5G+ 物联网
“物联网”这个词于1998年由麻省理工学院提出。虽然现在和当时是一模一样的拼写:Internet of Things,但含义却完全不同了。当时也提出了M2M协议,但只是考虑传感器之间的通信,与今天的M2M和物联网也不一样(见图5–1)。
2005年11月,国际电信联盟在其发布的《ITU互联网报告2005:
物联网》(ITU Internet Reports 2005: The Internet of Things)中定义了物联网:
A new dimension has been added to the world of information and communication technologies ( ICTs ) : From anytime, any place connectivity for anyone, we will now have connectivity for anything.
国际电信联盟认为,物联网是从一个新的维度对信息和通信技术进行重新认识,也就是从之前在任何时间、任何地点与任何人的连接延拓到与任何物的连接(见图5–2)。
物联网的“物”
万物智联是5G提出的美好愿景,也是物联网要实现的目标。但千万不要认为这个“物”是世间万物。在初期,这个“物”就是机器,是各种通信终端、计算终端。物联网这个概念从不同的角度,对不同的群体而言,有着不同的含义。我们首先明确一下“物”是什么。
国际电信联盟对物联网中“物”的定义是“Thing”,重点是如何能准确标识,最早是依靠射频识别(RFID)来实现的;而欧洲电信标准化协会对“物”的定义是“Object”(物体),重点是赋予功能的物体,特别是Smart Object(智能物件)。在物联网重要的M2M协议中则更加强调“机器”(Machine);产业界和公众则认为应当是世间万物。近几年飞速发展的移动互联网和软件技术,则对物有了更加确切的认知,那就是机器中的应用程序,也即虚拟的“物”。
显然,对于物的理解不同、技术视角不同,必然造成技术路线的巨大差异。
国际电信联盟的认知是延续了对传统移动通信的认知,传统移动通信的连接对象是人,用SIM卡来确定每个人;物联网中的连接对象是物,因此考虑用新的标识方法,如RFID或者新号段。欧洲电信标准化协会则更多地受到了飞利浦公司提出的“环境感知智能”的影响,希望给每个物体赋予智能,至少在感知的基础上具有智能判断、主动反馈的能力,从而提出了“智能物件”的概念。
物联网架构
最初,物联网传统架构分为三层:感知层、传输层和服务层(见图5–3)。
这种架构与云计算的三层架构非常类似,我们可以对比一下。
最底层:物联网是感知层,完成生产资料——数据的采集;而云计算是IaaS(将基础设施作为服务),负责各种资源的整合和虚拟化。
中间层:物联网的传输层,负责数据和指令的搬运;而云计算是PaaS(将平台作为服务),负责平台的搭建。
最高层:物联网是服务层,负责数据的整理和服务处理;而云计算是SaaS(将软件作为服务),负责服务的提供。
由此可见,物联网的对象是数据,而云计算的对象是包括存储、计算和通信在内的各种资源。处理流程是一样的:采集—整合—服务。“数据流”和“资源流”在这种流动中不断地升值,达到应有的价值。
而现在则是细分为五层(见图5–4):感知层没有变,传输层分为基础网络和连接平台两部分,服务层分为使能平台和行业应用两部分。今天人们非常热衷的中台技术如果在物联网中应用的话,就是使能平台。
感知层
感知层是由大量多种类传感节点组成的自治网络,实现对物理世界的动态智能协同感知(见图5–5)。传感器种类不断地扩大,从最基础的温湿度、压力感知等环境感知,到后面的图像视频等感知,数据量在不断扩大的同时,传感器之间的数据交互也在增强。
传感网的组建可以采用自组织网络形式,不但成本低,而且符合协同准则,这样对后面的终端升级、数据融合有很大益处。在自组织网中,根据功能、地理、网络等形成不同的簇,由簇头完成本簇内的数据收集和预处理,再与上级通信节点通信。这样形成了通信平台,初步具备了信息传输的能力。
传输层
传输层是数据管道,其任务是让从传感器采集到的数据准确而高效地回传到指定服务器。目前来看,集中在传感器上的工业传输总线标准非常多,包括I2C、CAN、RS232、R242等,也有WLAN、蓝牙等无线方式,但从组网角度来说,目前最受关注的是NB–IoT(基于蜂窝的窄带物联网)和LoRa(低功耗局域网无线标准)协议。
如果从物联网类业务角度来说,抄表类等低功耗、广覆盖类业务可以选择NB–IoT/eMTC(物联网的应用场景)或者LoRa承载;而工业物联网、远程医疗等有特殊需求的业务可能无法复用5G宏网设备,可以作为典型的uRLLC类业务,选择5G新空口承载;而车联网业务则需要单独考虑。
服务层
目前的物联网架构,一般是结合云计算平台,将所有数据集中到云服务器上,形成数据中心;如果加上一些功能,将下面的通信接口完备,同时将上面的服务接口开发,也就形成目前热议的数据中台。
一般来说,数据集中到一起后,如果对其不进行必要分析,是没有价值的。而近几年智能算法的崛起让大家看到了希望,因此数据中台被大量加入了各种数据分析、机器学习、深度学习的算法,形成了继存储大户之后计算资源的消耗大户。
物联网面对的行业非常庞杂,即使相同行业,客户也会有一些定制化需求,所以业务的分解去耦就是一个极其棘手的问题,不但要对行业、客户的需求有深刻理解,还要对数据特性有深入认识。很多物联网系统在后期维护中感到筋疲力尽,就是因为业务分解出了问题。
2018年,以IaaS、PaaS和SaaS为代表的全球公有云市场规模达到1363亿美元,增速为23.01%。未来几年市场平均增长率在20%左右,预计到2022年市场规模将超过2700亿美元。
就国内云计算市场而言,据中国信息通信研究院调查统计,阿里云、天翼云、腾讯云占据公有云IaaS市场份额前三位,阿里云、腾讯云、百度云位于公有云PaaS市场份额前三位;用友、金蝶、畅捷通位居公有云综合SaaS能力前三位。
从数据角度来说,传感器采集到的大量数据价值未必高,如果不加处理直接回传到云中心,则会消耗大量的通信资源。而且因为物联网数据的猝发特性,很可能会在数据集中传输期间造成网络拥塞。
在传感器及传感器网络中加入智能处理单元,将数据进行预处理,并完成一些简单的即时反馈,同时增强与环境的交互能力,是AIoT(人工智能物联网)下一步的发展方向。
随着物联网的大规模发展,云计算也将迎来新一轮的进化。据互联网数据资讯中心(IDC)预测,2020年全球将有超过50%的物联网数据在边缘处理,而不是核心云平台。
物联网产生的海量数据对网络传输的压力也越来越大,由此带来的大流量和高时延慢慢成为应用瓶颈。因此,将边缘计算引入以协同云计算,将是未来物联网的解决方案。
欧洲电信标准化协会所提出的边缘计算将计算能力下沉到网络边缘,靠近用户,以减轻网络压力和服务时延,提高用户体验。高德纳咨询公司认为边缘计算描述了一种计算拓扑,在这种拓扑结构中,数据采集、信息处理和分发均被置于距离数据源头最近的节点。
移动边缘计算(MEC)是利用无线接入网络就近提供用户所需服务和云端计算能力,实现计算和存储资源的弹性利用。而其演进版多接入边缘计算(MAEC)则是将边缘计算从蜂窝移动网络扩展到其他网络,形成异构网络接入。
云计算只有与边缘计算紧密协同才能将计算、存储资源更好地利用起来,但这离不开强大的网络通信能力。5G大带宽、高速率的特性,为这种协同工作提供了可能。
同时,将智能技术加入物联网中的尝试一直没有停止过。
从2017年开始,业界开始提出了AIoT的概念,指出IoT+AI是发展趋势,对于AIoT,小米的口号是:All in IoT,而旷视科技则是AI involve的IoT产业。诸多厂家的全力跟进,表明行业内对于人工智能在IoT产业中的作用抱有非常大的期望。
智能技术进入IoT系统已经有了一些成功案例,如美国美联社采购了WordSmith(语料库检索)软件,可以根据采集到的财经和体育数据,迅速生成财经新闻和体育新闻。这些不需要有太多经验判断,也不需要太多主观评判的新闻,完全可以根据数据自动快速生成。
还有基于财经数据的各种预测应用,也可以认为是基于采集到的数据完成的智能应用。
这些都是在服务层将智能技术加入物联网系统中的。但这种方式与云计算中加入智能算法的区别不大,不仅没有解决物联网大数据量造成的通信瓶颈问题,还加大了传输时延。
2015年前后,曾经风靡一时的智能硬件则是另外一个极端,将智能技术应用到终端上。当时的智能硬件是从智能家居入手,主攻人机交互,并加入各类传感器,能够根据环境初步完成一些交互。然而现在的智能硬件产品,对智能算法和网络连接的要求没有那么高,行业覆盖也没有那么广泛。
5G与物联网产业
人们讨论物联网往往喜欢讨论真实世界与虚拟世界的融合,利用传感器将物理世界采集到虚拟世界中,但这个采集一定要是有意义的。
未来必然是数据的世界,数据的来源既可以是虚拟世界产生出来的,也可以是物理世界产生出来的,但无论如何,都必须是有价值的。数据采集后,经过处理分析提炼出来价值,将这些价值转换成知识,进而推动人类社会的发展。这其中,数据采集依靠物联网,处理分析依靠智能技术,转换为知识依靠知识工程。
5G的标准中有针对物联网产业广覆盖、低功耗的mMTC(海量机器类通信)场景。物联网产业也在苦苦挣扎中,期待着mMTC这根救命稻草。但5G真的能使物联网产业爆发吗?
虽然5G标准具有支撑物联网发展的技术能力,但在产业形态构建、行业标准统一、技术使用的安全性上,5G都无法提供良好的支撑,因此5G可以完成物联网的基础部署,但很难引爆这个产业。
物联网产业的启动是从2009年开始的。2008年全球经历了金融危机,寻找新的实体经济增长点是摆在各国面前的大难题。此时,美国政府将IBM公司的“智慧地球”作为了国家战略。随后,2009年6月,欧盟提出了物联网行动计划;
2009年8月中国提出了“感知中国”战略;日本提出了i–Japan国家战略。诸多国家和地区纷纷推出了自己的物联网战略,一时间,全球刮起了物联网热潮。
中国将无锡作为物联网发展中心,三大运营商、主要设备商、各大高校研究院在无锡设立了联合研究结构,希望形成产学研用的良好产业形态。
10年过去了,大量的人力、物力、财力投入到物联网产业。
这10年间,物联网每年都会作为发展重点和预期爆点不断地在政府工作报告、财经报道、投资报告中被提及,产业总量预期也不断地被提高。很多高校也设立了物联网工程及其相关专业,以期培养出产业人才。
但目前,物联网产业遇到了非常尴尬的局面:叫好不叫座!从GSM时代开始,移动通信就从来没有停止过对物体连接的努力。在GSM时代,一个通信模组通过AT指令(应用于终端设备与PC应用之间的连接与通信的指令),利用短信就可以实现控制命令的接收和采集数据的发送,后来出现的GPRS(通用分组无线服务技术)则让这种操作更加友好。到了3G时代,更高的数据传输速率并没有给物联网带来福音,毕竟面向人的移动互联网和面向物的物联网在流量特性上有着巨大差异,以至大家开始讨论是否需要建立一张物联网专网,而且出现了针对物联网的专有号段。物联网变成了一个重要并且沉重的话题。从4G时代开始,由于消费互联网的飞速发展,大家重新燃起了对物联网的希望,NB–IoT非常应景地出现了!2015年9月,3GPP R13制定了NB–IoT标准,提出利用蜂窝移动网络为物联网用户提供定制化服务。NB–IoT载波带宽为180kHz,与4G LTE网络中的一个资源块带宽一致,可以完美融入蜂窝网络中。NB–IoT标准在2016年6月冻结,同时,eMTC被提出,分别在900MHz与1.9GHz应用于LTE FDD和LTE TDD。
2017年6月,工信部发布《关于全面推进移动物联网(NB–IoT)
建设发展的通知》文件。中国电信借助其800MHz的优质频谱资源,于2017年5月率先建成全球最大的NB–IoT网络,开通了31万NB–IoT基站。到2018年,中国电信NB–IoT基站数已扩展到40万,中国联通实现30万NB–IoT基站商用,中国移动已实现348个城市NB–IoT连续覆盖和全面商用。三家运营商完成超百万NB–IoT基站商用,中国已建成全球最大的NB–IoT网络,网络优化和深度覆盖将是下一步布局重点。
与此同时,从2015年开始国内大量企业涉足LoRa领域。2018年,阿里巴巴、腾讯以最高级别成员身份加入LoRa联盟,在LoRaWAN标准、认证和全球市场中地位举足轻重,在杭州、深圳等地开始部署城域级LoRa试点网络。另外,多个广电厂商将LoRa作为其物联网业务主要选择。
推广物联网的重任,最早是由运营商来承担的,它们理解的政企行业分为三大领域:面向政府的公共服务、面向企业的行业服务、面向个人的个人家庭服务。
面向政府的公共服务,在国际电信联盟中有一个专门的名词:智慧城市。
2009年,IBM提出“智慧地球”的概念时,提出建设“智慧城市”,并概括出了“3I”特征:
• Instrumented(感知化):通过监控摄像机、传感器、RFID等设备打造“更透彻的感知”。
• Interconnected(互联化):通过宽带、无线和移动通信网络连接形成“更全面的互联”。
• Intelligent(智能化):通过高速分析工具和集成IT平台实现“更深入的智能”。
国际电信联盟在ITU-T Y-Sup 27中提出了多层可持续发展智慧城市的信息和通信技术架构(Multi-tier SSC ICT meta–architecture) ,从信息和通信技术角度对智慧城市的建设进行了分层认知。
2016年国际电信联盟电信标准化部门(ITU–T)颁布了一个电信标准ITU–T Y–Sup.27,全称是Series Y Supplement 27(Y系列第27号增补),针对智慧城市的一些ICT框架和协议给出了相应的定义,其中包括这里提到的Multi-tier SSC ICT metaarchitecture。
国际电信联盟还给出了新加坡市、莫斯科、迪拜等很多城市所提出的关于智慧城市的愿景与案例,这也促使世界各国争相提出了基于物联网的智慧城市解决方案。物联网的体系结构,也在随着产业的不断发展而演进。
智慧城市的建设绝非短期就可以完成,也不是简单依赖资金或技术的堆砌就可以实现。
从根本上说,智慧城市是一种战略和框架。它不仅意味着城市有着明确的发展方向和目标,同时还意味着城市整体的运行方式、组织方式、互动方式都需要进行革新。
1. ITU–T Y–Sup 27指的是国际电信联盟电信标准化部门(ITU–T)颁布的一个电信标准,其标准号全称为Series Y Supplement 27(Y系列第27号增补),于2016年发布,针对智慧城市的一些ICT框架和协议给出了相应的定义,其中包括这里提到的Multi-tier SSC ICT met-rchitecture。
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