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【摘要】文章分析了以M2M为基础的物联网分层架构模型及信息特征，在此基础上提出物联网物理空间与信息空间融合的三维模型，并分析了物理空间与信息空间融合的信息特征，以及信息结构、传递路径和作用机理。
【关键词】M2M物联网三维模型物理空间信息空间信息特征
1引言
当前，以M2M业务（机器对机器通信或者人对机器通信）为代表的物联网应用高速成长，以M2M为基础的物联网分层架构模型（包括感知层、传输层和应用层）被广泛认知。但是，物联网所涉及的物理空间和信息空间的耦合关联在上述分层模型中未得到充分呈现，从而影响了物联网中业务信息特征的表述。
本文将分析当前M2M分层架构模型及业务信息特征的不足，在依托信息空间和物理空间融合关联的物联网模型的基础上，探讨其业务信息表征的特点及与M2M业务信息的差别，以利于深化对物联网的认知。
2M2M的物联网分层模型及业务信息特征
描述
当前，以M2M业务为代表的物联网分层模型，如图1所示。在此模型中，包括了感知层、网络层和应用层。而在电信运营领域，又将网络层作为实现M2M业务能力的关键。该模型的网络层分为业务网、核心网和接入网，其中业务网被视为实现物联网业务能力和运营支撑能力的核心组成部分，包括了通信业务能力层、物联网业务能力层、物联网业务接入层和物联网业务管理域，提供通信业务能力和物联网业务能力，并进行业务能力统一封装、业务路由分发、应用接入管理、业务鉴权和业务运营管理等。其中，通信业务能力层提供通信业务能力的调用；物联网业务能力层提供物联网业务能力的调用，以及终端管理、感知层管理、信息汇聚及应用开发；物联网业务接入层将通信业务能力和物联网业务能力进行封装，供统一接入和调用，并实现协议解析、适配、转发及鉴权；物联网业务管理域的功能，包括业务、接入、用户、鉴权、QoS及故障管理[3]。
在以M2M业务为代表的物联网分层模型基础上，ETSI和3GPP都制定了M2M的业务需求，包括提供可以承诺怎么写作质量的通信保障、提供端到端的业务安全、可以寻址到各种M2M终端设备、支持群组管理、终端设备远程管理、支持不同流量的数据传输、支持多种接入方式、支持终端设备数量的扩展、支持多种信息传递方式、支持具有不同移动性的终端设备以及支持终端设备的休眠模式等11种业务需求。而3GPP早在2005年9月就开展了移动通信系统支持物联网应用的可行性研究，并针对物联网业务MTC（机器对机器）的特性总结了16类网络需求[4]。
要使信息空间的网络能对物理空间的业务特征进行控制，一是网络要知悉物理空间的终端所需的业务特性，二是网络对物理空间终端所需的业务具有不同特性的控制能力。但是，表1并没有描述业务实现过程中信息的生成、传播路径以及信息的特征。另外，由于缺乏对物理空间和信息空间耦合关联问题的深入研究，现有的信息感知和决策方法等通常面向单一的应用场景和应用目标，与物联网跨行业、规模化的应用需求形成明显落差。
综上，可将M2M业务需求所反映的信息特点归纳为：（1）明确了实现M2M业务的信息类型和作用；（2）从信息承载网的角度阐述了M2M业务需求所产生的信息形态；（3）未明确M2M业务需求中信息的传递路径；（4）缺少物理空间和信息空间的信息耦合与转换特征的挖掘。
3物理空间与信息空间融合的物联网模型
从上可见，以M2M业务为代表的物联网分层模型虽然明确了物联网业务实现的流程和各层的功能分工，但并未解析物联网所涉及的物理空间和信息空间耦合关联的复杂关系。首先，连续的具有时空属性的物理空间与离散的无时空维度的信息空间具有极大的差异性，信息空间和物理空间属性耦合关联的分析与描述极为困难。物联网要实现物理空间和信息空间的感知互动，涉及环境、感知、网络、处理、怎么写作等各个环节和作用域的协同处理与反馈，而其内在耦合关联信息的表征是上述协作机制的基础。
物联网客体之间的交互要比互联网复杂得多，比如，智能手机的人机交互过程通常是不被监控的，而汽车驾驶员观察仪表和显示屏、接受导航信息并操作汽车的过程则被看成是汽车驾驶和操作行为，必须被纳入闭环的控制过程中，因而物联网所连接的客体中的操作系统需要具备全新的特征。由此，需要建立物联网信息空间和物理空间的关联模型，并体现物联网的特殊性。物联网与互联网存在显著差异，其一是物联网需要直接连接和感知物品，其二是物联网需要
物联网的概念模型是网络世界与物理世界融合的模型，可从信息物品、自主网络、智能应用三个维度反映物联网的体系结构，较为完整地探讨物联网的本质特征，见图2。
物联网首先需要包括物品的功能维度，这是传统网络不具备的维度。连接到物联网的物品可以称为信息物品，这些物品具备的基本功能包括：具有电子标识、可以传递信息；构成物联网的网络需要连接多种物品，这类网络至少具有自配置和自保护的功能，属于自主网络； 物联网的应用都是与物品相关的应用，这些应用至少能自动采集、传递和处理数据，自动进行例行的控制，属于智能应用。在图2中，信息物品、自主网络与智能应用三个功能部件的重叠部分就是具有全部物联网特征的物联网系统，可以称为物联网基础设施，提供包括不同应用领域的物品标识、物品空间位置识别、物品数据特征验证和隐私保护等怎么写作，这个部分组成了公共物联网的核心。
物联网基础设施类技术包括：
（1）物品的统一标识和标准网络接入技术，即全球统一的、面向各个应用领域的物品统一标识技术以及标准的网络接入技术，信息物品是这类技术的主要载体，标准的网络接入技术需要依赖于自主网络。
（2）物理化网络系统技术， 包括支持现实世界空间坐标系的网络接入和网络互连技术，支持现实世界统一时间体系的网络操作技术等，自主网络是这类技术的主要载体。（3）自主网络技术，包括网络系统的自配置、自愈合、自优化和自保护的技术，自主网络是这类技术的主要载体。
（4）网
（5）网络数据融合和决策技术，包括网络环境下多种数据的融合、多类数据的实时挖掘和实时决策技术，这类技术的载体是智能应用，属于智能应用的网络侧技术。
因此，在物理空间与信息空间融合的物联网中，其信息必然不同于分层结构的通信网络，在信息类型与形式、信息采集与传递、信息控制与应用、信息存储与处理等方面具有明显的特征。
4物理空间与信息空间融合信息的特征
从物理空间与信息空间融合的角度看，物联网信息可以分为物品信息、物品传感信息和物品行为控制信息。
在物理空间与信息空间之间存在双向的信息流动，既有从物理空间中获取信息形成信息空间的组成过程，即物理空间→信息空间；也有从信息空间向物理空间提供信息的反馈过程，即信息空间→物理空间。这样信息流动不但是双向的，而且二者之间存在对偶关系。这种对偶关系包括两个方面，即从物理空间到信息空间的关系是通过传感器从物理空间获得原始数据，并经过处理和分析产生与物理空间在各个层次上的对应关系；从信息空间到物理空间的关系是通过建立不同层次的对应关系，把信息空间中的相关数据和信息按照需求发送与映射到物理空间的物体上。
在物理空间与信息空间的对偶及融合中，两个流向的信息的特征是不同的，见图3。从物理空间到信息空间的信息流，是通过传感器获取的物理空间的原始数据；而从信息空间到物理空间的信息流，是在信息空间形成的不同层次的数据，如特征、表面、物体（包括物体之间的关系）、事件、场景以及语义描述和上下文等层次的数据流。因此，信息空间的信息是有组织和实现了结构化的。信息空间应在理解用户的命令、意图和用户的所处环境的基础上，按用户要求对信息进行重新组织，并以合适的方式返回到物理空间。
也可从物联网三个维度的概念模型（信息物品、自主网络、智能应用三维模型）分析物联网的信息特征。物联网体系结构中三类功能部件之间的相互关系，不同于传统网络分层体系结构定义的功能部件之间的相互关系，即三类功能部件之间不再是分层的怎么写作调用和怎么写作提供的关系[2-5]。
信息物品需要依赖自主网络提供的接入网络怎么写作，使其成为物联网系统可以识别和访问的物品；智能应用需要依赖于自主网络提供的数据传递、远地怎么写作访问功能，实现网络环境下的数据传递和怎么写作调用；自主网络需要依赖信息物品的标识，自动选择相关的网络接入协议和配置协议，提供接入信息物品的怎么写作；自主网络需要依赖智能应用的需求，确定相应的怎么写作质量以及可能的写作怎么写作；智能应用需要依赖于信息物品的数据语义，进行相关的处理和决策，确定对于信息物品的操作；信息物品依赖于智能应用的需求，确定提供信息的类型以及可以执行的相关操作。
从上述分析可见，物联网的三维体系结构中，其信息结构、传递路径和信息作用机制都体现了物理空间与信息空间的融合及相互转换，与当前以M2M业务为代表的物联网分层模型所表述的信息特征存在很大差别。
5结束语
由于物理空间和信息空间的强关联性、非确定性和高度混杂性等，在物联网的信息生成、信息结构、传递路径和信息内涵等特征表述上还存在着诸多的挑战，现有的M2M业务分层理论模型和方法难以应对上述挑战。因此，迫切需要全面深入地分析物理空间和信息空间的耦合机理，深入挖掘感知互动的机制和方法，寻找系统内在的信息生成、传递和作用机制，为物联网的应用与发展奠定理论基础。
参考文献：
徐光佑,陶霖密,等. 物理与信息空间耦合[J]. 科学通报, 2006,51(5).
沈苏彬,毛燕琴,等. 物联网概念模型与体系结构[J]. 南京邮电大学学报, 2010(8).
[3] 彭巍,肖青. 物联网业务体系架构演进研究[J]. 移动通信, 2010(15).
[4] 史敏锐. 移动通信网承载物联网业务的研究[J]. 电信科学, 2010(4).
[5] 沈苏彬. 物联网参考模型的分析[J]. 电信网技术, 2012
(3). ★
【关键词】M2M物联网三维模型物理空间信息空间信息特征
1引言
当前，以M2M业务（机器对机器通信或者人对机器通信）为代表的物联网应用高速成长，以M2M为基础的物联网分层架构模型（包括感知层、传输层和应用层）被广泛认知。但是，物联网所涉及的物理空间和信息空间的耦合关联在上述分层模型中未得到充分呈现，从而影响了物联网中业务信息特征的表述。
本文将分析当前M2M分层架构模型及业务信息特征的不足，在依托信息空间和物理空间融合关联的物联网模型的基础上，探讨其业务信息表征的特点及与M2M业务信息的差别，以利于深化对物联网的认知。
2M2M的物联网分层模型及业务信息特征
描述
当前，以M2M业务为代表的物联网分层模型，如图1所示。在此模型中，包括了感知层、网络层和应用层。而在电信运营领域，又将网络层作为实现M2M业务能力的关键。该模型的网络层分为业务网、核心网和接入网，其中业务网被视为实现物联网业务能力和运营支撑能力的核心组成部分，包括了通信业务能力层、物联网业务能力层、物联网业务接入层和物联网业务管理域，提供通信业务能力和物联网业务能力，并进行业务能力统一封装、业务路由分发、应用接入管理、业务鉴权和业务运营管理等。其中，通信业务能力层提供通信业务能力的调用；物联网业务能力层提供物联网业务能力的调用，以及终端管理、感知层管理、信息汇聚及应用开发；物联网业务接入层将通信业务能力和物联网业务能力进行封装，供统一接入和调用，并实现协议解析、适配、转发及鉴权；物联网业务管理域的功能，包括业务、接入、用户、鉴权、QoS及故障管理[3]。
在以M2M业务为代表的物联网分层模型基础上，ETSI和3GPP都制定了M2M的业务需求，包括提供可以承诺怎么写作质量的通信保障、提供端到端的业务安全、可以寻址到各种M2M终端设备、支持群组管理、终端设备远程管理、支持不同流量的数据传输、支持多种接入方式、支持终端设备数量的扩展、支持多种信息传递方式、支持具有不同移动性的终端设备以及支持终端设备的休眠模式等11种业务需求。而3GPP早在2005年9月就开展了移动通信系统支持物联网应用的可行性研究，并针对物联网业务MTC（机器对机器）的特性总结了16类网络需求[4]。
要使信息空间的网络能对物理空间的业务特征进行控制，一是网络要知悉物理空间的终端所需的业务特性，二是网络对物理空间终端所需的业务具有不同特性的控制能力。但是，表1并没有描述业务实现过程中信息的生成、传播路径以及信息的特征。另外，由于缺乏对物理空间和信息空间耦合关联问题的深入研究，现有的信息感知和决策方法等通常面向单一的应用场景和应用目标，与物联网跨行业、规模化的应用需求形成明显落差。
综上，可将M2M业务需求所反映的信息特点归纳为：（1）明确了实现M2M业务的信息类型和作用；（2）从信息承载网的角度阐述了M2M业务需求所产生的信息形态；（3）未明确M2M业务需求中信息的传递路径；（4）缺少物理空间和信息空间的信息耦合与转换特征的挖掘。
3物理空间与信息空间融合的物联网模型
从上可见，以M2M业务为代表的物联网分层模型虽然明确了物联网业务实现的流程和各层的功能分工，但并未解析物联网所涉及的物理空间和信息空间耦合关联的复杂关系。首先，连续的具有时空属性的物理空间与离散的无时空维度的信息空间具有极大的差异性，信息空间和物理空间属性耦合关联的分析与描述极为困难。物联网要实现物理空间和信息空间的感知互动，涉及环境、感知、网络、处理、怎么写作等各个环节和作用域的协同处理与反馈，而其内在耦合关联信息的表征是上述协作机制的基础。
物联网客体之间的交互要比互联网复杂得多，比如，智能手机的人机交互过程通常是不被监控的，而汽车驾驶员观察仪表和显示屏、接受导航信息并操作汽车的过程则被看成是汽车驾驶和操作行为，必须被纳入闭环的控制过程中，因而物联网所连接的客体中的操作系统需要具备全新的特征。由此，需要建立物联网信息空间和物理空间的关联模型，并体现物联网的特殊性。物联网与互联网存在显著差异，其一是物联网需要直接连接和感知物品，其二是物联网需要
源于：大学生毕业论文www.udooo.com
处理物品相关数据。构建独立于任何具体应用领域的抽象物联网参考模型，可以形成在不同应用领域之上的统一的物联网概念模型。物联网的概念模型是网络世界与物理世界融合的模型，可从信息物品、自主网络、智能应用三个维度反映物联网的体系结构，较为完整地探讨物联网的本质特征，见图2。
物联网首先需要包括物品的功能维度，这是传统网络不具备的维度。连接到物联网的物品可以称为信息物品，这些物品具备的基本功能包括：具有电子标识、可以传递信息；构成物联网的网络需要连接多种物品，这类网络至少具有自配置和自保护的功能，属于自主网络； 物联网的应用都是与物品相关的应用，这些应用至少能自动采集、传递和处理数据，自动进行例行的控制，属于智能应用。在图2中，信息物品、自主网络与智能应用三个功能部件的重叠部分就是具有全部物联网特征的物联网系统，可以称为物联网基础设施，提供包括不同应用领域的物品标识、物品空间位置识别、物品数据特征验证和隐私保护等怎么写作，这个部分组成了公共物联网的核心。
物联网基础设施类技术包括：
（1）物品的统一标识和标准网络接入技术，即全球统一的、面向各个应用领域的物品统一标识技术以及标准的网络接入技术，信息物品是这类技术的主要载体，标准的网络接入技术需要依赖于自主网络。
（2）物理化网络系统技术， 包括支持现实世界空间坐标系的网络接入和网络互连技术，支持现实世界统一时间体系的网络操作技术等，自主网络是这类技术的主要载体。（3）自主网络技术，包括网络系统的自配置、自愈合、自优化和自保护的技术，自主网络是这类技术的主要载体。
（4）网
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络化物理系统技术，包括联网嵌入式软件的实时处理技术、可靠处理技术，这类技术的载体是智能应用，属于智能应用的物理装置端技术。（5）网络数据融合和决策技术，包括网络环境下多种数据的融合、多类数据的实时挖掘和实时决策技术，这类技术的载体是智能应用，属于智能应用的网络侧技术。
因此，在物理空间与信息空间融合的物联网中，其信息必然不同于分层结构的通信网络，在信息类型与形式、信息采集与传递、信息控制与应用、信息存储与处理等方面具有明显的特征。
4物理空间与信息空间融合信息的特征
从物理空间与信息空间融合的角度看，物联网信息可以分为物品信息、物品传感信息和物品行为控制信息。
在物理空间与信息空间之间存在双向的信息流动，既有从物理空间中获取信息形成信息空间的组成过程，即物理空间→信息空间；也有从信息空间向物理空间提供信息的反馈过程，即信息空间→物理空间。这样信息流动不但是双向的，而且二者之间存在对偶关系。这种对偶关系包括两个方面，即从物理空间到信息空间的关系是通过传感器从物理空间获得原始数据，并经过处理和分析产生与物理空间在各个层次上的对应关系；从信息空间到物理空间的关系是通过建立不同层次的对应关系，把信息空间中的相关数据和信息按照需求发送与映射到物理空间的物体上。
在物理空间与信息空间的对偶及融合中，两个流向的信息的特征是不同的，见图3。从物理空间到信息空间的信息流，是通过传感器获取的物理空间的原始数据；而从信息空间到物理空间的信息流，是在信息空间形成的不同层次的数据，如特征、表面、物体（包括物体之间的关系）、事件、场景以及语义描述和上下文等层次的数据流。因此，信息空间的信息是有组织和实现了结构化的。信息空间应在理解用户的命令、意图和用户的所处环境的基础上，按用户要求对信息进行重新组织，并以合适的方式返回到物理空间。
也可从物联网三个维度的概念模型（信息物品、自主网络、智能应用三维模型）分析物联网的信息特征。物联网体系结构中三类功能部件之间的相互关系，不同于传统网络分层体系结构定义的功能部件之间的相互关系，即三类功能部件之间不再是分层的怎么写作调用和怎么写作提供的关系[2-5]。
信息物品需要依赖自主网络提供的接入网络怎么写作，使其成为物联网系统可以识别和访问的物品；智能应用需要依赖于自主网络提供的数据传递、远地怎么写作访问功能，实现网络环境下的数据传递和怎么写作调用；自主网络需要依赖信息物品的标识，自动选择相关的网络接入协议和配置协议，提供接入信息物品的怎么写作；自主网络需要依赖智能应用的需求，确定相应的怎么写作质量以及可能的写作怎么写作；智能应用需要依赖于信息物品的数据语义，进行相关的处理和决策，确定对于信息物品的操作；信息物品依赖于智能应用的需求，确定提供信息的类型以及可以执行的相关操作。
从上述分析可见，物联网的三维体系结构中，其信息结构、传递路径和信息作用机制都体现了物理空间与信息空间的融合及相互转换，与当前以M2M业务为代表的物联网分层模型所表述的信息特征存在很大差别。
5结束语
由于物理空间和信息空间的强关联性、非确定性和高度混杂性等，在物联网的信息生成、信息结构、传递路径和信息内涵等特征表述上还存在着诸多的挑战，现有的M2M业务分层理论模型和方法难以应对上述挑战。因此，迫切需要全面深入地分析物理空间和信息空间的耦合机理，深入挖掘感知互动的机制和方法，寻找系统内在的信息生成、传递和作用机制，为物联网的应用与发展奠定理论基础。
参考文献：
徐光佑,陶霖密,等. 物理与信息空间耦合[J]. 科学通报, 2006,51(5).
沈苏彬,毛燕琴,等. 物联网概念模型与体系结构[J]. 南京邮电大学学报, 2010(8).
[3] 彭巍,肖青. 物联网业务体系架构演进研究[J]. 移动通信, 2010(15).
[4] 史敏锐. 移动通信网承载物联网业务的研究[J]. 电信科学, 2010(4).
[5] 沈苏彬. 物联网参考模型的分析[J]. 电信网技术, 2012
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