物联网技术深度解析

本文来自机械工业出版社出版的《智慧城市与智能网联汽车，融合创新发展之路》一书。

“物联网（The Internet of things，IoT）”是指通过感知设备，按照约定协议，连接物、人、系统和信息资源，实现对物理和虚拟世界的信息处理，并做出反应的智能服务系统，具有全面感知、稳定连接和智能处理三大基本特征。IDC数据显示，2022年全球物联网市场规模约为7300亿美元，2027年预计接近1.2万亿美元，五年复合增长率为10.4%。

（一）物联网概述

我国物联网用户规模快速扩大。据工信部数据，截至2022年底，连接数达18.45亿户，比2021年底净增4.47亿户，占全球总数的70%。移动物联网连接数快速增长，“物”连接快速超过“人”连接。截至2022年底，我国移动网络的终端连接总数已达35.28亿户，其中代表“物”连接数的移动物联网终端用户数较移动电话用户数高1.61亿户，占移动网终端连接数的比重达52.3%。

我国物联网产业链持续完善。已形成涵盖芯片、模组、终端、软件、平台和服务等环节的较为完整的移动物联网产业链。窄带物联网已形成水表、气表、烟感、追踪类4个千万级应用，白电、路灯、停车、农业等7个百万级应用。移动物联网终端应用于公共服务、车联网、智慧零售、智能家居等领域的规模分别达4.96亿、3.75亿、2.5亿和1.92亿户。

我国物联网应用场景不断丰富。物联网应用主要分为产业、公共和生活三大类，下游细分市场主要集中在智慧城市、工业互联网、健康物联网、智能家居、车联网等领域。其中智慧城市、工业互联网和健康物联网三项所占份额较大，为物联网在我国的主要应用领域，如图1所示。

图1 国内物联网应用分布图

“十四五”时期，将面向重点场景实现移动物联网网络深度覆盖，形成固移融合、宽窄结合的基础网络，加快移动物联网技术与千行百业的协同融合，推动经济发展提质增效、社会服务智能高效、百姓生活方便快捷。

（二）物联网技术架构

物联网技术架构分为四层，分别为感知层、网络层、平台层和应用层。感知层的功能是实现智能终端的信息采集，主要涉及芯片、模组及传感器等感知设备，其中无线通信模组是连接物联网感知层和网络层的关键环节；网络层实现信息、数据的传输，通信网络为核心技术，分为短距离即局域网传输（WiFi、蓝牙和Zigbee等）和长距离及广域网传输（NB-IoT、LoRa、2G/3G/4G/5G等）；平台层对数据、信息进行存储和分析，物联网云平台和操作系统是核心，分为连接管理、设备管理；应用层利用有价值的数据发展应用软件和行业解决方案，实现数据增值，包括物流、交通、安防、能源等各行各业。

（1）感知层

感知层主要功能为采集外部信息，具有感知与收集信息的能力。主要包括各类基础芯片、传感器及射频识别技术、二维码技术和蓝牙技术等感知装置。目前较为重要的技术包括微机电系统及射频识别技术。

微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）具有高性能、低功耗和高集成度优势，成为感知层最重要的技术之一。随着新型传感器出现，以及芯片制程和功能更加先进，对MEMS尺寸和功耗要求更高。传感器将各种物理量、化学量、生物量转化为可测量的电信号，满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。目前传感器与MEMS结合成为趋势，MEMS传感器集成通信、CPU、电池等组件及多种传感器，具有体积小、重量轻、成本低、可批量生产、易集成等特性，能够使产品更加智能，在消费电子和医疗领域应用广泛。随着MEMS、数据算法等技术的发展并与传感器深入结合，未来的传感器系统将更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。

射频识别（Radio Frequency IDentification，RFID）已经比较成熟，在物流、销售领域大规模应用多年。RFID是一种无线通信技术，无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触就可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据。信号通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传送出去，以自动辨识与追踪该物品。一条完整的RFID产业链包括标准、芯片、天线、标签封装、读写设备、中间件、应用软件、系统集成等，其中最关键的技术是芯片的设计与制造。

（2）网络层

网络层是是物联网设备实现连接的通道，也是目前物联网产业链中最成熟的环节，包括蜂窝通信网、局域网、广域网等，核心包括通信技术及承载通信技术的模组。物联网通信技术分为有线通信技术和无线通信技术，由于有线通信技术难以满足万物互联的要求，因此主流为无线通信技术，主要分为两大类：一类是短距离通信技术，包括蓝牙（Bluetooth），Zigbee，WiFi，NFC，目前主要应用于室内智能家居，消费电子等场景；第二类是远距离通信技术，包括蜂窝通信技术2G/3G/4G/5G及低功率广域网络（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）技术LoRa、Sigfox，而eMTC和NB-IoT既属于蜂窝通信技术，又属于LPWAN技术。

不同的行业应用或设备要求的通信距离和数据传输速度不同，所需的网络条件质量不一。一般来说，终端固定，对网络延迟要求较低的行业如传感器、智能停车场、智能农业等，低速率（<1Mbps）即可；而对于移动终端，对网络延迟要求高，或者传输数据量大的应用，如视频监控、车联网等，则需要高速率（>10Mbps）。

多样化需求催生了LPWAN技术的发展。LPWAN技术是专为低速率、低功耗、广覆盖及大连接的物联网应用场景而设计，目前主流的LPWAN技术有NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）、eMTC、LoRa（Long Range）和Sigfox。

eMTC被看作是国际标准LTE技术（4G）的一种特性，相较于其它三种技术能提供更高的速率与更强的移动性支撑；NB-IoT由通信行业最具权威的标准化组织3GPP制定，并由国际电信联盟ITU批准，属于国际标准；Sigfox与LoRa的核心技术分别掌握在法国Sigfox与美国Semtech公司手中。

eMTC和NB-IoT在技术参数上存在明显不同，其中最主要的差异点在带宽、速率和覆盖增强。eMTC是基于LTE演进的物联网接入技术，与NB-IoT一样使用的是授权频谱，但eMTC支持高速移动可靠性，较NB-IoT而言，eMTC在时延和吞吐量有较大优势。NB-IoT追求更低的成本、更长的续航时间，比较适合对成本敏感但是终端数量较大，且无移动性的应用场景如水、电、热、气表等，与eMTC形成互补。

NB-IoT拥有四大特点，完美契合物联网要求。首先，低功耗，NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用，因此NB-IoT设备功耗极低；其次，低成本，NB-IoT可以在现有的LTE网络基础上进行改造，进而快速完成组网；第三，大连接数，在一定的空间内，多设备不会产生互相干扰，NB-IoT足以轻松满足未来智慧家庭中大量设备联网需求；第四，广覆盖，可满足空旷地区与地下覆盖。事实上NB-IoT也是最适合于运营商的LPWAN技术，优势明显。

5G在物联网领域的应用潜力尚未完全发掘，其中最主要的制约因素之一就是居高不下的成本。在5G物联网技术体系中，5G NR能力最强，可提供高速率、高性能的连接，满足100Mbps以上超高速率需求的物联网业务。而物联⽹应⽤场景复杂、各⾏各业甚⾄个别客户的诉求差异化明显，导致实际⽤户对⽹络指标要求并不一致，有些商用场景并不需要那么极致的性能，全部采用5G NR将造成较大的性能溢出，提高终端使用成本，影响网络普及进程，影响5G网络发展。

⽐如，在⾼度⾃动化的智慧⼯⼚⾥，虽然5G的超⼤带宽和超低时延⾼可靠特性，能够满⾜⼯业机器⼈精准控制的需求。但⼯⼚中往往还有很⼤⼀部分设备如视频传输、⼯业传感设备等，往往不需要那么极致的性能，但⼜需要⽐mMTC（NB-IoT和eMTC）更⾼性能，⽐4G⽹络更低时延的连接⽀持。

因此，为了兼顾5G网络性能与成本，3GPP在R17中提出5G轻量级（Reduced-Capability，RedCap）终端。在继承5G NR关键特性的同时，RedCap降低了对数据速率、时延等的要求，同时降低设备成本、复杂性和功耗等。RedCap与eMBB、uRLLC和mMTC典型性能比较如图2所示。

图2 RedCap与eMBB、uRLLC和mMTC典型性能比较

时延⽅⾯，uRLLC的⽬标时延为1ms，RedCap应⽤在⼯业传感器的⽬标时延低于100ms，视频监控的⽬标时延低于500ms；传输速率⽅⾯，eMBB的⽬标峰值速率在下⾏链路中可达20Gbit/s，在上⾏链路中可达10Gbit/s，⽽要求最⾼的RedCap应⽤，例如可穿戴设备，其下⾏链路要求为150Mbit/s，上⾏链路要求为50Mbit/s；在电池寿命⽅⾯，mMTC的⽬标是10-15年，⽽对于RedCap应⽤来说，⼯业传感器的⽬标是⼏年，可穿戴设备的⽬标是⼀到两周。

RedCap技术的提出，补齐了5G移动物联网技术体系，形成能够满足低、中、高不同速率要求，兼顾不同性能与成本，且4G/5G协同的网络体系。随着5G-Advanced技术的发展和商用，RedCap还将支持当前Cat1所覆盖的中速率场景，蜂窝无源互联网可支持更低速率、零功耗的千亿级物联，形成全场景5G移动物联网技术体系，全面助力行业数字化转型。移动物联网技术体系如图3所示。

图3 移动物联网技术体系

具体来看，在移动物联网技术体系中：

a）面向超高速率场景（>100Mbps），由5G NR承载；

b）面向高速率场景（10-100Mbps），由4G Cat4和5G RedCap承载，未来逐步全部由5G RedCap承载；

c）面向中速率场景 (100kbps-10Mbps)，由4G Cat1承载，未来随着5G R18标准版本完善，RedCap也具备承载该场景的能力；

d）面向低速率场景(10-100kbps)，由NB-IOT承截，是5G低功耗大连接场景的主要技术；

e）面向更低速率场景(<10kbps)，正在研究的蜂窝无源物联网技术，是5G-Advanced关键技术方向之一，以其更低成本、零功耗的优势可支持物流仓储管理、货物追踪、资产盘存等千亿级物联场景。

在众多5G应用场景中，3GPP提出了三类RedCap典型应用场景：工业无线传感器、视频监控、可穿戴设备，关键指标要求见表1。

表1 3GPP RedCap典型场景及关键指标要求

工业无线传感器场景，覆盖行业较为广泛，包含制造业、钢铁、矿山、石化等行业，RedCap在工业领域主要是以数据采集类应用为主。这类数据采集类应用对接企业平台系统，特点是数量规模较大，对终端成本控制要求严。设备包括工业环境中的工业控制类、传感器数采类、预测性维护、物流AGV、扫码枪、打印机、AI机器视觉等。数据速率往往小于2Mbps，电池使用寿命要求至少可持续几年。预估5G的市场空间在20万/年，逐步提升到百万/年的连接数。

广域的视频监控场景是RedCap规模发展的重要领域，预估监控摄像头规模可突破亿级。通过将5G终端模组与监控摄像机集成，为视频监控提供灵活、低成本的回传手段，其典型业务需求如下：经济型视频监控的参考速率要求为2-4Mbps，高端型视频监控的速率要求为7.5-25Mbps，业务量以上行为主；视频监控业务的时延要求小于500ms；通信可靠性要求在99%-99.9%之间。

可穿戴设备场景，主要特点是尺寸比较小，采用电池供电，对5G模组的尺寸和功耗有较高要求，且对广覆盖有要求。主要包括智能手表、智能手环、医疗监控设备等，普遍要求设备体积小、功耗低。下行参考速率为5-50Mbps、上行参考速率为2-5Mbps，下行峰值速率为150Mbps、上行峰值速率为50Mbps；电池的理想工作续航为数天甚至1-2周。

（3）平台层

物联网云平台以PaaS平台为主，向下通过网络层与感知层相连，汇聚终端收集到的信息流并对数据进行处理、分析、优化等，向上服务于应用层，为应用服务商提供应用开发的基础平台及连接物理世界的统一数据接口。功能包括云计算、数据管理、应用使能、连接管理、设备管理、业务分析等。

平台层是整个物联网体系中承上启下的关键部分。一方面，它能够帮助底层终端设备实现“管、控、营”的一体化，从而为上层提供应用开发和统一接口，将设备端和业务端连接起来。另一方面，为业务融合、数据价值孵化提供了条件，有利于产业整体价值的提升。主要包括连接管理平台CMP（Connectivity Management Platform）、设备管理平台DMP（Device Management Platform）、应用使能平台AEP（Application Enablement Platform）和业务分析平台BAP（Business Analytics Platform）四部分。

（4）应用层

应用层位于物联网最顶层，可以对感知层采集数据进行计算、处理和知识挖掘，从而实现对物理世界的实时控制、精确管理和科学决策。在物联网应用领域，从不同的驱动力出发，可分为消费驱动型、政府驱动型以及产业驱动型应用。其中，消费驱动型主要面向个人消费者，如智慧家庭、智能穿戴等；政策驱动型则与城市管理、民生有关，如智慧消防、照明等；产业驱动型则更多由相关企业看好并推动，如工业互联网、车联网等。

（三）物联网的智慧城市应用

在智慧城市领域，物联网作为技术支撑，可以有效融合信息技术与城市建设，提升城市管理效率，改善人民生活质量。可以说，智慧城市发展是建立在物联网“万物互联”基础之上，物联网为智慧城市提供了庞大的感知网络，是实现智慧城市建设的关键因素和技术基石，而智慧城市则是物联网发展的具体应用，对比物联网技术架构与智慧城市架构也可发现二者较为相似。

AIoT（AI+IoT），即人工智能物联网，是人工智能技术与物联网在实际场景落地中相互融合的产物，其并非新技术，而是一种新的物联网应用形态，是通往真正意义上的“万物智联”的必经之路。智慧城市ICT信息技术架构与AIoT产业架构高度适配，是AIoT应用最佳实验场，随着智慧城市进入全面发展期，AIoT应用解决方案将在民生服务、城市治理、产业经济、生态宜居四大场景中大规模落地。

民生服务场景由群众“点菜”，政府“送餐”，十四五期间，居民对就业、医疗、养老、教育四大民生福祉最为关注，政府推动民生服务数字化转型重点关注数据共享、一网通办、智能技术普惠。整体解决方案中，感知层需扩大数据采集覆盖度，网络层及平台层注重优化数据共享整合，应用层面向主体及场景高度碎片化，需利用模块化思维降低方案成本，提高交付效率。

城市治理以政府为主、企业参与为辅，从数据资源化角度看，当前城市政务数据与社会数据之间融合利用存在鸿沟，亟需推动两者有效融合，形成城市治理强大合力，从而促进城市要素集约化治理。整体解决方案中，需推动人工智能与物联感知融合，实现城市物理空间与数字空间精准映射、智能运行，最终建成“万物智联”的城市全要素感知体系，例如城市信息模型、三维实景建模、数字孪生城市等。

产业经济主要发展方向为数字经济，智慧城市是数字经济发展的重要载体，随着产业数字化占比不断提升，农业、工业继服务业之后将加速数字化转型，具体建设需求主要受城市数字经济发展路径影响。整体解决方案中，需要促进行业、企业全生产力要素数字化转型，围绕业务形态、流程、平台等创新应用模式，在垂直细分领域打造出行业标杆案例。

生态宜居场景。中国宣布要在2030年前实现碳达峰，在2060年实现碳中和。城市二氧化碳排放量占整体排放量的60%以上，是碳中和的主阵地，具体建设将以建筑、电力、生物资源、工业、交通等场景作为重要载体。整体解决方案中，需要AIoT服务商主动将节能减排技术融入数字化转型解决方案中，整体交付给用户，原因在于除重污染、高耗能类企业外，当前大部分行业和企业缺乏自主节能减排能力，并且缺乏动力投入建设。

在物联网连接数增长驱动下，AIoT最终应用将经历单品智能、互联智能、主动智能三大阶段。单机智能阶段，单机设备精准感知、识别和理解用户指令，设备间无法主动互联，由用户发起交互需求，此阶段下可通过改善单个设备的用户体验，提升具体场景下特定设备的智能化水平；互联智能阶段，采用“一个云/中控，多个终端/传感器”模式，打破单品智能的孤岛效应，不断升级智能化场景体验，人工智能软件算法和硬件算力逐步完善，随之在物联网领域持续渗透，场景化互联智能将成为现实；主动智能阶段，智能系统具备自感应、自学习、自适应、自提高能力，无需等待用户提出需求，人工智能技术由“弱人工智能”向“强人工智能”发展，推动主动智能实现。

在智慧城市领域中，AIoT产业正处于由单品智能向互联智能过渡的关键阶段，优化方向为提高人工智能技术渗透率，升级场景化智能体验。

智慧城市领域的AIoT参与者包括通信企业、互联网企业、IT服务类企业、运营商及垂直行业企业。通信企业在物联网专有网络及基础设施上具备核心优势，掌握物联网芯片、LPWAN等核心技术；互联网企业具备庞大的用户群（个体消费者或企业）及技术优势，结合企业基因及战略规划布局物联网业务；IT服务类企业的核心优势是云服务业务；运营商基于数量庞大的物联网连接设备发展管理平台；垂直行业企业重点深挖物联网在各自所在行业的创新应用。

（四）物联网发展趋势

物联网呈现如下发展趋势：

（1）物联网结构将发生变化。随着物联网加速向各行业渗透，行业的信息化和联网水平不断提升，产业物联网连接数占比将提速。据GSMA预测，产业互联网设备的联网数将在2024年超过消费者互联网的连接数。2019年中国互联网连接数中产业互联网和消费者市场各占一半，预计到2025年，物联网连接数的大部分增长来自产业市场，产业物联网的连接数将占到总体的61.2%。

（2）产业融合促进物联网形成“链式效应”。产业物联网的进一步发展对产品设计、生产、流通等各环书的互通提出新的需求，而“物联网＋区块链”（BIoT）为企业内和关联企业间的环节打通提供了重要方式。链式效应主要体现在两个方面：一是基于BIoT完成产品某一环节的链式信息互通，如产品出厂后物流状态的全程可信追踪；二是基于BIoT的更大范国的不同企业间价值链共享，如多个企业协同完成复杂产品的大规模出厂，其中涉及产品不同部件协同生产，包括设计、供应、制造、物流等更多环节互通。

（3）智能化促进物联网部分环节价值凸显。一是端侧，随着物联网应用的行业渗透面不断加大，数据实时分析、处理、决策和自治等边缘智能化需求增加。据IDC相关数据显示，未来超过50%的数据需要在网络边缘侧分析、处理和存储。边缘智能的重要性获得普遍重视，产业界正在积板探索边侧智能化能力提升和云边协同发展；二是业务侧，据GSMA最新预测显示，到2025年，物联网上层的平台、应用和服务带来的收入占比将超过物联网收入的67%，成为价值增速最快的环节，而物联网连接收入占比仅为5%，因此物联网联网数量的指数级增加，以服务为核心、以业务为导向的新型智能化业务应用将获得更多发展。

（4）互动化促进物联网向“可定义基础设施”迈进，与上层应用形成闭环迭代。“可定义物联网基础设施”是指用户可基于自身需求定制物联网软硬件基础设施的支撑能力。可定义基础设施包括面向不同行业需求的基础设施资源池，提供应用开发管理、网络资源调度、硬件设置等覆盖全面的共性文撑能力。现阶段，远营商等企业已经开始探索以业务需求为导向的网络基础设施自动配置能力，如意图网络、算力网络等。可定义基础设施有助于降低物联网应用开发复杂性，推动物联网规模化应用拓展，而物联网规模应用拓展则反向促进可定义基础设施持续升级、能力完备及整合，形成闭环迭代，实现能力的螺旋式上升。

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吴冬升 博士