和应用的统称。
73
中间件
 中间件是为了实现每个小的应用环境或系统的标准化以
及它们之间的通信，在后台应用软件和读写器之间设置
的一个通用的平台和接口。具有数据的搜集、过滤、整
合与传递等特性。
 在物联网中采用中间件技术，以实现多个系统或多种技
术之间的资源共享，最终组成一个资源丰富、功能强大
的服务系统，最大限度地发挥物联网系统的作用。
 物联网中间件的主要作用在于将实体对象转换为信息环
境下的虚拟对象，因此数据处理是中间件最重要的功能
。
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 物联网中间件的实现依托于中间件的关键技术
的支持，包括：Web服务、嵌入式Web、上下文
感知技术、嵌入式设备及web of Things等。
75
小结
 应用层——物联网的“社会分工”，是物联网与行业专业技
术的深度融合，与行业需求结合，实现行业智能化，类似于
人的社会分工，最终构成人类社会 。
 主要作用——物联网的信息处理和应用，相当于人所从事的
不同职业。最终面向各类应用，实现信息的存储、数据的挖
掘、应用的决策等。从应用场景看，物联网应用包含工业、
农业、电力、医疗、家居、个人服务等人们可以预见的各种
场景。
 关键技术——涉及海量信息的智能处理、分布式计算、中间
件、信息发现等多种技术。
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 业务和应用层将通信网络上层的应用信息进行翻译和传
输，进行数据收集和集成，将所有的数据存储、智能分
析等，根据人们的需要将结果呈现给用户。
 在智能分析这一层，云计算是控制的核心要素。云计算
技术的运用，使对数以亿计物品的实时动态管理变得可
能。随着物联网应用的发展，终端数量的增长，可借助
云计算处理海量信息，进行辅助决策，提升物联网信息
处理能力。因此，云计算作为一种虚拟化、硬件／软件
运营化的解决方案，可以为物联网提供高效的计算、存
储能力，为泛在链接的物联网提供网络引擎。
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 从目前的物联网应用来看，没有统一建设标准、
规范的物联网接入、融合的管理平台，物联网将
因为各行业的差异无法产生规模效应，提高了使
用复杂度与成本。
 各个行业自己建设系统，行业终端需要和行业应
用相关，业务的开展、变更、服务器的变化都将
导致终端需要重新配置，甚至需要更换终端；缺
乏终端的管理手段，没有对终端的告警信息的处
理，对终端的维护十分不便，效率较低。
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 从应用层来看，整个社会将提供无所不在的网络，网
络可了解使用者的使用环境与状况，了解不同使用者
的个性与使用习惯，以实现定制化、多元化的服务提
供。
 从技术层来看，各类通信网络技术与互联网协议技术
的发展，以及云计算等革新带来的巨变，使得孤立的
、小颗粒的传感网进一步发展成为广泛覆盖、网络互
通、高速传输、无线连接、智能的物联网成为可能。
79
2.5
2.5.1
物联网关键技术
感知节点及终端的关键技术
2.5.2 传感器网络技术
2.5.3
异构网络互联融合及泛在无线通信技术
2.5.4
异构网络的移动性管理和资源管理技术
2.5.5
业务支撑及智能处理关键技术
2.5.6
物联网服务平台技术
2.5.7
安全与标准问题
80
物联网的关键技术包括3个方面：
 第一，终端的数据采集、处理、传输、终端网络的部
署和协同等，以无线传感器网络和RFID技术为代表；
 第二，异构的接入网络和基础的核心网络，包括基础
的NGN核心网和3G、Wi-Fi、蓝牙等接入技术；
 第三，由中间件、信息开放平台和服务支撑平台构成
的应用支撑子层以及物联网应用领域示范系统等。
81
物联网技术体系
82
2.5.1 感知节点及终端的关键技术
 感知终端/节点不仅能够提供事物本身的信息，而且能够探测、
存储、处理乃至融合各种与事物相关的信息，从而向信息网络空间
提供各种关联信息。
 随着微电子技术、嵌入式技术、短距离通信技术、传感器技术、
智能标签技术等信息通信技术的发展与成熟，现实世界中越来越多
的物理实体需要自组织来实现智能环境感知并对其进行自动控制，
并具备通信和信息处理的能力。
 通过行业应用促进感知内容的多媒体化、组合化的关键技术；推
动自主知识产权的多元化感知节点的设计和制造；设计终端及感知
节点在组网、协同上的软硬件框架，以使不同感知节点及网络体系
最终能互联互通。
 物联网的终端是多样性的，小型化、智能化和低成本是物联网部
署的必然需求，此外物联网需要IPv6地址来支撑。
83
2.5.2 传感器网络技术
 传感器网络由传感器器件组成的在空间上呈分布式的无
线自治网络，常用来感知环境参数，如温度、湿度、压
力等。最早从军队的应用环境演化而来，目前应用在很
多民用领域。
 无线传感器网络的主要研究内容包括通信、组网、管理
和分布式信息处理等多个层面。其中通信与组网主要研
究无线传感器网络通信协议，包括物理层、数据链路层
和网络层。管理与支撑技术使用通信与组网部分提供的
服务，并向应用系统提供服务支持，主要包括拓扑控制
、QoS控制、能源管理、定位和时间同步等。
84
2.5.3 异构网络互联融合及泛在无线通信技术
 任何终端节点在物联网中都能实现泛在互联。由节点组成
的网络，如传感器网络、RFID、家居网、个域网、局域网
、体域网、车域网等，架构在基础通信网络上，从而形成
一个广泛互联的网络。宽带、移动、融合、智能化、泛在
化是整个信息通信网络的发展趋势。
 物联网要满足未来不同的信息化应用，要求基础网络具有
不同安全可信等级和不同服务质量(QoS)的网络能力。
 物联网需要统一的网络架构和协议基础，目前在核心层面
可以考虑NGN/IMS融合，核心协议包含SIP和TCP/IP等，在
接入层面需要考虑多种异构网络的融合和协同。
85
 网络的异构性主要体现在——


不同的无线频段特性导致的频谱资源使用的异构性；
不同的组网接入技术所使用的空中接口设计及相关协议，
在实现方式上的差异性和不可兼容性；

业务的多样化；

终端的多样化；

不同运营商针对异构网络所实施的运营管理策略不同。
 这种异构性对网络的稳定性、可靠性和高效性带来了挑战，
同时给移动性管理、联合无线资源管理、服务质量保证等带
来了很大的问题。
86
 网络融合的主要策略——各种异构网络之间，在基础性网络
构建的公共通信平台上，实现共性的融合与个性的协同。



融合是在技术创新和概念创新的基础上对不同系统间共
性的整合，具体是指各种异构网络与作为公共通信平台
的移动通信网或者下一代网络的融合，从而构成一张无
所不在的大网。
协同是在技术创新和概念创新的基础上对不同系统间个
性的整合，具体是指大网中的各个接入子网通过彼此之
间的协同实现共存、竞争与协作的关系，以满足业务和
应用需求。
不同通信网络的融合是为了更好地服务于异构通信网络
的协同。协同技术是实现多网互通及无线服务的泛在化
、高速化和便捷化的必然选择，也是未来的物联网频谱
资源共享亟待解决的问题。
87
 异构网络融合的实现分为两个阶段——


连通阶段指各种网络如传感器网络、RFID网络、局域网
、广域网等都能互联互通，感知信息和业务信息传送到
网络另一端的应用服务器进行处理以支持应用服务。
融合阶段是指在网络连通层面的网络平台上，分布式部
署若干信息处理的功能单元，根据应用需求而在网络中
对传递的信息进行收集、融合和处理，从而使基于感知
的智能服务实现得更为精确。从该阶段开始，网络将从
提供信息交互功能扩展到提供智能信息处理功能乃至支
撑服务，并且传统的应用服务器网络架构向可管、可控
、可信的集中智慧参与的网络架构演进。
 异构网络融合是对现有网络分阶段的演进，有效地规划异构
网络融合的研究与应用。
88
 实现途径——综合考虑异构网络的新业务、工作模式的特征
和交融、终端设备特征、可扩展性和健壮性的异构融合需求
，并在能量、频谱资源、存储资源、计算能量受限的条件下
，设计泛在无线网络的开放框架，支持泛在网络的智能融合
以及重构，实现各类标签、传感器等的物与物的无缝互联，
支持各种应用服务。
 以建设一个开放融合、高效节能、支持泛在移动服务的网络
为目标，通过各种接入技术、业务驱动组网与寻址技术、认
知网络以及泛在移动性管理等关键技术，实现异构网络的融
合与协同。
89
 异构网络的融合与协同是实现泛在通信技术的关键。
 泛在通信技术为物联网数据提供传送通道。
 M2M(Machine To Machine)技术是物联网技术的重要部分，
是现有无线通信技术在应用上的创新，已经在国内外有大量
的应用实例。有多种技术支持M2M网络中的终端之间的传输
协议。


IEEE 802．1la/b/g——容易得到较高的数据速率，也容
易得到计算机网络的支持
Zigbee——采用Zigbee协议的终端更容易在恶劣的环境
下完成任务。
90
2.5.4 异构网络的移动性管理和资源管理技术
在异构泛在的网络环境下，网络的异构性和差异
性使现有的移动性管理技术已经无法满足终端在
异构网络间无缝切换、位置管理、终端协作等方
面的需要。必须提供一个开放的、通用的异构网
络移动性管理架构、优化的移动性管理解决方案
。
91
1.802.21标准——异构网络切换管理
 IEEE 802.21标准——对异构网络间无缝切换进行规范
 用户在网间漫游时能保持畅通的信息服务，即无需用
户干预，可以感知周围可用网络并迅速改变网络的使
用状态，进行无缝切换。例如，内置802．21技术芯片
的手机，能自动感知Wi-Fi、WiMAX及其他3G网络并切
换，不会因网络技术的不同而被迫中断通信。
92
 IEEE 802．21核心思想是在层2和层3之间引入一种新的功能模
块——媒介独立切换功能(Media Independent Handover
Function，MIHF ) ，提供异构网络切换服务。
 IEEE 802．21标准主要定义5个方面——

无缝切换能力；

区分业务的QoS保障；

最优网络选择；

安全机制；

电源管理。
93
 MIHF中定义3个不同的服务
——
 媒介独立事件服务（Media
Independent Event
Service，MIES），提供与
链路特性和链路状态动态
变化相对应的触发事件，
如链路上下行的变化、链
路即将发生切换等；
 媒介独立命令服务（Media Independent Command Service，MICS），帮助高
层来管理和控制与切换和移动性相关的链路行为，它使用从MIES获得的事件
信息作为其执行切换等动作的依据；
 媒介独立信息服务（Media Independent Information Service，MIIS），提
供一种信息模型和相应的处理机制。以使MIHF发现邻近的网络并获得这些网
络的相关信息，如信道信息、MAC地址、安全信息等。MIIS提供的信息有助于
高层更加高效地判断是否需要切换。
94
 通过引入MIHF，802.21可以有效改善多模终端在网络发现、
网络选择、切换发起、接口激活和功耗优化等方面的性能。
在MIHF的协助下，异构网络间的切换时延及切换丢包率能够
大幅改善。
 IEEE 802．21工作组的标准化工作：

业务连续性(Service Continuity)

应用类型(Application Class)

服务质量(QoS)

网络发现(Network Discovery)

网络选择 (Network Selection)

安全性(Security)

电源管理(Power Management)
95
2. 资源调度与管理
 异构无线网络包括蜂窝网(2G、3G/LTE)、无线局域网(WLAN)
、认知无线网络等。
 异构网络之间共享资源(尤其是频谱资源)进行管理的技术，
将成为由传统无线网络向下一代无线网络演进过程中的关键
问题和核心技术。
 为使支持异构融合与动态频谱共享利用的无线网络能够根据
用户需求、频谱资源等约束条件动态调整网络结构，进行资
源优化，解决网络的共存与兼容问题。
 统一融合的无线资源管理体系结构的设计应具有可升级、可
扩展、标准化的特点。体系框架中各功能实体之间的交互则
是由协议完成，根据频谱共享利用与无线资源管理关键技术
设计相应的协议，在设计过程中要考虑其标准化、开放化、
灵活性以及与现有技术的可兼容性。
96
 物联网可以看做是一种能够提供共享频谱资源的频谱池
。频谱池中的频谱资源在使用者看来是可以无限扩展的
，并且可以自动随时获取，按需使用，随时扩展，按使
用付费，而无需向频谱拥有者请求使用权，这样可以实
现动态的频谱共享(DSS)和动态的频谱分配(DSA)。频谱
池将所有分配给不同业务的频谱资源和频谱碎片集中起
来，可以是不连续的，并由软件实现协同管理，无需人
为参与。还可以实现不同系统间的频谱协同调度与管理
。
97
 异构网络融合的资源优化可以归纳为协作无线资源管理及动态
频谱管理。
 协作无线资源管理将整个可用的频谱资源作为一个资源池，利
用集中式和分布式的资源管理方案进行频谱资源的分配和使用
。通过协作无线资源管理(Cooperative RRM)、通用无线资源
管理(Genetic RRM)和具体无线资源管理(Specific RRM)3层无
线资源管理系统架构，充分利用系统资源，提高系统性能。



协作无线资源管理：位于最上层网关处，从总体带宽角度负
责不同运营商间资源的共享与调度。
通用无线资源管理：位于运营商内部，负责内部资源的共享
与调度，即基站间资源的分配与使用。
具体无线资源管理：位于单个基站，负责其内部资源的共享
与调度，即具体分配频带到到各用户终端。
98
 无线资源管理不仅包含频谱范围，还包括负载控制、接入控
制和切换等。同时，频谱管理作为与无线资源管理的输入方
，也存在于三层结构中，主要实现频谱聚合，共享等功能。
 具体到某一运营商，即单一系统内时，一般使用通用无线资
源管理方法来管理内部资源、频段的分配和使用。在新的架
构中，我们将其所能使用的频段分为固定频段和共享频段两
部分。通常情况下使用多带宽调度器实现业务在这两种频带
上的调度分配，关键性能指示(Key Performance Indicators
，KPI)作为输入数据。KPI下降，说明此时分配的带宽资源已
经不能满足业务需求，需要进行通用无线资源管理或协作无
线资源管理以重新获得系统平衡。在融合架构下，当系统内
资源耗尽时，则需要系统间的频段调度，即使用协作无线资
源管理。
99
 动态频谱管理实现的功能是根据业务量的变化，利用终端
的重配置能力，在运营商之间或者异构接入技术之间动态
分配与释放。动态频谱管理处理的是一个综合了技术因素
与经济因素的复合问题：


技术可行性是实现灵活的频谱共享的前提条件，需要
解决快速频谱扫描和测量、干扰控制和管理等问题；
在经济方面，则需要解决频谱二次交易的协商与竞争
，不同交易方的利益分配以及政策监管等问题。
 由于用户分配到的带宽可能是不连续的，而零碎的频段又
无法满足用户传送业务的需求，因此在动态频谱管理中，
需要频谱聚合技术，将不连续的带宽加以利用。从而提高
系统性能。
100
 无线资源管理是对整个系统的无线资源进行总规划管理的
模块，它的决策结果为动态频谱管理提供基本网络配置(如
基站位置和工作模式)的输入，而动态频谱管理反馈信息将
为无线资源管理下一步调整提供参考。
 此外，可以从跨层方面研究支持异构网络融合的无线资源
管理体系协议栈的原型设计，采用基于策略的协议设计方
法，即基于策略的无线资源管理技术、算法、架构等的设
计与实现。总地来说，就是在网络架构高层，通过对于瞬
时或者阶段性的无线通信网络环境的自适应或半自适应感
知技术，对于业务管理、路由机制、接入控制、无线资源
分配策略、功率控制、负载控制、拥塞控制等环节，进行
自适应的基于策略的动态调整。
101
2.5.5 业务支撑及智能处理关键技术
 业务支撑首先需要对物联网的业务需求开展研究，包括对
物联网的应用需求和场景的研究，其中通信对象需要考虑
物对物、人对物等，服务对象需要考虑行业应用、家庭应
用、个人应用、接入方式等。通过对相关业务需求和业务
场景的梳理，进行业务功能和特征分析，定义通用的业务
功能。然后抽象物联网网络资源，设计可扩展地支持各类
业务及其复杂合成业务提供的业务架构，研发业务分发平
台和第三方开放业务接口平台，实现与底层异构网络无关
性的业务分发机制。以面向行业信息化服务为主，个人公
共服务为辅，构建公共技术和业务平台，实现数据交换向
信息处理的网络平台转换的目标，完善物联网业务支撑体
系。
102
 业务支撑体系需要结合P2P、云计算等分布式计算框架技
术，对经过感知层和网络层送到的数据进行智能的分析和
处理。

云计算是指基于互联网的超级计算模式，也就是把存储
于个人计算机、移动电话和其他设备上的大量信息和处
理器资源集中在一起，协同工作；这是一种在极大规模
上可扩展的信息技术能力，并向外部客户作为服务来提
供的一种计算方式。
103
 在开放式的物联网环境中，使用云计算的必要性——




物联网业务类型多、涉及的行业广、应用类型差别大、
业务数据率巨大等特性，传统的硬件环境难以支撑；
运营商长期积累了大量闲置的计算能力和存储能力，有
必要加以利用，这也是绿色环保的要求；
随着业务开发者、应用部署数量的增加，大量自定义业
务同时运行，其计算能力的要求呈现出增长趋势，对平
台造成性能压力，服务器CPU处理能力以及内存容量，均
难以满足不断增长的业务需求。
在云计算中，不仅是计算能力的集中，也包括数据和软
件的极大集中，云计算中的计算无处不在，其能力无限
强大。
104
2.5.6 物联网服务平台技术
 物联网将对信息进行综合分析并提供更智能的服务，推动
人的智能潜力、社会物质和能源资源潜力的充分发挥，使
社会经济运行向高效、优质的合理化方向发展。
 物联网的智能业务为各种行业具体应用提供公共服务支撑
环境。建设面向行业的应用子集与共性支撑平台之间的关
系以及平台的开放性与规范性，将成为未来应用部署所要
考虑的关键问题。
105
 针对可部署及应用的需求，以掌握泛在网络可管理、可控
制、可信任的自主知识产权为目标，重点解决在大规模自
组织工作模式下的自管理模型方法及关键技术问题，并形
成标准化；
 针对泛在网络可运营目标，初步完善泛在网络信息交互的
节点、终端、网关、网元、支撑框架的可信体系，研究泛
在融合的可管、可控、可信平台架构；保证业务质量和体
验质量；支持泛在异构融合多种商业模式，并提供签约协
商等管理功能；保护用户数据隐私。
106
 物联网服务平台技术起着承上启下的作用，向上层应用提
供开放的接口，向下屏蔽各种不同接入的差异。
 物联网服务平台提供通用的标识、路由、寻址、管理、业
务提供、业务控制与触发、QoS控制、安全性、计费等功能
，这些功能通过中间件(Middleware)技术、对象名称解析
服务(Object Name Service，ONS)技术、物理标记语言
(Physical Markup Language，PML)等关键技术来实现。
107
 中间件是一种独立的系统软件或者服务程序，分布式应用
软件借助于中间件在不同的技术之间共享资源。
 中间件位于服务器的操作系统和数据库之上，应用软件之
下。
 中间件的作用是管理计算机资源和网络通信，连接两个独
立的应用程序或系统软件。可见中间件在此起到“桥梁”
的作用，可以使相连接的系统(即使它们具有不同的接口)
能够交换信息。
 中间件是一个信息传递的载体，可以使应用程序工作于多
平台或者多操作系统。中间件在分布式的客户和服务之间
扮演着承上启下的角色，如事务管理、负载均衡以及基于
Web的计算等。也只有在分布式系统中才叫中间件，同时也
把它与系统软件和应用软件区别开来。由此可见，云计算
也是一种中间件。
108
 对象名称解析服务ONS是一个自动的网络服务系统，有点类
似于域名解析服务(Domain Name Server，DNS)。它是一种
将一台计算机定位到万维网上某一具体地点的服务，是一
种组织成域层次结构的计算机和网络服务命名系统，主要
用于TCP／IP网络。
 当一个电子标签的信息被读取时，产品电子码就传递给了
中间件系统。中间件系统在局域网或因特网上利用ONS寻找
这个产品信息的存储位置。 ONS给中间件系统指明了一个
服务器，在这个服务器上存储该产品相关信息的文件。接
着这个文件就能够在中间件系统中找到，并且存储在这个
文件中的产品的信息将被反馈过来，从而便于供应链的管
理。
109
 信息服务系统是用来在物联网中完成信息处理和发布的。
物理标记语言(Physical Markup Language，PML)作为系统
信息的描述语言。
 信息服务系统由3部分组成——



数据读取模块主要用于读取数据并指向信息服务系统服
务器；
信息存储模块主要存储一些通用的信息，在产品初始化
时利用此信息生成某一产品的电子标签信息，并存储于
PML文档中；
信息发布模块主要根据数据读取模块的要求，访问相应
的PML文档，生成HTML文档，再返回到数据读取模块进行
显示。
110
 信息服务以PML格式存储产品相关信息，供其他的应用进行
查询，并以HTML的格式返回。PML提供了一个描述自然物体
、过程和环境的统一标准，可供工业和商业中的软件开发
、数据存储和分析工具之用，同时还提供一种动态的环境
，并与物体相关的静态的、动态的和统计数据之间实现互
相交换。
111
 物联网由电子产品编码(Electronic Product Code，EPC)
标签、解读器、中间件服务器、因特网、ONS服务器、PML
服务器以及众多数据库组成的。
 解读器读出的EPC只是一个信息参考(指针)，该信息经过网
络，传到ONS服务器，找到该EPC对应的IP地址并获取该地
址中存放的相关的物品信息。而采用分布式Savant软件系
统处理和管理由解读器读取的一连串EPC信息，中间件服务
器将EPC传给ONS，ONS指示中间件服务器到一个保存着产品
文件的PML服务器查找，该文件可由中间件服务器复制，因
而文件中的产品信息就能传到供应链上。
112
113
2.5.7 安全与标准问题
 物联网由大量的终端设备构成，缺少人的有效监控，并
且数量庞大，这些特点使得物联网除了具有传统网络的
安全问题之外，还有其自身的安全问题。
 物联网的感知延伸层、网络层和应用层都存在安全问题
。
114
 感知节点多部署在无人监控的场景中，攻击者可以轻易地接
触到这些设备，从而对它们造成破坏。
 传感器网络、自组织网络等作为物联网的末梢网，由于节点
的能量有限，无法提供复杂的安全保护能力。
 移动网络作为物联网的主要接入网，也存在一些安全问题。
 核心网络具有相对完整的安全保护能力，但是由于物联网中
节点数量庞大，且成集群方式存在，因此会导致网络阻塞，
现有安全机制会割裂物联网机器间的逻辑关系。
 物联网业务也存在安全问题。庞大且多样化的物联网平台需
要一个强大而统一的安全管理平台，独立的平台很难处理各
式各样的应用。因此，随着物联网的发展，对物联网安全的
需求日益迫切，需要为物联网提供一套安全保护机制。
115
 物联网的标准化还处在初期——
 物联网的架构如何，各组成部分的关系以及如
何定义接口等都没有统一的标准。
 物联网标准体系既包括底层技术的标准，也包
括运营管理的标准，如用户认证、业务流程、
业务标识等相关语义和语法的定义。
116
小
结
 物联网通过设备的融合、网络的融合、平台的融合实现服务
的融合、业务的融合和市场化的融合。
 设备的融合是指感知终端可以接入移动网络，也可以接入固
定网络，该融合以电子产品为导向开发出一体化的电子产品
。
 网络的融合是指用户可使用任一终端(移动台、PDA、PC等)通
过任一方式接入网络(WLAN、GPRS、3G网络等)，而且号码可
唯一、账单可唯一，非常方便灵活。
 平台的融合是指用户数据集中管理、公用的业务能力平台，
分类的管理平台和应用平台，支撑用户跨业务系统的互操作
，打造物联网业务领域的统一认证系统，实现基于统一账号
、统一密码属性信息的集中认证，从后端整合、提升跨平台
系统的协同，构建综合业务平台。
117
 服务的融合是指在服务层面能够实现融合，如在固话和移动网
络之间共享收信人的地址、电话号码、用户名称等。有了协同
的发展，可以使物联网中的传输层面，在能力上有一个较大的
提高。
 业务的融合是指综合运用移动网与固定网技术及基础设施，从
单一承载的数据业务发展到承载语音、数据、视频等多种业务
。综合利用两网技术与资源是业务融合的重要特征。业务的融
合是网络融合的引擎。
 市场化的融合就是以市场机制为引导，把移动和固话的产品和
服务捆绑起来打包销售。例如固话和固话产品捆绑、固话和移
动产品捆绑，移动和移动产品捆绑，不同的产品实现捆绑之后
，用户购买时可以打折。这一方式在美国早就有所体现。在移
固融合后提出的增值服务，为这些企业级的用户服务提供了非
常大的空间。中国的电信运营商可以着力发展这一方面，比如
118
说在供应链的领域、防灾救灾等方面。
119