第1部分/物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)與產(chǎn)業(yè)概述

第1章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展階段

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）作為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，對我國經(jīng)濟、社會的全局發(fā)展和長遠布局具有重大的引領(lǐng)帶動作用。物聯(lián)網(wǎng)在社會生產(chǎn)各領(lǐng)域中的應(yīng)用促使傳統(tǒng)生產(chǎn)方式向綠色、智能、高效的方向轉(zhuǎn)變。物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用于社會管理，將有力保障公共基礎(chǔ)設(shè)施的安全，提升社會管理的效能，普惠民眾生活。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用已經(jīng)深入社區(qū)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(zhì)量和水平。傳統(tǒng)分離的物理世界和信息世界通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了互聯(lián)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(lián)網(wǎng)”的概念，但受限于當(dāng)時無線網(wǎng)絡(luò)、軟硬件技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)并沒有引起人們的廣泛關(guān)注和研究。1999年，麻省理工學(xué)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(shù)的物聯(lián)網(wǎng)概念，即以物品編碼、RFID技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)、RFID 技術(shù)等，構(gòu)建出一個可以實時共享全球物品信息的實物互聯(lián)網(wǎng)——物聯(lián)網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)概念的發(fā)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(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的研究僅限于實驗室中，這一階段的研究內(nèi)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(lián)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(lián)盟（International Telecommucation Union，ITU）正式提出了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念，并提出無所不在的物聯(lián)網(wǎng)通信時代即將來臨，通過 RFID 和智能計算等技術(shù)可以實現(xiàn)全世界設(shè)備互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，讓世界上所有物體都可以通過互聯(lián)網(wǎng)主動進行通信。

1.1.3 以智能化服務(wù)為特征的階段

2008年，IBM提出了“智慧地球”的概念，其內(nèi)含為：通過把傳感器嵌入和安裝到電網(wǎng)、隧道、鐵路、橋梁、大壩供水系統(tǒng)、油氣管道等各種物體中，并通過網(wǎng)絡(luò)整合人類社會與物理系統(tǒng)，即可實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)。2009年，時任美國總統(tǒng)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(zhàn)略。在這個龐大的集成網(wǎng)絡(luò)中，通過結(jié)合超強大的計算機集群，能夠?qū)删W(wǎng)絡(luò)中的人員、機器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施進行實時管理和控制，在此基礎(chǔ)上，有助于人類了解現(xiàn)狀后更清晰地把握未來，更加精細地管理生產(chǎn)和生活，通過提高資源利用率和生產(chǎn)生活水平，達到“智慧”狀態(tài)。

物聯(lián)網(wǎng)被認為是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟和市場規(guī)模的不斷擴大，物聯(lián)網(wǎng)已成為各國技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的重要戰(zhàn)略。在全球不斷關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的同時，中國也高度關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。2009年8月，時任國務(wù)院總理溫家寶在中國科學(xué)院無錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心考察時發(fā)表講話，提出了“感知中國”的概念，指出“在傳感網(wǎng)發(fā)展中，要早一點謀劃未來，早一點攻破核心技術(shù)”，將“感知中國”的中心設(shè)在無錫，輻射全國。2009年，時任工業(yè)和信息化部總工程師朱宏任在中國工業(yè)經(jīng)濟運行夏季報告發(fā)布會上總結(jié)并闡釋了物聯(lián)網(wǎng)。2009年年底，中國傳感網(wǎng)標準工作組正式成立。這些都體現(xiàn)了中國政府對物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)注、重視和支持。物聯(lián)網(wǎng)作為國家技術(shù)及產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的重點方向，未來要想實現(xiàn)其在經(jīng)濟社會重要領(lǐng)域的規(guī)模示范應(yīng)用，需要突破并掌握一批核心技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)安全可控的產(chǎn)業(yè)體系的形成和安全保障能力的提高，已成為促進經(jīng)濟和社會智能持續(xù)發(fā)展的重要力量。

在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療、環(huán)境、建筑等領(lǐng)域，美國已為物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新發(fā)展提供了堅實的硬件支撐。

2009年，歐盟發(fā)布了以“歐洲行動計劃”為題的報告，該報告包含芯片、技術(shù)研發(fā)等14項框架內(nèi)容。此外，在技術(shù)研發(fā)、指標制定、應(yīng)用領(lǐng)域、管理監(jiān)控、未來目標等方面，歐盟陸續(xù)出臺了較為全面的報告文件，建立了相對完善的物聯(lián)網(wǎng)政策體系。特別是在智能交通應(yīng)用方面，歐盟依托其汽車行業(yè)的傳統(tǒng)優(yōu)勢，通過聯(lián)盟協(xié)作，使其在智能交通應(yīng)用方面的研究在全球車聯(lián)網(wǎng)的研究應(yīng)用中遙遙領(lǐng)先。

韓國十分重視物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，不斷加大物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)及微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System，MEMS）傳感器芯片、寬帶傳感設(shè)備的研發(fā)力度。韓國物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢表現(xiàn)在消費類智能終端、RFID、近場通信（Near Filed Communication，NFC）產(chǎn)品與相應(yīng)的技術(shù)解決方案方面。目前，韓國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)主要集中在首爾、京畿道和大田地區(qū)，其中首爾匯集了全國 60%以上的物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)。

1.1.4 5G賦能物聯(lián)網(wǎng)，從產(chǎn)業(yè)到商業(yè)化場景將被深度優(yōu)化的階段

國際電信聯(lián)盟為5G定義了三大應(yīng)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(lǐng)域。在低頻應(yīng)用場景聯(lián)網(wǎng)，海量機器類通信可以造就智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、智能交通、智慧制造、智慧醫(yī)療等更多大容量的應(yīng)用，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（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(yīng)用于自動駕駛、機器人等領(lǐng)域。

5G 的應(yīng)用將帶來海量的設(shè)備連接量。IoT 設(shè)備中的廣域 IoT 設(shè)備預(yù)計到2023年將達到41億個，而短程IoT設(shè)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(chǎn)品開始逐漸發(fā)展起來。

5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以分為中心級、匯聚級、區(qū)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(diào)度，如虛擬化功能編排、廣域數(shù)據(jù)中心互聯(lián)和業(yè)務(wù)運營支撐系統(tǒng)等，可按需部署于全國節(jié)點，監(jiān)控和維護網(wǎng)絡(luò)總體。匯聚級的功能為控制面網(wǎng)絡(luò)，如移動性管理、會話管理、用戶數(shù)據(jù)和策略等，可按需部署于省一級網(wǎng)絡(luò)。移動邊緣計算、業(yè)務(wù)鏈和部分控制面網(wǎng)絡(luò)功能也可以下沉到這一級。區(qū)域級主要功能包括數(shù)據(jù)面網(wǎng)關(guān)功能，重點承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，可部署于地市一級。移動邊緣計算功能、業(yè)務(wù)鏈功能和部分控制面網(wǎng)功能也可以下沉到這一級。接入級的功能為無線接入網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多點協(xié)作化功能，使 CU 和 DU 間實現(xiàn)支持分離或一體化站點的靈活組網(wǎng)。借助模塊化的功能設(shè)計、高效的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）平臺和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）平臺，上述組網(wǎng)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(jù)每個運營商的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、業(yè)務(wù)需求、流量優(yōu)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(xiàn)多數(shù)據(jù)中心和跨地理區(qū)域的功能部署。

5G 基站相比 4G 基站，整個架構(gòu)有較大變化。5G 時代，室內(nèi)基帶處理單元（Building Baseband Unit，BBU）被拆分為CU和DU兩級架構(gòu)，射頻拉遠單元（Remote Radio Unit，RRU）與大規(guī)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(dǎo)致5G基站內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變。

運營商為降低建設(shè)和運營維護的成本，會推動通用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的使用。NFV/SDN 通過網(wǎng)絡(luò)功能軟件化，實現(xiàn)在工業(yè)標準、池化部署的通用服務(wù)器、交換機和存儲設(shè)備上部署不同類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并根據(jù)需要在多種網(wǎng)絡(luò)位置按需運行。目前，運營商正在推進虛擬無線接入網(wǎng)絡(luò)，最終演進到開放無線接入網(wǎng)絡(luò)時代，除射頻相關(guān)部分外，基本實現(xiàn)白盒化、通用化方式。

從終端側(cè)來說，各家主要網(wǎng)絡(luò)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(lián)發(fā)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(yīng)用尚需時日。

網(wǎng)絡(luò)和終端創(chuàng)新推動著射頻前端需求和價值的提升。根據(jù)IHS公司報告的數(shù)據(jù)，手機射頻前端市場規(guī)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(yīng)用，預(yù)計到2023年，該市場規(guī)模將增長到352億美元。射頻前端的復(fù)雜度持續(xù)提升，推動前端的集成化設(shè)計和工藝改進。例如，在手機制造等領(lǐng)域，LCP/MPI材料將替代傳統(tǒng)PI軟板/模組，PA、LNA和開關(guān)轉(zhuǎn)向SOI工藝等。

5G 時代，設(shè)備的連接數(shù)量會海量增加，網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)會產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)。如果把所有數(shù)據(jù)都傳到云端，是很不經(jīng)濟的，而邊緣計算有助于實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。