第1部分/物聯網感知技術與產業概述

第1章 物聯網感知技術概述

1.1 物聯網的發展階段

物聯網（Internet of Things，IoT）作為我國戰略性新興產業的重要組成部分，對我國經濟、社會的全局發展和長遠布局具有重大的引領帶動作用。物聯網在社會生產各領域中的應用促使傳統生產方式向綠色、智能、高效的方向轉變。物聯網廣泛應用于社會管理，將有力保障公共基礎設施的安全，提升社會管理的效能，普惠民眾生活。物聯網的應用已經深入社區和家庭，給人們的日常生活帶來了諸多全新的體驗，大大提升了人們的生活質量和水平。傳統分離的物理世界和信息世界通過互聯網實現了互聯與融合。

比爾·蓋茨（Bill Gates）早在其1995年出版的《未來之路》（The Road Ahead）一書中就提出了“物聯網”的概念，但受限于當時無線網絡、軟硬件技術的發展，物聯網并沒有引起人們的廣泛關注和研究。1999年，麻省理工學院自動標識中心（MIT Auto-ID）的 Ashton 教授提出了基于射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術的物聯網概念，即以物品編碼、RFID技術和互聯網技術為基礎，利用無線數據通信技術、RFID 技術等，構建出一個可以實時共享全球物品信息的實物互聯網——物聯網。

物聯網概念的發展大體可分為以下四個階段。

1.1.1 以標識為特征的階段

1999—2003 年，關于物聯網的研究僅限于實驗室中，這一階段的研究內容主要集中在物品身份的自動識別上，主要包括減少識別錯誤和提高識別效率。

1.1.2 以互聯為特征的階段

在2005年11月的突尼斯信息社會世界峰會上，國際電信聯盟（International Telecommucation Union，ITU）正式提出了“物聯網”的概念，并提出無所不在的物聯網通信時代即將來臨，通過 RFID 和智能計算等技術可以實現全世界設備互聯的網絡，讓世界上所有物體都可以通過互聯網主動進行通信。

1.1.3 以智能化服務為特征的階段

2008年，IBM提出了“智慧地球”的概念，其內含為：通過把傳感器嵌入和安裝到電網、隧道、鐵路、橋梁、大壩供水系統、油氣管道等各種物體中，并通過網絡整合人類社會與物理系統，即可實現物聯網。2009年，時任美國總統奧巴馬（Obama）公開肯定了 IBM“智慧地球”的思路，并將其提升為國家戰略。在這個龐大的集成網絡中，通過結合超強大的計算機集群，能夠對集成網絡中的人員、機器、設備和基礎設施進行實時管理和控制，在此基礎上，有助于人類了解現狀后更清晰地把握未來，更加精細地管理生產和生活，通過提高資源利用率和生產生活水平，達到“智慧”狀態。

物聯網被認為是繼計算機、互聯網之后世界信息產業的第三次浪潮。隨著物聯網技術的不斷成熟和市場規模的不斷擴大，物聯網已成為各國技術和產業創新的重要戰略。在全球不斷關注物聯網發展的同時，中國也高度關注物聯網的發展。2009年8月，時任國務院總理溫家寶在中國科學院無錫高新微納傳感網工程技術研發中心考察時發表講話，提出了“感知中國”的概念，指出“在傳感網發展中，要早一點謀劃未來，早一點攻破核心技術”，將“感知中國”的中心設在無錫，輻射全國。2009年，時任工業和信息化部總工程師朱宏任在中國工業經濟運行夏季報告發布會上總結并闡釋了物聯網。2009年年底，中國傳感網標準工作組正式成立。這些都體現了中國政府對物聯網的關注、重視和支持。物聯網作為國家技術及產業創新的重點方向，未來要想實現其在經濟社會重要領域的規模示范應用，需要突破并掌握一批核心技術。物聯網安全可控的產業體系的形成和安全保障能力的提高，已成為促進經濟和社會智能持續發展的重要力量。

在工業、農業、軍事、醫療、環境、建筑等領域，美國已為物聯網的創新發展提供了堅實的硬件支撐。

2009年，歐盟發布了以“歐洲行動計劃”為題的報告，該報告包含芯片、技術研發等14項框架內容。此外，在技術研發、指標制定、應用領域、管理監控、未來目標等方面，歐盟陸續出臺了較為全面的報告文件，建立了相對完善的物聯網政策體系。特別是在智能交通應用方面，歐盟依托其汽車行業的傳統優勢，通過聯盟協作，使其在智能交通應用方面的研究在全球車聯網的研究應用中遙遙領先。

韓國十分重視物聯網產業化發展，不斷加大物聯網核心技術及微機電系統（Micro Electro Mechanical System，MEMS）傳感器芯片、寬帶傳感設備的研發力度。韓國物聯網的優勢表現在消費類智能終端、RFID、近場通信（Near Filed Communication，NFC）產品與相應的技術解決方案方面。目前，韓國物聯網產業主要集中在首爾、京畿道和大田地區，其中首爾匯集了全國 60%以上的物聯網企業。

1.1.4 5G賦能物聯網，從產業到商業化場景將被深度優化的階段

國際電信聯盟為5G定義了三大應用場景，即增強型移動寬帶、海量機器類通信和超可靠、低時延通信。增強型移動寬帶適用于超高清視頻、智能手機等領域。在低頻應用場景聯網，海量機器類通信可以造就智慧農業、智慧城市、智能交通、智慧制造、智慧醫療等更多大容量的應用，窄帶物聯網（Nanow Band IoT，NB-IoT）絕大部分都在這個頻段。而超可靠、低時延通信可應用于自動駕駛、機器人等領域。

5G 的應用將帶來海量的設備連接量。IoT 設備中的廣域 IoT 設備預計到2023年將達到41億個，而短程IoT設備的連接量將達到157億個。2019年是5G手機商用元年，5G終端產品開始逐漸發展起來。

5G 網絡架構可以分為中心級、匯聚級、區域級和接入級四個層次。中心級的核心職能為控制、管理和調度，如虛擬化功能編排、廣域數據中心互聯和業務運營支撐系統等，可按需部署于全國節點，監控和維護網絡總體。匯聚級的功能為控制面網絡，如移動性管理、會話管理、用戶數據和策略等，可按需部署于省一級網絡。移動邊緣計算、業務鏈和部分控制面網絡功能也可以下沉到這一級。區域級主要功能包括數據面網關功能，重點承載業務數據流，可部署于地市一級。移動邊緣計算功能、業務鏈功能和部分控制面網功能也可以下沉到這一級。接入級的功能為無線接入網的集中式單元（Centralized Unit，CU）和分布式單元（Distributed Unit，DU），CU可部署在回傳網絡的接入層或匯聚層；DU 部署在用戶近端。通過增強的低時延傳輸網絡實現多點協作化功能，使 CU 和 DU 間實現支持分離或一體化站點的靈活組網。借助模塊化的功能設計、高效的網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）平臺和軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）平臺，上述組網功能元素的部署位置無須與實際地理位置嚴格綁定，而可以根據每個運營商的網絡規劃、業務需求、流量優化、用戶體驗和傳輸成本等需求，對不同層級的功能進行靈活整合，從而實現多數據中心和跨地理區域的功能部署。

5G 基站相比 4G 基站，整個架構有較大變化。5G 時代，室內基帶處理單元（Building Baseband Unit，BBU）被拆分為CU和DU兩級架構，射頻拉遠單元（Remote Radio Unit，RRU）與大規模天線集成為有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU），原BBU的部分物理層功能被放到AAU中，導致5G基站內部結構改變。

運營商為降低建設和運營維護的成本，會推動通用網絡設備的使用。NFV/SDN 通過網絡功能軟件化，實現在工業標準、池化部署的通用服務器、交換機和存儲設備上部署不同類型的網絡設備，并根據需要在多種網絡位置按需運行。目前，運營商正在推進虛擬無線接入網絡，最終演進到開放無線接入網絡時代，除射頻相關部分外，基本實現白盒化、通用化方式。

從終端側來說，各家主要網絡通信芯片廠商紛紛推出 5G 基帶芯片。例如，高通推出了驍龍 X50，華為推出了巴龍 5G01，英特爾推出了 XMM 816，聯發科推出了Helio M70，紫光展銳推出了Orca。但目前尚未推出集成5G基帶的AP芯片，這意味著5G在手機等移動終端上的真實場景應用尚需時日。

網絡和終端創新推動著射頻前端需求和價值的提升。根據IHS公司報告的數據，手機射頻前端市場規模已從2010年的43億美元增長到2019年的140多億美元。隨著5G的不斷應用，預計到2023年，該市場規模將增長到352億美元。射頻前端的復雜度持續提升，推動前端的集成化設計和工藝改進。例如，在手機制造等領域，LCP/MPI材料將替代傳統PI軟板/模組，PA、LNA和開關轉向SOI工藝等。

5G 時代，設備的連接數量會海量增加，網絡邊緣側會產生龐大的數據。如果把所有數據都傳到云端，是很不經濟的，而邊緣計算有助于實現數據的實時性、智能性、安全性和隱私性需求，因此邊緣計算是整個 5G 網絡的重要組成部分。