2.1　物联网架构

物联网的概念是美国Auto-ID在1999年首先提出的，是在互联网的基础上进行延伸和扩展的网络，是将射频识别、红外感应器、全球定位系统等各种信息传感设备与互联网连接起来而形成的巨大的“物”的网络，进行物与物之间的信息交换和通信，最终实现万物互联。

2.1.1　物联网系统架构

物联网是一个形式多样、涉及社会生活各个领域的复杂大系统。从实现技术角度看，物联网的特点是网络的异构性、规模的差异性、应用的多样性。但不同的物联网应用系统中一定会存在很多内在的共性特征，这些共性特征，可以帮助我们从更深的层次认识物联网应用系统的结构、功能与原理，这就是了解物联网体系架构的重要意义［33］。

从物联网的技术架构上来看，一个完整的物联网系统一般来说可分为5个层级，分别是信息感知层、物联接入层、网络传输层、智能处理层和应用接口层。物联网系统架构模型如图2-1所示。

1.信息感知层

信息感知层是物联网的初始层级，也是数据的基础来源。这一层级的基础元件是传感器，人们将各种各样的传感器装在不同的物品和设备上，使之感知这些物质的属性，判断它们的材质是金属、塑料、皮革还是矿石等。同时，这些异常敏感的传感器还能对物品所处的内在环境状态和外在环境状态进行数据采集，如采集环境的空气湿度、温度、污染度等信息。另外，这些传感器还能对物质的行为状态跟踪监控，观察它们是静态的，还是动态的，并将这些信息全部以电信号的形式存储起来。实现物物信息相连的庞大物联网，就需要这些传感器的分布密集度更高、覆盖范围更广及更加灵敏和高效。这样，传感器对物质信息获取的规模才能更大，对物质状态的辨识度才能更加精密，当网络形成后，其数据流才更具参考价值。

一般来说，对于不同的感知任务，传感器会根据具体情况协同作战。例如，要获取一台机器设备的内部工作动态视频，就需要感光传感器、声音传感器、压力传感器等协同工作，形成一幅有声音、有画面、有动感的机械内部工作动态视频。感知层的传感器能全方位、多角度地获取数据信息，为物联网提供充足的数据资源，从而实现各种物质信息的在线计算和统一控制。另外，传感器不仅可以通过无线传输，还可以利用有线传输接入设备，人们利用传感器传输设备中的信息可以与网络资源进行交互和共享。

2.物联接入层

物联接入层的作用是连接传感器和互联网，而这种连接的过程需要借助较多的网络基础设施才能实现。例如，人们可以利用移动通信网中的GSM（全球移动通信系统）网和TD-SCDMA（时分同步码分多址）网来实现感知层向互联网的信息传输，也可以利用无线接入网和无线局域网来实现信息感知层向互联网的信息传输。另外，通过卫星网进行信息传输也是一种可行方案。

3.网络传输层

网络传输层指的其实就是互联网，建立互联网需要利用两种IP，分别是IPv6/IPv4和后IP（Post-IP）。网络传输层提供端到端的通信服务，通过整合网络中的各种信息资源，建立一个庞大的智能信息网络，这就构成了一个高效、可靠、互动的基础设施平台。

无线传感器网络与互联网对接主要通过物联网网关来完成。

物联网网关，作为一个新的名词，在未来的物联网时代将会扮演非常重要的角色，它将成为连接感知网络与传统通信网络的纽带。作为网关设备，物联网网关可以实现感知网络与通信网络，以及不同类型感知网络之间的协议转换，既可以实现广域互联，也可以实现局域互联。此外，物联网网关还需要具备设备管理功能，运营商通过物联网网关设备可以管理底层的各感知节点，了解各节点的相关信息，并实现远程控制［34］。

物联网网关具有以下3种能力。

1）广泛的接入能力

目前用于近程通信的技术标准很多，仅常见的WSNs（无线传感器网络）技术就包括Lonworks、ZigBee、6LowPAN、RUBEE等。各类技术主要针对某一应用展开，彼此之间缺乏兼容性和体系规划。现在国内外已经针对物联网网关展开标准化工作，如3GPP、传感器工作组，以实现各种通信技术标准的互联互通。

2）可管理能力

强大的管理能力，对于任何大型网络都是必不可少的。首先要对网关进行管理，如注册管理、权限管理、状态监管等。网关实现子网内的节点的管理，如获取节点的标识、状态、属性、能量等，以及远程实现唤醒、控制、诊断、升级和维护等。由于子网的技术标准不同，协议的复杂性不同，所以网关具有的管理能力也不同。提出基于模块化物联网网关方式来管理不同的感知网络、不同的应用，保证能够使用统一的管理接口技术对末梢网络节点进行统一管理。

3）协议转换能力

从不同的感知网络到接入网络的协议转换、将下层的标准格式的数据统一封装、保证不同的感知网络的协议能够变成统一的数据和信令，将上层下发的数据包解析成信息感知层协议可以识别的信令和控制指令。

4.智能处理层

智能处理层的主体是中心计算机群，该计算机群拥有超级计算能力，可以对互联网中的信息进行统一管理和控制。同时，这一层级还能够为上一层级提供用户接口，保证应用层级的有效运行。

5.应用接口层

应用接口层是物联网体系的最终层级，用于承接服务管理层级及构建应用体系。应用接口层将网络传输层传输来的数据通过各类信息系统进行处理，并通过各种设备与人进行交互。这一层也可按形态直观地划分为两个子层：一个是应用程序层，另一个是终端设备层。

应用接口层主要提供网络任意端上应用程序的接口，根据不同领域的特点，依赖互联网技术，开发针对各领域的应用，将物联网的优势与行业的生产经营、信息化管理、组织调度结合起来，构建智能化的领域应用。例如，市政领域采用的是智慧基础设施管理技术，农业领域采用的是智慧灌溉技术。当然，领域的应用还会涉及系统集成等技术。

2.1.2　物联网网络架构

1.3GPP网络架构

3GPP提出了支持物联网应用的移动网络架构，如图2-2所示。

该架构主要在现有的移动网络架构基础上引入MTC-IWF网元，以实现如下功能：对MTC Server屏蔽核心网拓扑结构；对MTC Server执行安全认证，如放行认证后的MTC Server的通信，禁止未认证的通信提供统一、简单的API（高级持续性威胁）给MTC Server，屏蔽核心网接口的复杂性；统一收集SGSN/MME（整合封包无线服务支持节点/网络节点）等实体上报的MTC事件、物联网终端的信息，路由给合适的MTC Server；实现MTC-IWF监测到的网络状态等信息的上报；对MTC信令传输进行计费。为了实现上述通用MTC-IWF的功能，运营商需要开放部分核心网能力实现与MTC-IWF互通。

当物联网应用接入网络时，可以直接与网络中的实体进行通信，也可以通过API与MTC Server相连的方式，与网络进行交互，并与移动承载网络通信的方式称为间接方式。物联网应用直接与网关GPRS（通用无线分组业务）支持节点（Gateway GPRS Support Node，GGSN）、公用数据网的网关（PDN Gate Way，PGW）、演进型分组数据网关（evolevd Packet Data Gateway，ePDG）连接，从而实现与物联网终端进行通信的方式称为直接方式。在间接方式中存在两种商业模式：一种模式是运营商部署MTC Server，此时MTC Server与物联网应用之间的API是运营商网络与外部应用的接口；另一种模式是由第三方提供MTC Server，此时运营商网络与外部的接口有多个，根据应用的不同分别为短消息接口、信令接口和用户面接口。

无论采用哪种模式，网络与MTC Server之间的接口都有3种类型。

1）MTCsms接口

MTCsms接口是MTC Server和短消息网关之间的接口，MTC-IWF可以充当SMS-SC的功能，实现设备管理等功能。

2）MTCi接口

MTCi接口是MTC Server和GGSN/PGW之间的接口。GGSN/PGW通过MTCi接口发送上行数据到MTC Server，并通过MTCi接口接收下行数据，当使用MTCi的非透明传输机制时，MTC Server可以通过GGSN/PGW实现对用户接入M2M业务的鉴权和授权、用户业务注册、业务事件上报等功能。

3）MTCsp接口

MTCsp接口是MTC Server和MTC-IWF之间的接口，是一个MTC Server和运营商核心网间通信的信令接口，可以为Internet上任何位置的MTC Server提供服务。为了实现不同运营商提供的MTC-IWF和不同MTC服务商提供的MTC Server之间的互联互通，必须对MTCsp进行定义，MTCsp可以供MTC Server向核心网查询物联网终端的状态、激活物联网终端。

除与MTC Serve相关的MTCsp接口之外，与MTC-IWF相关的其他接口定义如下。

（1）MTCsh。MTC-IWF与归属位置寄存器（Home Location Register，HLR）/归属签约用户服务器（Home Subscriber Server，HSS）之间的接口，MTC-IWF可以利用MTCsh接口实现终端的签约管理、终端管理、事件上报等功能。

（2）MTCx。MTC-IWF和SGSN/MME之间的接口，用以向MTC-IWF提供物联网终端的状态信息，接收MTC-IWF对物联网终端的查询和触发等请求。

MTC-IWF的部署形式比较灵活，上述与核心网网元之间的接口，运营商可以根据物联网业务发展和自身网络情况部署，选择实现其中几个接口。

2.物联网专网网络架构

目前，物联网领域正处于快速发展的初期阶段，物联网业务量还没有真正达到万物互联互通的级别，因此运营商在开展物联网业务时，仍基于现有网络架构进行部署，但为了可以更好地支撑物联网业务，并考虑到未来的网络演进，可以通过建设物联网专用的核心网元HLR/GGSN/策略与计费规则功能单元（Policy and Charging Rules Function，PCRF）和物联网水平支撑平台（M2MSP），以实现更好地开展物联网业务的目的。基于现有移动网络的物联网专网网络架构如图2-3所示。

运营商基于现有移动网络架构提供的物联网业务，将面临着码号/地址/带宽等资源分配、终端标识及管理、签约远程管理、业务的识别及管理、网络安全机制、防盗用滥用、能力开放等多方面的新需求和挑战，采用物联网专网网络架构，仍需要对核心网元、终端、支撑平台的功能、信令、接口和协议，以及面向物联网需求和运营的策略管控机制进行深入研究。

3.物联网融合网络架构

移动通信网络的设计初衷是满足移动用户的语音业务需求。随着移动互联网业务的快速发展，为了更好地满足移动用户对数据业务不断增长的新需求，移动通信网络架构进行了一定的演进。然而，随着互联网和物联网领域的飞速发展，在未来，面对移动支付、电子商务、平安交通、电子医疗、智能家居等物联网业务的大量普及和各类新业务的出现，现有的移动网络架构将很难满足新的业务应用需求，且由于各类无线接入网络在技术及网络架构上存在较大差异，因此保证业务质量的网络融合将很难实现。随着IPv6技术的提出和逐步发展，未来的物联网网络架构可以考虑演进到基于IPv6的更扁平、全融合的网络架构，如图2-4所示。

在未来的通信网络融合架构中，无论是移动通信网络、宽带接入网络还是局域网络，均由接入单元（完成终端及业务接入）、认证服务器（完成终端及网络认证）和Gateway（完成网络及业务的互联）这三种主要逻辑单元组成，都统一以IPv6地址为唯一的网络身份认证及路由标识，并通过Gateway实现网络互联。移动通信网络中的接入单元可以称为i-NodeB，具备现有3G/LTE网络中NodeB、RNC/e-NodeB及SGSN/S-GW的功能，完成移动终端的认证、移动性管理及业务的接入、转发。认证服务器具备3G/LTE网络中HLR/HSS的功能，但认证方式和参数完全不同，不再以IMSI和MSISDN为网络标识与路由标识，而是以IPv6地址为唯一的网络身份认证及路由标识。Gateway具备3G/LTE网络中GGSN/P-GW的功能，实现网络互联及业务路由功能。

物联网融合网络架构具有结构扁平化、资源集中化、多制式融合和处理云化的特点，并且符合未来网络架构演进趋势，因此能够促进网络的统一建设和统一运维、大幅降低建网成本和运维开销、有效改进网络性能和效率、提高网络扩展性和业务能力、减少运营商支出、改善用户体验，是物联网的网络架构长期演进的重要方向［35］。