1.1 物联网起源

物联网（Internet of Things）的概念是由麻省理工学院Auto-ID研究中心（Auto-ID Labs）于1999年提出的，其最初的含义是指把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。2005年，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，对物联网概念进行了扩展，提出了任何时间、任何地点、任何物体之间互联，无所不在的泛在网（Ubiquitous Network）和无所不在的普适计算（Ubiquitous Computing）的发展愿景，除RFID技术外，传感器技术、纳米技术、智能终端（Smart Terminal）等技术将得到更加广泛的应用。2009年1月，IBM提出“智慧地球”构想，物联网为其中不可或缺的一部分。奥巴马总统对“智慧地球”构想做出了积极回应，并将其提升为国家层级的发展战略。同年8月温家宝总理在无锡视察时提出了“感知中国”，对物联网的发展发表了深刻而独到的见解，并在2010年的政府工作报告中强调要加快物联网的研发和应用，从而使物联网引起了全球的广泛关注。物联网的概念虽然近几年才为人们所熟知，但实现物物相连所采用的却并非都是新技术。业内人士普遍认为物联网起源于传感器网络和无线射频识别，并与移动通信系统有着千丝万缕的联系，而且很早以前就已经有物联网的雏形应用进入人们的视野。物联网是世界信息产业的第三大趋势。未来，物联网将与许多智能设备相结合，以实现智慧物联网，使人们的生活更加方便。

1.1.1 传感器网络

传感器网络是由大量部署在作用区域内的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的，是一种能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。传感器网络中的节点以协作的方式监控不同位置的物理或环境状况（比如温度、声音、振动、压力、运动、污染物等），通信距离较短，一般采用多跳（Multi-hop）的无线通信方式传输感知到的信息。传感器网络可以在独立环境中运行，也可以通过网关连接到互联网，使用户可以进行远程访问^[1]。

传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、现代网络及无线通信技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知到的信息传送到用户终端，从而真正实现无所不在的普适计算理念。

传感器网络的每个节点除配备了一个或多个传感器之外，还装备了无线电收发器、微控制器和能量供应模块（通常为电池）。单个传感器节点的尺寸大到一个鞋盒，小到一粒尘埃。传感器网络中节点的成本也是不定的，从几百美元到几美分，这取决于传感器网络的规模以及单个传感器节点的复杂度。传感器节点尺寸与复杂度的限制决定了能量、存储、计算速度与频宽的受限^[2]。

在传感器网络中，节点被通过各种方式大量部署在感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析。传感器网络通常包括传感器节点（Sensor Node）、网关节点（Sink Node）和远端服务中心。传感器节点以自组织的方式形成网络，并将感知到的信息通过多跳的方式传输至网关节点，进而，通过网关（Gateway）完成与互联网的连接。传感器网络的特性使其有非常广泛的应用前景，其无所不在的特点在不远的未来将使之成为我们生活中不可缺少的一部分^[3]。

传感器网络的发展与微电子技术息息相关，而微电子技术的核心是超大规模集成电路设计与制造。集成电路自1959年诞生以来，经历了小规模、大规模、超大规模到巨大规模的发展历程，其特征是尺寸不断缩小，集成密度不断提高，集成规模迅速增大。然而传感器节点受到物理尺寸及制造成本的限制，其处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通信范围一般为10～100m，缺乏将数据进行远程传输的手段。为了解决传感器节点受限问题，随之出现了无线传感器网络、虚拟化无线传感器网络以及软件定义传感器网络。

无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）的构想最初是由美国军方提出的，是指在特定应用环境中布置的传感器节点以无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，传感器节点完成指定的数据采集工作，节点通过无线传感器网络将数据发送到网络中，并最终由特定的应用接收。传感器节点不仅能感知网络内的环境信息，还具有简单的计算能力，同时可以将感知和计算后的相关信息在网络中传输，具有一定的通信能力。

随着物联网的发展，传感器节点作为物联网感知层的重要组成部分，为了完成庞大的数据感知任务，将虚拟化技术引入无线传感器网络，由此，虚拟化无线传感器网络出现在人们的视野，它可以根据用户的不同需求创建虚拟传感器网络（Virtual Sensor Network, VSN），多个VSN共享相同的物理资源，使得底层的物理传感器网络资源能够被多个用户共同使用，从而提高资源利用率。虚拟化无线传感器网络改变了原有的服务模式，将传统的WSN网络服务提供者解耦为基础设施提供者和服务提供者，基础设施提供者负责创建、管理和维护底层物理传感器网络资源，而服务提供者根据用户的不同需求创建VSN，从而为用户提供相应的服务。

软件定义无线传感器网络（Software-Defined Wireless Sensor Networks, SDWSN）是软件定义网络和无线传感器网络的融合，是指运用了软件定义技术进行感知、路由、测量等任务的新型无线传感器网络。SDWSN和传统软件定义网络既有联系也有区别，传统的软件定义网络技术关注信息的传输，主要研究软件定义路由。由于无线传感器网络还需进行信息感知，软件定义无线传感器网络除了关注软件定义路由，同时也要关注软件定义感知等其他方面^[4]。

1.1.2 无线射频识别

射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）技术是一种基于射频的通信技术，又称电子标签、无线射频识别，从20世纪90年代开始兴起，从本质上来说属于一种可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无须在识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触的自动识别技术。利用射频信号，RFID技术通过空间耦合实现无接触的信息传输，并通过所传输的信息达到识别特定目标的目的^[5]。

从信息传输的基本原理来说，射频识别技术在低频段采用基于变压器耦合（初级与次级之间的能量传输及信号传输）方式，在高频段采用基于雷达探测目标的空间耦合（雷达发射的电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）方式。1948年，哈里·斯托克曼发表的“利用反射功率的通信”研究成果奠定了射频识别技术的理论基础。

RFID技术的主要发展阶段可以概括如下。

1940年—1950年：雷达的改进和应用催生了射频识别技术，1948年奠定了射频识别技术的理论基础。

1950年—1960年：射频识别技术的探索阶段，主要处于实验室基础理论研究阶段。

1960年—1970年：射频识别技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。

1970年—1980年：射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期，各种射频识别技术测试得到加速，出现了一些最早的射频识别应用。

1980年—1990年：射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。

1990年—2000年：射频识别技术标准化问题得到人们重视，射频识别产品得到广泛应用，逐渐成为人们生活中的一部分。

2000年至今：标准化问题日趋为人们所重视，射频识别产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，同时，电子标签的成本不断降低，规模应用行业呈现出逐渐扩大的趋势。射频识别技术的理论得到丰富和完善，单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的射频识别技术与产品正在成为现实并走向应用。然而，RFID在各方面表现较为出色的同时，也暴露出了很多问题，如技术成熟度不够，读写器的识别准确度有限，RFID天线设计、安全与隐私问题及技术标准不统一等。

1.1.3 移动通信系统

随着社会的发展，人们对通信的要求越来越高。由于人类政治和经济活动范围的日趋扩大及效率的不断提高，要求实现通信的最高目标——在任何时间、任何地方、与任何人都能及时进行沟通、联系，完成信息交流。不难设想，没有移动通信是无法实现这一目标的。

1．移动通信系统概念及特点

移动通信是指通信的双方至少有一方处于移动状态下进行信息交换的通信。换句话说，移动通信解决因为人的移动而产生的“动中通”问题。移动通信系统包括无绳电话、无线寻呼、公共陆地移动通信和卫星移动通信等。移动通信系统一般由移动台（MS）、基站（BS）、移动业务交换中心（MSC）以及与公用电话交换网（简称市话网）（PSTN）相连接的中继线等组成，移动通信系统的组成如图1-1所示。MS是在不确定的地点并在移动中使用的终端，它可以是便携的手机，也可以是安装在车辆等移动体上的设备。BS是移动通信系统中的固定站台，用来和MS进行无线通信，它包含无线信道和架在建筑物上的发射、接收天线。每个BS都有一个可靠的无线小区服务范围，其大小主要由发射功率和基站天线的高度决定。MSC是在大范围服务区域中协调呼叫路由的交换中心，其功能主要是处理信息的交换和对整个系统进行集中控制管理。

通信经历了一个从模拟通信到数字通信的发展过程，相对于传统的通信系统，移动通信系统拓展了更广阔的应用创新空间和更灵活多样的商业模式，因而，具有更大的市场潜力。随着传输和计算的瓶颈被打破，从第一代移动通信到目前的第五代移动移动通信，已经产生了质的飞跃，但也受到了一定限制，其特点概括起来主要包括以下几方面。

① 利用无线电波进行信息传输。移动通信的运行环境十分复杂，电波不仅会随着传播距离的增加而发生弥散消耗，并且会受到地形、地物的遮蔽而发生“阴影效应”，而且信号经过多点反射，会从多条路径到达接收地点，这种多径信号的幅度、相位和到达时间都不一样，它们互相叠加会产生电平衰落和时延扩展。

② 运行环境复杂。移动通信系统采用多信道共用技术，在一个无线小区内，同时通信者会有成百上千，会有多部收发信机同时在同一地点工作，会产生许多干扰，如通道干扰、互调干扰、邻道干扰、多址干扰等，以及近基站强信号会压制远基站弱信号，这种现象被称为“远近效应”。在移动通信中，将采用多种抗干扰、抗衰落技术措施以减少这些干扰信号的影响。

③ 频带利用率要求高。特别是移动通信的用户数量很大，为了缓和用户数量大与可利用的频率资源有限的矛盾，除了开发新频段，还要采取各种措施来更加有效地利用频率资源，如压缩频带、缩小信道间隔、多信道共用等，即采用频谱和无线信道有效利用技术。

④ 移动设备的移动性强。由于移动台的移动是在广大区域内的不规则运动，而且大部分的移动台都会有关闭不用的时候，它与通信系统中的交换中心没有固定的联系，因此，要实现通信并保证质量，移动通信必须是无线通信或无线通信与有线通信的结合，而且必须要发展跟踪、交换技术，如位置登记技术、信道切换技术、漫游技术等。

⑤ 组网技术复杂。根据通信地区的不同需要，移动通信网络结构多种多样，为此，移动通信网络必须具备很强的管理和控制功能，如用户登记和定位，通信（呼叫）链路的建立和拆除，信道分配和管理，通信计费、鉴权、安全和保密管理，以及用户过境切换和漫游控制等功能。

2．移动通信系统分类

移动通信系统从20世纪80年代诞生以来，到2020年大体经过5代的发展历程，4G时代，除蜂窝电话系统外，宽带无线接入系统、毫米波LAN、智能传输系统（ITS）和平流层通信系统（HAPS）已投入使用。未来的移动通信系统最明显的趋势将是高数据速率、高机动性和无缝隙漫游。

随着移动通信应用范围的扩大，移动通信的种类也越来越多，根据使用要求和工作场合分类如下：

① 按使用对象可分为民用通信和军用通信。

② 按使用环境可分为陆地通信、海上通信和空中通信。

③ 按多址方式可分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）等。

④ 按覆盖范围可分为广域网和局域网。

⑤ 按业务类型可分为电话网、数据网和综合业务数字网。

⑥ 按工作方式可分为同频单工、异频单工、异频双工和半双工。

⑦ 按服务范围可分为专用网和公用网。

⑧ 按信号形式可分为模拟网和数字网。

移动通信系统主要有蜂窝系统、集群系统、Ad Hoc网络系统、卫星通信系统、分组无线网络系统、无绳电话系统和无线电传呼系统等。

蜂窝系统是覆盖范围最广的陆地公用移动通信系统。在蜂窝系统中，覆盖区域一般被划分为类似蜂窝的多个小区。每个小区内设置固定的基站，为用户提供接入和信息转发服务。移动用户之间以及移动用户和非移动用户之间的通信均需要通过基站进行。基站一般通过有线线路连接到主要由交换机构成的骨干交换网络。蜂窝系统是一种有连接网络，一旦一个信道被分配给某个用户，通常此信道可一直被此用户使用。蜂窝系统一般用于语音通信。

集群移动通信，也被称为大区制移动通信。它的特点是只有一个基站，天线高度为几十米至百余米，覆盖半径为30km，发射机功率可高达200W。用户数约为几十至几百，可以是车载台，也可以是手持台。它们可以与基站通信，也可以通过基站与其他移动台及市话用户通信，基站与市话网（PSTN）相连。

卫星移动通信利用卫星转发信号，对于车载移动通信可采用地球同步卫星，而对手持终端，采用中低轨道的多颗星座卫星较为有利。

3．第五代移动通信系统概述

第五代移动通信系统（The 5rd Generation Mobile Communication，5G），又称IMT—2020，即第五代移动通信标准，目前已进入商用阶段。国际电信联盟（ITU）已完成5G愿景研究，2017年11月启动了5G技术方案征集，2020年完成5G标准制定。3GPP于2016年启动5G标准研究，2017年12月完成非独立组网5G新空口技术标准化、5G网络架构标准化；2018年6月形成5G标准统一版本，完成独立组网、5G新空口和核心网标准化；2019年完成满足ITU要求的5G标准完整版本；2020年完成5G标准制定。

5G将开启万物互联新时代。业界一般认为移动通信每10年一代，2G时代提供语音和低速数据业务；3G时代在提供语音业务的同时，开始提供基础的移动多媒体业务；4G时代提供移动宽带业务；到了5G时代，移动通信将在大幅提升以人为中心的移动互联网业务使用体验的同时，全面支持以物为中心的物联网业务，实现人与人、人与物和物与物的智能互联。增强移动宽带、海量机器类通信和超可靠低时延通信是5G的三大类应用场景，在设计5G网络时需要充分考虑不同场景和业务的差异化需求。

区别于4G等传统的网络采用网元（或网络实体）来描述系统架构，在5G网络中引入了网络功能（Network Function, NF）和服务的概念，不同的NF可以作为服务提供者为其他NF提供不同的服务，此时其他NF被称为服务消费者。一个NF既可使用一个或多个NF提供的服务，也可以为一个或多个NF提供服务。服务化架构基于模块化、可重用、自包含的思想，充分利用了软件化和虚拟化技术。5G网络结构如图1-2所示，该图展示了5G非漫游场景的架构^[6]，包含核心网中主要的NF和NF之间的连接关系。

5G核心网中主要的NF名称和主要功能如下所述。

① 接入和移动性管理功能（Access and Mobility Management Function, AMF）：终结来自UE的非接入层消息、实现对UE的接入控制和移动性管理功能；终结接入网的控制面接口（N2）等。

② 用户面功能（User Plane Function, UPF）：PDU（协议数据单元）会话用户面相关功能，即接入网和外部数据网络（Data Network, DN）之间采用特定的封装传输用户数据报文，实现QoS、监听、计费等方面的功能；UPF不但实现4G网络中服务网关（Serving GateWay, SGW）、公用数据网网关（PDN GateWay, PGW）中的用户面的各项功能，而且还支持边缘计算等新特性所需的用户面功能。

③ 会话管理功能（Session Management Function, SMF）：PDU会话管理（建立、删除、修改等）、UPF选择、终端IP地址分配等；SMF实现了4G网络中SGW、PGW中的控制面的各项功能。

④ 网络存储功能（NF Repository Function, NRF）：实现服务的管理功能。当NF启动时将自己提供的服务注册到NRF。当NF需要使用服务时，先查询NRF，即可发现提供该服务的NF信息。

⑤ 统一数据管理功能（Unified Data Management, UDM）：实现用户签约数据和鉴权数据的管理。

⑥ 鉴权服务器功能（AUthentication Server Function, AUSF）：实现对用户鉴权的相关功能，与安全锚点功能（SEcurity Anchor Function, SEAF）配合完成密钥相关的操作。

⑦ 策略控制功能（Policy Control Function, PCF）：实现统一的策略和计费控制节点，制定并下发策略给控制面NF和UE。

⑧ 网络开放功能（Network Exposure Function, NEF）：将网络能够提供的业务和能力“暴露”给外部，如第三方实体。

⑨ 网络切片选择功能（Network Slice Selection Function, NSSF）：为UE选择为其服务的网络切片和AMF等。

⑩ 应用功能（Application Function, AF）：与核心网交互，以提供服务（如IMS的AF提供IMS话音呼叫服务）。

⑪ 用户终端设备（User Equipment, UE）。

⑫ 接入网络[（Radio）Access Network，（R）AN]。

在图1-2中，Nnssf和Nnef等是服务化接口，NF借助服务化接口向其他NF提供服务，具体介绍如下。

● Nnssf：NSSF的服务化接口；

● Nnef：NEF的服务化接口；

● Nnrf：NRF的服务化接口；

● Npcf：PCF的服务化接口；

● Nudm：UDM的服务化接口；

● Naf：AF的服务化接口；

● Nausf：AUSF的服务化接口；

● Namf：AMF的服务化接口；

● Nsmf：SMF的服务化接口。

利用计算和存储相互分离的思想，5G核心网还引入了可选的网络功能UDSF（Unstructured Data Storage Function，非结构化数据存储功能），实现非结构化数据的存储，并为任意控制面的NF提供检索功能。

为更好地迎合物联网的发展趋势和市场需求，5G技术研发人员坚持可持续发展理念，致力于实现5G技术的优化设计，注重资源利用率、吞吐率等的提升研究，并且逐渐转变传统设计理念，融入多点、多用户协作的思想，引入3D、交互式游戏等新技术，为广大用户营造更实用、更方便、更快捷的通信空间，实现移动通信的最佳状态，让用户感受到更好的通信服务。