物联网发展及标准进展研究

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

物联网发展及标准进展研究

胡晓彦

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

自1999年物联网最初概念的形成，到如今物联网的急速壮大，其已成为最热门也是最重要的行业，甚至已经上升到国家层面甚至世界未来发展方向的高度。本文简述了物联网的发展过程及物联网标准对于该行业的影响。按照物联网技术层次对物联网常见标准进行概述，并提出了现行标准中的问题及解决思想。

物联网发展；物联网标准；RFID；WSN；5G

1 物联网国内外发展现状

1999年，MIT的Auto-ID中心给出了物联网的初始概念。2005年，国际电信联盟（ITU）扩大物联网（TheInternetofThings）的概念，提出随时、随地、万物互联的标准概念[1]。2009年，美国首次提出“智慧地球”概念，引起巨大关注[2]。欧盟第七框架下RFID和物联网研究项目簇发布研究报告，指出物联网是未来Internet的一个部分，确定其战略地位。2010年3月5日，我国指出物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，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。它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。

美国与欧盟在物联网应用行业方面起步最早，巨大的投资使其早早站在物联网发展的制高点上。亚太地区也抓紧追赶，日本率先将农业物联网化，2020年的市场规模将达50亿日元。2015年起，韩国陆续投资370亿韩元用于物联网研发。我国物联网行业随起步较晚，但潜力巨大，发展迅速，目前产业规模已达7 500亿，2020年产业目标更是1.5万亿元之巨。

虽然物联网产业前景光明，规模巨大，但到现在为止各行业间还没有一个统一的定义[3]，因为物联网包含了多种学科，多项技术，从事相关行业研究的高校，科研院所，企业众多，未能得出统一的意见。这也导致了不同行业之间的标准不同，所作出的科研成果不能通用，或者相似结果重复得出，下游企业对接成本增加，产品难以推出，使得大量科研时间以及经费被浪费。因此，标准成为了物联网行业发展的重要因素。总的来说，物联网的标准体系划分大体包含了基础类、感知类、网络传输类和公共类。本文将选取各类标准体系中重点或具代表性的技术标准进行描述，图1为物联网概念示意图。

2 物联网标准体系

2.1 基础类标准

基础类标准是对物联网相关概念进行总体规范的一系列标准，一般包含体系结构、参考模型、术语等规范，属于物联网相关技术的总则。国际上由ISO/IEC、ITU-T、IIC等组织制定编写相关标准，我国基础类标准则有CCSA、国家物联网基础标准工作组等部门负责。

图1 物联网概念示意图

2.2 感知类标准

传感器、条形码、射频识别、生物特征识别都属于物联网标准体系中的感知类。信息感知属于物联网的基础，通过对感知的信息进行处理、加工，分析是物联网的主要工作，但由于信息种类繁多，获得方法多样，信息格式不统一，造成了感知类标准制定难度巨大，其核心标准更是亟待突破。ISO、IEC、电子标签工作组等国内外标准组织都在积极制定相关标准。在众多感知类技术中，射频识别技术由于其优良的特性，尤其受到各国研究组织的重视[4，5]。

RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID是物联网中最先，最基本，也是最重要的感知类技术应用，世界许多物联网技术组织或标准制定组织名称中都包含RFID，可见其在物联网技术中的地位之重要。

国际上的ISO组织和EPCglobal组织都对RFID技术进行了标准定义。大部分的RFID标准都是由ISO组织制定，其标准更多是关注RFID整体性概念和框架性技术，并包含了部分具体应用的标准，自2004年起，ISO共制定RFID相关标准15条，包含数据协议、应用接口等。EPCglobal则更多地关注RFID的具体技术，尤其是在物流供应链领域，已解决其流程中透明性和追踪性。这两个标准体系都按照RFID的工作频率分为多个部分，在这些频段中，以13.56 MHz频段的产品最为成熟；处于860-960 MHz内的UHF频段的产品，因为其工作距离远且最可能成为全球通用的频段而备受重视，发展最快。英国、德国、法国分别发布7条、3条和2条国家标准。

2.3 网络传输类标准

物联网网络传输类标准包括接入技术和网络技术两大类标准，接入技术包括短距离无线接入、广域无线接入、工业总线等，网络技术包括互联网、移动通信网、异构网等组网和路由技术。网络传输类标准相对比较成熟和完善，在物联网发展的早期阶段基本能够满足应用需求。ITU-T、ISO、3GPP、IEEE等标准组织认识到物联网将成为通信服务发展方向，从而在下一代网络（NGN）、无线局域网、泛在网、IPv6、低功率蓝牙等各种通信技术上不断推出新标准，而最令行业瞩目的两项技术，一是在带宽和功耗都较低的NB-IoT，二是在移动性、下载速率等方面都有着很大优势第5代移动通信技术。

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，基于蜂窝的窄带物联网），构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽[6]。由于其特点突出，特性优良，我国对NB-IoT的技术研发十分重视，由我国华为公司牵头制定NB-IoT标准已经在3GPP RAN组织发布，极大提高了我国在相关领域的竞争力。RAN会议上明确了NB-IoT空口技术，上行支持包含3.75 kHz与15 kHz两种子载波带宽的Single-Tone技术和选择15 kHz子载波带宽的Multi-Tone技术，下行采用OFDMA 15 kHz子载波技术。

物联网技术的实现，离不开移动网络的支持。基于物联网的技术特点及性能要求，最新的第五代移动通信技术（5G）就有机构认为是为物联网服务而应运而生的。5G技术预期能够解决例如超高流量密度、超高连接数密度、超低时延、超高移动性等技术要求[7]，预计2020年达到商用化。因此，某些5G技术标准对于物联网技术也有着重要的指导和参考意义[8，9]。本文介绍了国内国际三大通信标准组织及标准进度时间。

IMT-2020(5G)推进组：由工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，旨在研究5G技术，推动5G全球标准的统一，实现5G商用，其制定了5G概念白皮书，包含了5G技术场景，5G关键技术，5G概念，5G技术路线等规范。

表1为5G面临的主要技术突破。

表1 5G面临的主要技术突破

国际电信联盟（ITU）：国际电信联盟已启动了面向5G标准的研究工作，并明确了IMT-2020(5G)工作计划：如图2所示，2015年中将完成IMT-2020国际标准前期研究，2016年将开展5G技术性能需求和评估方法研究，2017年底启动5G候选方案征集，2020年底完成标准制定。

3GPP：3GPP作为国际移动通信行业的主要标准组织，承担了大量5G国际标准技术内容的制定工作。3GPP R14阶段被认为是启动5G标准研究的最佳时机，R15阶段可启动5G标准工作项目，R16及以后将对5G标准进行完善增强。

图2 5G标准制定规划时间表

此外，频率资源是网络传输中的软黄金。随着无线技术的不断加快，频率资源愈发显得匮乏。因此，本文总结了我国物联网市场的适用频段，见表2所示。

表2 我国物联网市场常见无线技术频带使用范围

2.4 公共类标准

物联网产业的快速发展，使得企业和个人的日常都慢慢开始融入到物联网当中。智能、快速、便捷使得万物联网的概念越来越被接受。但是，物联网可以实现智能化，是基于一定的信息采集与分析处理过程，物联网想要发展的长久，就必须要保证信息安全[10]。物联网是基于现有网络将物联系起来，网络环境复杂，近场传输、移动网络、互联网都存在安全攻击风险，因此决定了它的安全问题既同现有网络安全密切联系，又具有一定的特殊性。图3为物联网网络安全问题示意图。可以说，信息安全是物联网发展的基本底线。世界各国对于物联网安全的重视日益深化，本文将对已公布的较为典型主流的安全标准进行描述。

图3 物联网网络安全问题示意图

国际上，JTC1开展了编号为29180的泛在传感器网络安全框架标准项目， ISO/IEC 19790 2006针对计算机及通信系统加密模型的安全管理进行了说明；TC65 WG10工作组的工作范围为网络和系统安全，开展了IEC 62443《工业过程测量和控制安全 网络和系统安全》系列标准研制。 SC 65A定义了电子电器设备功能安全的标准IEC 61508，用于油气、核电站等对易燃易爆，对设备运行有高安全的行业；IEEE的各种接入技术中，基本上都在MAC层定义了数据安全传输机制，如802.3、802.11使用的802.1X及802.15.4提供的三级安全性；ZigBee联盟在标准体系中定义了安全层，以保证便携设备不会意外泄漏其标识，并保障数据传输不会被其它节点获得；ETSI M2M TC在其规范中也研究了机器类通信安全，TS 102 689需求规范明确提出可信环境和完整性验证需求、私密性需求等；TS 106 690功能架明确了各层安全功能需求；TR 103 167专门分析应用层安全威胁；3GPP：SA3针对机器类通信安全分别开展了TR 23.888 M2M设备USIM业务远程管理，TR 33.868 M2M安全威胁及解决方案标准项目。

国内，CCSA/TC8开展了“机器对机器通信的安全研究”项目，TC10开展了“泛在网安全需求”标准项目；WGSN开展了“国家传感器网络标准”第5部分“安全”的标准项目，并发布了“传感器网络信息安全通用技术规范”文档；国家物联网基础工作组下成立“国家物联网安全项目组”，研制我国物联网安全基础技术标准；WAPI产业联盟制定了物联网安全关键技术TRAIS，该技术能够提供实体鉴别、保密通信、访问控制等空中接口安全服务，可抵抗RFID所面临的标签伪造、数据被窃听、篡改等安全威胁，为RFID的广泛安全使用提供保障[11]。

3 问题与思考

截止目前，世界各大组织都已经认识到标准对于物联网行业的意义，但依然存在两大重要问题。一是种类不全，尤其是在物联网服务支撑类标准和业务应用类标准方面，严重缺失。从标准化对象的角度看，物联网标准涉及的对象可以是相对独立、完整、具有特定功能的实体，可大至网络、系统，可小至设备、接口、协议，另外还包括业务，可见种类之多。因此各种实体根据需要，应制定相应技术标准和测试方法标准，体系的建立应遵照全面成套、层次恰当、划分明确的原则。二是尚未统一，各企业之间标准不同，就需要行业标准或者国家标准来统一管理，各国之间标准不兼容，则需要标准化组织进行商讨，以确保世界物联网行业快速繁荣的发展。

4 展望

物联网作为新兴产业，在世界范围内的影响力不断提升，世界各国对于物联网相关产业的投入不断增大，产业前景一片光明。随着物联网产业的不断发展，相应标准不断推陈出新，基础类标准逐渐成型，网络传输类标准相对完善，感知类和公共类标准已有一定程度的突破。但是数据服务和产品统一标准仍存在缺失，甚至整体系标准都处于空缺状态，因此，完善这两大类的相关标准是未来标准组织工作的重心。

美国研究机构Forrester预测在2020年，物联网产值将较目前网际网路相关产业产值提高30倍。如此巨大的产业规模，拥有统一的物联网产业标准对于中国物联网产业发展有着十分重大的意义。我国物联网标准工作虽发展较快，但在国际竞争力和影响力上有待提升，我们既要深化已有标准的践行实施，也要不断推进标准体系完善，主动出击。

[1] 王亚唯. 物联网发展综述[J]. 科技信息, 2010(3):37+7.

[2] 袁东亮. 物联网的研究与应用[D]. 北京：中国地质大学, 2012.

[3] 于霞, 孙伶俐, 张菽. 物联网发展现状及趋势研究[J]. 数字技术与应用, 2016(5):66.

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[6] 钱小聪, 穆明鑫. NB-IoT的标准化、技术特点和产业发展[J].信息化研究, 2016(5):23-26.

[7] 赵国锋, 陈婧, 韩远兵, 等. 5G移动通信网络关键技术综述[J].重庆邮电大学学报(自然科学版), 2015(4):441-452.

[8] 尤肖虎, 潘志文, 高西奇, 等. 5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J]. 中国科学:信息科学, 2014(5):551-563.

[9] 王胡成, 徐晖, 程志密, 等. 5G网络技术研究现状和发展趋势[J]. 电信科学, 2015(9):156-162.

[10] 李宏波. 物联网传输及网络可靠性研究[D]. 电子科技大学, 2012.

[11] 罗锦莉. 中国物联网安全关键技术首次纳入国际标准[J]. 金融科技时代, 2016(1):76.

Research on the development of Internet of Things and the progress of standards

HU Xiao-yan
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

Since the formation of the concept of the Internet of Things in 1999, the IoT has been rapid growth now. It has become the most popular and most important industry, and has risen to the national level. Even the future direction of the development of the world. This paper brief l y describes the development process of the Internet of Things and the impact of Internet of Things standards on the industry. The IoT common standards has been outlined according to the level of the IoT. Both the problems existed in the existing standards and the solution of the problems are put forward.

Internet of Things; standards of the Internet of Things; RFID; WSN; 5G

TP393

A

1008-5599（2017）05-0040-05

2017-04-20