1 引言

    當前，以M2M業(yè)務(wù)（機器對機器通信或者人對機器通信）為代表的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用高速成長，以M2M為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)模型（包括感知層、傳輸層和應(yīng)用層）被廣泛認知。但是，物聯(lián)網(wǎng)所涉及的物理空間和信息空間的耦合關(guān)聯(lián)在上述分層模型中未得到充分呈現(xiàn)，從而影響了物聯(lián)網(wǎng)中業(yè)務(wù)信息特征的表述。

    本文將分析當前M2M分層架構(gòu)模型及業(yè)務(wù)信息特征的不足，在依托信息空間和物理空間融合關(guān)聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上，探討其業(yè)務(wù)信息表征的特點及與M2M業(yè)務(wù)信息的差別，以利于深化對物聯(lián)網(wǎng)的認知。

2 M2M的物聯(lián)網(wǎng)分層模型及業(yè)務(wù)信息特征

圖1 以M2M業(yè)務(wù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)分層模型

    當前，以M2M業(yè)務(wù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)分層模型，如圖1所示。在此模型中，包括了感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。而在電信運營領(lǐng)域，又將網(wǎng)絡(luò)層作為實現(xiàn)M2M業(yè)務(wù)能力的關(guān)鍵。該模型的網(wǎng)絡(luò)層分為業(yè)務(wù)網(wǎng)、核心網(wǎng)和接入網(wǎng)，其中業(yè)務(wù)網(wǎng)被視為實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力和運營支撐能力的核心組成部分，包括了通信業(yè)務(wù)能力層、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力層、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)接入層和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)管理域，提供通信業(yè)務(wù)能力和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力，并進行業(yè)務(wù)能力統(tǒng)一封裝、業(yè)務(wù)路由分發(fā)、應(yīng)用接入管理、業(yè)務(wù)鑒權(quán)和業(yè)務(wù)運營管理等。其中，通信業(yè)務(wù)能力層提供通信業(yè)務(wù)能力的調(diào)用；物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力層提供物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力的調(diào)用，以及終端管理、感知層管理、信息匯聚及應(yīng)用開發(fā)；物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)接入層將通信業(yè)務(wù)能力和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力進行封裝，供統(tǒng)一接入和調(diào)用，并實現(xiàn)協(xié)議解析、適配、轉(zhuǎn)發(fā)及鑒權(quán)；物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)管理域的功能，包括業(yè)務(wù)、接入、用戶、鑒權(quán)、QoS及故障管理[3]。

    在以M2M業(yè)務(wù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)分層模型基礎(chǔ)上，ETSI和3GPP都制定了M2M的業(yè)務(wù)需求，包括提供可以承諾服務(wù)質(zhì)量的通信保障、提供端到端的業(yè)務(wù)安全、可以尋址到各種M2M終端設(shè)備、支持群組管理、終端設(shè)備遠程管理、支持不同流量的數(shù)據(jù)傳輸、支持多種接入方式、支持終端設(shè)備數(shù)量的擴展、支持多種信息傳遞方式、支持具有不同移動性的終端設(shè)備以及支持終端設(shè)備的休眠模式等11種業(yè)務(wù)需求。而3GPP早在2005年9月就開展了移動通信系統(tǒng)支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的可行性研究，并針對物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)MTC（機器對機器）的特性總結(jié)了16類網(wǎng)絡(luò)需求[4]。

    要使信息空間的網(wǎng)絡(luò)能對物理空間的業(yè)務(wù)特征進行控制，一是網(wǎng)絡(luò)要知悉物理空間的終端所需的業(yè)務(wù)特性，二是網(wǎng)絡(luò)對物理空間終端所需的業(yè)務(wù)具有不同特性的控制能力。但是，表1并沒有描述業(yè)務(wù)實現(xiàn)過程中信息的生成、傳播路徑以及信息的特征。另外，由于缺乏對物理空間和信息空間耦合關(guān)聯(lián)問題的深入研究，現(xiàn)有的信息感知和決策方法等通常面向單一的應(yīng)用場景和應(yīng)用目標，與物聯(lián)網(wǎng)跨行業(yè)、規(guī)�；�的應(yīng)用需求形成明顯落差。

    綜上，可將M2M業(yè)務(wù)需求所反映的信息特點歸納為：

    （1）明確了實現(xiàn)M2M業(yè)務(wù)的信息類型和作用；

    （2）從信息承載網(wǎng)的角度闡述了M2M業(yè)務(wù)需求所產(chǎn)生的信息形態(tài)；

    （3）未明確M2M業(yè)務(wù)需求中信息的傳遞路徑；

    （4）缺少物理空間和信息空間的信息耦合與轉(zhuǎn)換特征的挖掘。

3 物理空間與信息空間融合的物聯(lián)網(wǎng)模型

    從上可見，以M2M業(yè)務(wù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)分層模型雖然明確了物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)實現(xiàn)的流程和各層的功能分工，但并未解析物聯(lián)網(wǎng)所涉及的物理空間和信息空間耦合關(guān)聯(lián)的復(fù)雜關(guān)系。首先，連續(xù)的具有時空屬性的物理空間與離散的無時空維度的信息空間具有極大的差異性，信息空間和物理空間屬性耦合關(guān)聯(lián)的分析與描述極為困難。物聯(lián)網(wǎng)要實現(xiàn)物理空間和信息空間的感知互動，涉及環(huán)境、感知、網(wǎng)絡(luò)、處理、服務(wù)等各個環(huán)節(jié)和作用域的協(xié)同處理與反饋，而其內(nèi)在耦合關(guān)聯(lián)信息的表征是上述協(xié)作機制的基礎(chǔ)。

    物聯(lián)網(wǎng)客體之間的交互要比互聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜得多，比如，智能手機的人機交互過程通常是不被監(jiān)控的，而汽車駕駛員觀察儀表和顯示屏、接受導(dǎo)航信息并操作汽車的過程則被看成是汽車駕駛和操作行為，必須被納入閉環(huán)的控制過程中，因而物聯(lián)網(wǎng)所連接的客體中的操作系統(tǒng)需要具備全新的特征。由此，需要建立物聯(lián)網(wǎng)信息空間和物理空間的關(guān)聯(lián)模型，并體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的特殊性。物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)存在顯著差異，其一是物聯(lián)網(wǎng)需要直接連接和感知物品，其二是物聯(lián)網(wǎng)需要處理物品相關(guān)數(shù)據(jù)。構(gòu)建獨立于任何具體應(yīng)用領(lǐng)域的抽象物聯(lián)網(wǎng)參考模型，可以形成在不同應(yīng)用領(lǐng)域之上的統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)概念模型。

表1 機器對機器通信(MTC)業(yè)務(wù)特性

    物聯(lián)網(wǎng)的概念模型是網(wǎng)絡(luò)世界與物理世界融合的模型，可從信息物品、自主網(wǎng)絡(luò)、智能應(yīng)用三個維度反映物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，較為完整地探討物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)特征，見圖2。

    物聯(lián)網(wǎng)首先需要包括物品的功能維度，這是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不具備的維度。連接到物聯(lián)網(wǎng)的物品可以稱為信息物品，這些物品具備的基本功能包括：具有電子標識、可以傳遞信息；構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)需要連接多種物品，這類網(wǎng)絡(luò)至少具有自配置和自保護的功能，屬于自主網(wǎng)絡(luò)； 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用都是與物品相關(guān)的應(yīng)用，這些應(yīng)用至少能自動采集、傳遞和處理數(shù)據(jù)，自動進行例行的控制，屬于智能應(yīng)用。在圖2中，信息物品、自主網(wǎng)絡(luò)與智能應(yīng)用三個功能部件的重疊部分就是具有全部物聯(lián)網(wǎng)特征的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可以稱為物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，提供包括不同應(yīng)用領(lǐng)域的物品標識、物品空間位置識別、物品數(shù)據(jù)特征驗證和隱私保護等服務(wù)，這個部分組成了公共物聯(lián)網(wǎng)的核心。

圖2 多視圖融合的物聯(lián)網(wǎng)參考模型

    物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施類技術(shù)包括：

    （1）物品的統(tǒng)一標識和標準網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，即全球統(tǒng)一的、面向各個應(yīng)用領(lǐng)域的物品統(tǒng)一標識技術(shù)以及標準的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，信息物品是這類技術(shù)的主要載體，標準的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)需要依賴于自主網(wǎng)絡(luò)。

    （2）物理化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)， 包括支持現(xiàn)實世界空間坐標系的網(wǎng)絡(luò)接入和網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)，支持現(xiàn)實世界統(tǒng)一時間體系的網(wǎng)絡(luò)操作技術(shù)等，自主網(wǎng)絡(luò)是這類技術(shù)的主要載體。

    （3)自主網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的自配置、自愈合、白優(yōu)化和自保護的技術(shù)，自主網(wǎng)絡(luò)是這類技術(shù)的主要載體。

    （4)網(wǎng)絡(luò)化物理系統(tǒng)技術(shù)，包括聯(lián)網(wǎng)嵌入式軟件的實時處理技術(shù)、可靠處理技術(shù)，這類技術(shù)的載體是智能應(yīng)用，屬于智能應(yīng)用的物理裝置端技術(shù)。

    （5）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合和決策技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多種數(shù)據(jù)的融合、多類數(shù)據(jù)的實時挖掘和實時決策技術(shù)，這類技術(shù)的載體是智能應(yīng)用，屬于智能應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)側(cè)技術(shù)。

    因此，在物理空間與信息空間融合的物聯(lián)網(wǎng)中，其信息必然不同于分層結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，在信息類型與形式、信息采集與傳遞、信息控制與應(yīng)用、信息存儲與處理等方面具有明顯的特征。

4 物理空間與信息空間融合信息的特征

    從物理空間與信息空間融合的角度看，物聯(lián)網(wǎng)信息可以分為物品信息、物品傳感信息和物品行為控制信息。

    在物理空間與信息空間之間存在雙向的信息流動，既有從物理空間中獲取信息形成信息空間的組成過程，即物理空間→信息空間；也有從信息空間向物理空間提供信息的反饋過程，即信息空間→物理空間。這樣信息流動不但是雙向的，而且二者之間存在對偶關(guān)系。這種對偶關(guān)系包括兩個方面，即從物理空間到信息空間的關(guān)系是通過傳感器從物理空間獲得原始數(shù)據(jù)，并經(jīng)過處理和分析產(chǎn)生與物理空間在各個層次上的對應(yīng)關(guān)系；從信息空間到物理空間的關(guān)系是通過建立不同層次的對應(yīng)關(guān)系，把信息空間中的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息按照需求發(fā)送與映射到物理空間的物體上。

    在物理空間與信息空間的對偶及融合中，兩個流向的信息的特征是不同的，見圖3。從物理空間到信息空間的信息流，是通過傳感器獲取的物理空間的原始數(shù)據(jù)；而從信息空間到物理空間的信息流，是在信息空間形成的不同層次的數(shù)據(jù)，如特征、表面、物體（包括物體之間的關(guān)系）、事件、場景以及語義描述和上下文等層次的數(shù)據(jù)流。因此，信息空間的信息是有組織和實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化的。信息空間應(yīng)在理解用戶的命令、意圖和用戶的所處環(huán)境的基礎(chǔ)上，按用戶要求對信息進行重新組織，并以合適的方式返回到物理空間。

    也可從物聯(lián)網(wǎng)三個維度的概念模型（信息物品、自主網(wǎng)絡(luò)、智能應(yīng)用三維模型）分析物聯(lián)網(wǎng)的信息特征。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中三類功能部件之間的相互關(guān)系，不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu)定義的功能部件之間的相互關(guān)系，即三類功能部件之間不再是分層的服務(wù)調(diào)用和服務(wù)提供的關(guān)系。

    信息物品需要依賴自主網(wǎng)絡(luò)提供的接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，使其成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以識別和訪問的物品；智能應(yīng)用需要依賴于自主網(wǎng)絡(luò)提供的數(shù)據(jù)傳遞、遠地服務(wù)訪問功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳遞和服務(wù)調(diào)用；自主網(wǎng)絡(luò)需要依賴信息物品的標識，自動選擇相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議和配置協(xié)議，提供接入信息物品的服務(wù)；自主網(wǎng)絡(luò)需要依賴智能應(yīng)用的需求，確定相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量以及可能的定制服務(wù)；智能應(yīng)用需要依賴于信息物品的數(shù)據(jù)語義，進行相關(guān)的處理和決策，確定對于信息物品的操作；信息物品依賴于智能應(yīng)用的需求，確定提供信息的類型以及可以執(zhí)行的相關(guān)操作。

    從上述分析可見，物聯(lián)網(wǎng)的三維體系結(jié)構(gòu)中，其信息結(jié)構(gòu)、傳遞路徑和信息作用機制都體現(xiàn)了物理空間與信息空間的融合及相互轉(zhuǎn)換，與當前以M2M業(yè)務(wù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)分層模型所表述的信息特征存在很大差別。

5 結(jié)束語

    由于物理空間和信息空間的強關(guān)聯(lián)性、非確定性和高度混雜性等，在物聯(lián)網(wǎng)的信息生成、信息結(jié)構(gòu)、傳遞路徑和信息內(nèi)涵等特征表述上還存在著諸多的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的M2M業(yè)務(wù)分層理論模型和方法難以應(yīng)對上述挑戰(zhàn)。因此，迫切需要全面深入地分析物理空間和信息空間的耦合機理，深入挖掘感知互動的機制和方法，尋找系統(tǒng)內(nèi)在的信息生成、傳遞和作用機制，為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

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本文標題：物聯(lián)網(wǎng)物理空間與信息空間融合的業(yè)務(wù)信息特征分析

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