基于IMS构建物联网的构想

施志勇 王雨 罗国栋

[摘要]文章首先介绍IMS技术和物联网技术，然后讨论了利用IMS网络控制技术构建物联网的方案，重点就实现过程中需要解决的关键技术问题进行了论述，最后展望其应用前景。

[关键词]IMS物联网网络结构

1引言

物联网作为新一代的信息技术，是一种聚合性、系统性非常强的创新应用和发展，它的应用已经逐渐渗透到生活各个方面，并且已经形成了一定的工业规模。目前，物联网技术被广泛应用于交通运输、工业控制、零售、公众服务等领域，可以实现安全监控、自动售货、机械维护等功能，不仅可以提高生产效率，而且可以降低生产成本。物联网最大的特点是实现了分布于不同网络、采用不同接入方式的具备信息发送和接收能力的“物”之间的信息交互。进行通信的“物”可以处于计算机网络、移动通信网络、有线电视网络、固定电信网络等，采用的接入方式可以是WLAN、GSM、WCDMA、PSTN等，这就需要有一个可以融合不同网络、支持不同接入方式、可提供统一业务的网络控制技术。

IMS是承载网络和业务网络之间的中间控制层，它屏蔽了下层的接入差异性，并为上层业务提供集中的会话管理、业务接入控制、呼叫路由、服务质量控制、鉴权计费和安全管理等基本功能。IMS统一使用IP网络作为承载，并采用承载、控制、业务相分离的水平分层式网络架构，可以实现多种网络的融合，并且不受接入方式的限制，便于在不同的网络平台下开发同一业务。由此可见，IMS可以很好地解决物联网的网络控制问题，将IMS和物联网进行有机结合完全符合物联网的发展方向和建设需求。

2IMS和物联网基本概念

2.1IMS网络控制技术

IMS(IP多媒体子网系统)是由3GPP首先提出的一个国际公认的标准架构，它最初是为了解决在移动网络中提供实时的多媒体业务而提出的，但IMS同时也支持其他多种接入方式，如PSTN、GSN、UMTS、WLAN等。IMS信息以IP方式在网络中传输，可以在IP网络上灵活部署业务，便于在不同网络上实现同一业务。国际上关于IMS的研究主要集中在3GPP、3GPP2和TISPAN等几个标准组织，其中前两个组织侧重于移动网络IMS的研究，而TISPAN对IMS的研究主要针对固定接入以及固定网络和移动网络的融合。

随着1MS技术和产品的逐渐成熟，已经有一些运营商开始IMS商用。目前来看，IMS的应用主要集中在以下几方面：第一是移动网络的应用；第二是固定运营商出于网络演进和业务的需要，通过IMS为企业用户提供融合的企业应用(IP Centrex业务)，以及向固定宽带用户(例如ADSL用户)提供VoIP应用；第三是用于不同网络融合，如移动网络与固定网络的融合；第四是IMS技术与其他技术的融合应用，如与物联网、数字集群通信等技术的融合。

IMS采用的承载、控制、业务相分离的分层技术，使得业务的开发、应用与具体的传输网络和接入网络无关，同一个业务只需要开发一次就可以用于多种接入网络，不同网络上的同一业务可以采用统一的管理，避免不同接入用户对业务体验不一致的现象。这些都为物联网的实现和良好运行提供了有力的网络控制保障。

2.2物联网

物联网是由“The Internet of Things”翻译而来，广义来说它就是“将不同物体进行相互连接的通信网络”，即包含了两层意思：第一，物联网是以计算机网、移动通信网、电视网等通信网络为基础的一种业务拓展和网络延伸；第二，在该网络中进行信息交换和通信的主体是广泛分布于网络中的物体。物联网的一般定义是：通过射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

(1)物联网的“物”必须满足以下条件：

◆装有相应信息的接收器和发送器；

◆能够提供数据传输通路；

◆具有一定的信息存储功能；

◆具有一定的信息管理与处理能力；

◆有操作系统；

◆有专门的应用程序；

◆遵循物联网的通信协议；

◆在网络中有可被识别的唯一编号。

(2)物联网业务具有的主要特点可以概括为：

◆对物体的全面感知。利用传感、射频识别、二维码等技术随时随地监控物体，获取物体的特征信息。

◆无处不在的信息承载网和接入网。物体所处的位置是广泛任意的，而且可能是任意移动的，因此为物体提供接入的点无所不在，接入方式多种多样。

◆智能处理能力。物体的数目非常庞大，物体需要处理的信息达到海量级，物联网需要采用云计算、模糊识别等智能技术才能满足信息处理要求。

◆物体间远端识别，需要安全可靠的连接与传输。

3基于IMS的物联网网络

基于IMS的物联网的网络体系结构，从宏观上规定了网络的基本架构和层次分区，是网络具体构建的重要参考。通过对物联网三层体系结构的分析，提出了基于IMS物联网的四层体系架构，如图1所示。

3.1感知层

感知层是物联网的“感觉器官”，主要是通过综合运用各种感知技术和通过射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等各种信息传感设备，实现对物体信息的实时、自动采集、捕获与识别、定位。既要对物体的名称、型号、存储地点、数量、质量、生产厂家、价格、隶属单位等静态信息的感知，又要对物体的位置、运行状态等动态信息进行感知，便于管理，还要对物体所处的环境(如温度、湿度等)信息进行感知。感知层的设备有传感器、RFID、具有感知能力的移动终端和数据终端、定位设备、视频拍摄设备等等，它们既可以通过有线方式，也可以通过无线方式接入到相应的接入网。

3.2接入层

接入层为感知层提供基本的网络接入功能、移动性管理、对现有网络的优化等，确保实时感知的物体信息能够接入信息网络，是实现物体信息实时、高效传输和共享的关键。物体进行接入的方式多种多样，可以是WLAN、GSM、TD-SCDMA、卫星等无线方式，也可以使光纤、电话线等有线接入方式。

3.3IMS层，网络控制层

IMS层/网络控制层是物联网的“心脏”，是连接接入层与应用层的桥梁。它主要包括呼叫会话控制功能(P/I/S-CSCF)、归属位置服务器(HSS)、多媒体资源功能(MRF)、域名服务器(DNS)、E.164号码映射服务器、媒体控制功能(MGCF)和IP多媒体一媒体网关(IM-MGW)等。该层支持网络的安全管理、业务交换与控制、鉴权、QoS、计费等功能，并实现多种接入方式和网络的融合。

3.4应用层

应用层是物联网的“大脑”，通过物联网管理平台

对汇聚的物体信息进行存储、处理、显示与管理，同时根据需要对物体进行控制。该层利用专门的存储设备对采集到的物理数据进行存储，用于支持不同部门间的信息共享和协同操作。应用层管理平台主要包括应用服务器、数据库、用户管理系统等。

另外，接入层、IMS层/管理控制层和应用层之间主要通过IP网络互联互通。

4关键技术

4.1网络的互联互通

一方面，基于IMS架构的固定网络和移动网络的融合在QoS方面有待进一步完善；同时IMS要求使用IPv6，但目前的大多数IP网络仍然采用IPv4，这就需要研究IMS对IPv4的支持。只有解决了这些技术问题，才能真正利用IMS实现不同通信网络之间的互联互通，为物联网业务提供全网络覆盖服务。

另一方面，各运营商为了自身利益都要单独建设属于自己的IMS网络。中国移动想通过建设IMS网络来提供政企服务和固定服务，争取原本不属于它们的企业用户。中国联则想利用IMS网络整合原有固网业务并提升网络的多媒体传输能力，以实现在多媒体业务方面与中国移动的抗衡。而对于在CDMA标准和固网业务方面具备优势的中国电信，它综合了移动和联通的诉求，并希望通过IMS改造原有的业务模式。因此就亟待解决不同运营商和设备商之间的多个IMS网络的互联互通问题。

4.2移动终端的多模融合

为了提高物联网网络的灵活性，更好地支持物体的无线接入，作为移动通信网络的终端设备，应该不仅是人的通信终端，还应该是物联网的感知终端，甚至是RFID读写器、传感器网络接入移动通信网络的汇聚点，这就需要移动终端支持多种工作模式，即通信终端、感知终端、信息汇聚点等。下面以移动通信终端兼有RFID读写功能为例，进一步讨论移动终端的多模融合问题。

作为RFID的读写器，可以是手持移动终端也可以是数据移动终端，它既具有与移动通信网络进行数据通信的功能，又有与物体之间进行RFID通信的功能，还具有物联网信息加工处理功能。信息加工处理主要包括两个方面：一是它要创建一个适合于移动通信网络进行分组传输的IP数据包，该数据包以通过RFID读功能读取到的RFID标签中存贮的物体特征信息为数据包的包体、以物联网管理平台中的服务器地址为目的地址，以自己的地址为源地址，通过无线方式传送到移动通信网络；二是接收通过移动通信网络传过来的物联网管理平台发送的IP数据包，解读其包体信息并进行相应的操作。用户可以通过移动终端的RFID写功能来更新RFID标签中存贮的物体特征信息。

5结束语

在国内，很多网络运营商、设备制造企业和科研院所都在对IMS技术和物联网技术进行跟踪与研究。如何将二者有机结合起来，充分发挥IMS技术在网络控制方面的优势，实现物联网在不同网络、不同接入方式间的无差别服务。必将成为IMS和物联网的研究热点，同时也符合物联网的发展需要。

参考文献

[1]张智江，李永，刘洪宁，等，IMS业务关键技术与实现[M]，北京：人民邮电出版社，2008

[2]张福生，物联网：开启全新生活的智能时代[M]，太原：山西人民出版社，2010

[3]朱晓荣，齐丽娜，孙君，物联网与泛在通信技术[M]北京：人民邮电出版社，2010

[4]周洪波，物联网技术、应用、标准和商业模式[M]，北京：电子工业出版社，2010

作者简介

施志勇：讲师，硕士研究生，任教于重庆通信学院，移动通信教研室教员，研究方向为通信理论与技术。

王雨：副教授，硕士生导师，任教于重庆通信学院，移动通信教研室主任，研究方向为军事移动通信。

罗国栋：讲师，本科，任教于西安通信学院，装备教研室教员，研究方向为通信工程。