1.3 物联网与下一代网络

按照 ITU物联网研究组的研究结论，物联网的核心技术主要是普适网络、下一代网络和普适计算。这3项核心技术的简单定义如下：普适网络是无处不在的、普遍存在的网络；下一代网络，可以在任何时间、任何地点，互联任何物品，提供多种形式信息访问和信息管理的网络；普适计算是无处不在的、普遍存在的计算。其中下一代网络中“互联任何物品”的定义是 ITU物联网研究组对下一代网络定义的扩展，这是对下一代网络发展趋势的高度概括。从现在已经成为现实的多种装置的互联网络，如手机互联、移动装置互联、汽车互联、传感器互联等，都揭示了下一代网络在“互联任何物品”方面的发展趋势。从以上的定义可以看出，下一代网络从某种角度看，就是可以连接任何物品的物联网。按照传统的定义，下一代网络是在任何时间、任何地点，以任何方式提供信息访问和管理的服务，侧重于为人提供服务，可以称为信息网络；而从互联角度看，这种传统的下一代网定义还是局限在传统互联网的范畴，仅仅强调人与人之间的信息交互。

1.3.1 物联网与CPS

按照 ITU的定义，把物联网研究和开发纳入下一代网络的范畴，而不是把下一代网络仅仅作为引入IP核心网、移动性和个性化服务的网络。人与人之间的信息交互是具有百年发展历史的电信网主要业务范畴，引入了物联网理念的下一代网，从根本上扩展了电信网的业务范畴，可以真正推动电信业务和电信网络的全面变革，可以为电信网（包括固定电信网和移动电信网）创造新的发展机遇。随着处理器、存储器、网络带宽等成本的下降，嵌入式系统广泛应用于许多领域，特别是广泛应用于各类物理设备中，如飞机、汽车、家电、工业装置、医疗器械、监控装置和日用物品。国际上把利用计算技术监测和控制物理设备行为的嵌入式系统称为网络化物理系统（Cyber Physical Systems, CPS）或者深度嵌入式系统（Deeply Embedded Systems, DES）, CPS 也可以翻译为“物理设备联网系统”。美国总统的科学技术咨询委员会（PCAST）在2007年8月发布的题为“挑战下的领导地位：在世界竞争中的信息技术研发”的咨询报告中，明确建议把 CPS 作为美国联邦政府研究投入最高优先级的课题，由此启动了美国高校和研究机构的CPS研发热潮。

PCAST咨询报告认为，CPS的设计、构造、测试和维护难度较大、成本较高，通常涉及到无数联网软件和硬件部件，在多个子系统环境下的精细化集成。在监测和控制复杂的、快速动作的物理系统（如医疗设备、武器系统、制造过程、配电设施）运行时，CPS 在严格的计算能力、内存、功耗、速度、重量和成本的约束下，必须可靠和实时地操作。绝大部分 CPS系统都是安全关键的系统，必须在外部攻击和打击下能够继续正常工作。

CPS这种融合信息世界和物理世界的技术具备以下特征。

1）CPS是未来经济和社会发展的革命性技术

CPS 是信息领域的网络化技术、信息化技术，与物理系统中控制技术、自动化技术的融合。CPS 可以连接原来完全分割的虚拟世界和现实世界的关联，使得现实的物理世界与虚拟的网络世界连接，通过虚拟世界的信息交互，优化物理世界的物体传递、操作和控制，构成一个高效、智能、环保的物理世界。从这个角度看，CPS技术是可以改变未来经济和社会发展的革命性技术。

2）信息材料本身就是一种CPS技术

材料技术与信息技术融合构成的信息材料技术本身就是一种 CPS技术，它是最为基础的网络化世界与物理世界连接的技术。例如，小型化、低成本、环保节能的新型材料传感器、显示器等技术，都是CPS发展中的关键技术。

3）CPS要求计算技术与控制技术的融合

为了把网络世界与物理世界连接，CPS 必须把已有的、处理离散事件的、不关心时间和空间参数的计算技术，与现有的、处理连续过程的、注重时间和空间参数的控制技术融合起来，使得网络世界可以采集物理世界与时间和空间相关的信息，进行物理装置的操作和控制。

4）CPS要求开放的嵌入式系统

CPS系统中的计算技术主要是嵌入式系统，CPS中的嵌入式计算系统不是传统的封闭性系统，而是需要通过网络，与其他信息系统进行互联和互操作的系统。CPS 要求的嵌入式系统是一种开放的嵌入式系统，需要提供标准的网络访问接口和交互协议、标准的计算平台和服务调用接口、标准的计算环境和管理界面。

5）CPS要求可靠和确定的嵌入式系统

CPS 把计算技术带入了与国家基础设施、人们日常生活密切相关的领域， CPS 大部分应用领域是与食品卫生一样的安全敏感的领域，CPS的技术和产品需要经过政府严格的安全监督和认证。原来信息技术领域习以为常的“免责”条款将不再适用，CPS技术和产品必须成为高可靠的、行为确定的产品，由此需要可靠和确定的嵌入式系统。

对照ITU有关物联网的定义以及PCAST咨询报告有关CPS定义，可以认为CPS是物联网的专业称呼，侧重于物联网内部的技术内涵；而物联网是CPS的通俗称呼，侧重于CPS在日常生活中的应用。从专业角度看，CPS提供了物联网研究和开发所需的理论和技术内涵；从应用角度看，物联网提供了 CPS 未来应用的一个直观画面，更加适合于普及 CPS 方面的科学知识。物联网的研究和开发应该从CPS入手和深入，而CPS技术和产品的普及和应用可以从物联网角度介绍和举例。

1.3.2 物联网与WSN

由于目前对物联网研究尚未深入，对联物网的技术内涵也缺乏专业的研究，有些专业的或非专业的报道通常会把无线传感器网络作为物联网。微机电系统（Micro-Electro-Mechanism System, MEMS）、片上系统（System on Chip, SoC）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络（WSN），并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。WSN就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络，是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。

按照国内权威学术期刊的定义，WSN是一种“随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络”，它可以“借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号”，并且“传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求，前者以数据为中心，后者以传输数据为目的”。因此，无线传感器网络并没有赋予T2T的连接能力，更不具备与物理系统连接并且控制物理系统的能力。WSN仅仅是采集和传递数据，并没有涉及到物联网中的核心控制技术，也不具备CPS 要求的高可靠性。因此从 CPS 角度来看，WSN并不是物联网，更不是网络化物理系统。但是，WSN的相关技术在一定程度上可能支撑物联网的开发与应用。