1 引言
當前，以M2M業務（機器對機器通信或者人對機器通信）為代表的物聯網應用高速成長，以M2M為基礎的物聯網分層架構模型（包括感知層、傳輸層和應用層）被廣泛認知。但是，物聯網所涉及的物理空間和信息空間的耦合關聯在上述分層模型中未得到充分呈現，從而影響了物聯網中業務信息特征的表述。
本文將分析當前M2M分層架構模型及業務信息特征的不足，在依托信息空間和物理空間融合關聯的物聯網模型的基礎上，探討其業務信息表征的特點及與M2M業務信息的差別，以利于深化對物聯網的認知。
2 M2M的物聯網分層模型及業務信息特征
圖1 以M2M業務為代表的物聯網分層模型
當前，以M2M業務為代表的物聯網分層模型，如圖1所示。在此模型中，包括了感知層、網絡層和應用層。而在電信運營領域，又將網絡層作為實現M2M業務能力的關鍵。該模型的網絡層分為業務網、核心網和接入網，其中業務網被視為實現物聯網業務能力和運營支撐能力的核心組成部分，包括了通信業務能力層、物聯網業務能力層、物聯網業務接入層和物聯網業務管理域，提供通信業務能力和物聯網業務能力，并進行業務能力統一封裝、業務路由分發、應用接入管理、業務鑒權和業務運營管理等。其中，通信業務能力層提供通信業務能力的調用；物聯網業務能力層提供物聯網業務能力的調用，以及終端管理、感知層管理、信息匯聚及應用開發；物聯網業務接入層將通信業務能力和物聯網業務能力進行封裝，供統一接入和調用，并實現協議解析、適配、轉發及鑒權；物聯網業務管理域的功能，包括業務、接入、用戶、鑒權、QoS及故障管理[3]。
在以M2M業務為代表的物聯網分層模型基礎上，ETSI和3GPP都制定了M2M的業務需求，包括提供可以承諾服務質量的通信保障、提供端到端的業務安全、可以尋址到各種M2M終端設備、支持群組管理、終端設備遠程管理、支持不同流量的數據傳輸、支持多種接入方式、支持終端設備數量的擴展、支持多種信息傳遞方式、支持具有不同移動性的終端設備以及支持終端設備的休眠模式等11種業務需求。而3GPP早在2005年9月就開展了移動通信系統支持物聯網應用的可行性研究，并針對物聯網業務MTC（機器對機器）的特性總結了16類網絡需求[4]。
要使信息空間的網絡能對物理空間的業務特征進行控制，一是網絡要知悉物理空間的終端所需的業務特性，二是網絡對物理空間終端所需的業務具有不同特性的控制能力。但是，表1并沒有描述業務實現過程中信息的生成、傳播路徑以及信息的特征。另外，由于缺乏對物理空間和信息空間耦合關聯問題的深入研究，現有的信息感知和決策方法等通常面向單一的應用場景和應用目標，與物聯網跨行業、規模化的應用需求形成明顯落差。
綜上，可將M2M業務需求所反映的信息特點歸納為：
（1）明確了實現M2M業務的信息類型和作用；
（2）從信息承載網的角度闡述了M2M業務需求所產生的信息形態；
（3）未明確M2M業務需求中信息的傳遞路徑；
（4）缺少物理空間和信息空間的信息耦合與轉換特征的挖掘。
3 物理空間與信息空間融合的物聯網模型
從上可見，以M2M業務為代表的物聯網分層模型雖然明確了物聯網業務實現的流程和各層的功能分工，但并未解析物聯網所涉及的物理空間和信息空間耦合關聯的復雜關系。首先，連續的具有時空屬性的物理空間與離散的無時空維度的信息空間具有極大的差異性，信息空間和物理空間屬性耦合關聯的分析與描述極為困難。物聯網要實現物理空間和信息空間的感知互動，涉及環境、感知、網絡、處理、服務等各個環節和作用域的協同處理與反饋，而其內在耦合關聯信息的表征是上述協作機制的基礎。
物聯網客體之間的交互要比互聯網復雜得多，比如，智能手機的人機交互過程通常是不被監控的，而汽車駕駛員觀察儀表和顯示屏、接受導航信息并操作汽車的過程則被看成是汽車駕駛和操作行為，必須被納入閉環的控制過程中，因而物聯網所連接的客體中的操作系統需要具備全新的特征。由此，需要建立物聯網信息空間和物理空間的關聯模型，并體現物聯網的特殊性。物聯網與互聯網存在顯著差異，其一是物聯網需要直接連接和感知物品，其二是物聯網需要處理物品相關數據。構建獨立于任何具體應用領域的抽象物聯網參考模型，可以形成在不同應用領域之上的統一的物聯網概念模型。
表1 機器對機器通信(MTC)業務特性
物聯網的概念模型是網絡世界與物理世界融合的模型，可從信息物品、自主網絡、智能應用三個維度反映物聯網的體系結構，較為完整地探討物聯網的本質特征，見圖2。
物聯網首先需要包括物品的功能維度，這是傳統網絡不具備的維度。連接到物聯網的物品可以稱為信息物品，這些物品具備的基本功能包括：具有電子標識、可以傳遞信息；構成物聯網的網絡需要連接多種物品，這類網絡至少具有自配置和自保護的功能，屬于自主網絡； 物聯網的應用都是與物品相關的應用，這些應用至少能自動采集、傳遞和處理數據，自動進行例行的控制，屬于智能應用。在圖2中，信息物品、自主網絡與智能應用三個功能部件的重疊部分就是具有全部物聯網特征的物聯網系統，可以稱為物聯網基礎設施，提供包括不同應用領域的物品標識、物品空間位置識別、物品數據特征驗證和隱私保護等服務，這個部分組成了公共物聯網的核心。
圖2 多視圖融合的物聯網參考模型
物聯網基礎設施類技術包括：
（1）物品的統一標識和標準網絡接入技術，即全球統一的、面向各個應用領域的物品統一標識技術以及標準的網絡接入技術，信息物品是這類技術的主要載體，標準的網絡接入技術需要依賴于自主網絡。
（2）物理化網絡系統技術， 包括支持現實世界空間坐標系的網絡接入和網絡互連技術，支持現實世界統一時間體系的網絡操作技術等，自主網絡是這類技術的主要載體。
（3)自主網絡技術，包括網絡系統的自配置、自愈合、白優化和自保護的技術，自主網絡是這類技術的主要載體。
（4)網絡化物理系統技術，包括聯網嵌入式軟件的實時處理技術、可靠處理技術，這類技術的載體是智能應用，屬于智能應用的物理裝置端技術。
（5）網絡數據融合和決策技術，包括網絡環境下多種數據的融合、多類數據的實時挖掘和實時決策技術，這類技術的載體是智能應用，屬于智能應用的網絡側技術。
因此，在物理空間與信息空間融合的物聯網中，其信息必然不同于分層結構的通信網絡，在信息類型與形式、信息采集與傳遞、信息控制與應用、信息存儲與處理等方面具有明顯的特征。
4 物理空間與信息空間融合信息的特征
從物理空間與信息空間融合的角度看，物聯網信息可以分為物品信息、物品傳感信息和物品行為控制信息。
在物理空間與信息空間之間存在雙向的信息流動，既有從物理空間中獲取信息形成信息空間的組成過程，即物理空間→信息空間；也有從信息空間向物理空間提供信息的反饋過程，即信息空間→物理空間。這樣信息流動不但是雙向的，而且二者之間存在對偶關系。這種對偶關系包括兩個方面，即從物理空間到信息空間的關系是通過傳感器從物理空間獲得原始數據，并經過處理和分析產生與物理空間在各個層次上的對應關系；從信息空間到物理空間的關系是通過建立不同層次的對應關系，把信息空間中的相關數據和信息按照需求發送與映射到物理空間的物體上。
在物理空間與信息空間的對偶及融合中，兩個流向的信息的特征是不同的，見圖3。從物理空間到信息空間的信息流，是通過傳感器獲取的物理空間的原始數據；而從信息空間到物理空間的信息流，是在信息空間形成的不同層次的數據，如特征、表面、物體（包括物體之間的關系）、事件、場景以及語義描述和上下文等層次的數據流。因此，信息空間的信息是有組織和實現了結構化的。信息空間應在理解用戶的命令、意圖和用戶的所處環境的基礎上，按用戶要求對信息進行重新組織，并以合適的方式返回到物理空間。
也可從物聯網三個維度的概念模型（信息物品、自主網絡、智能應用三維模型）分析物聯網的信息特征。物聯網體系結構中三類功能部件之間的相互關系，不同于傳統網絡分層體系結構定義的功能部件之間的相互關系，即三類功能部件之間不再是分層的服務調用和服務提供的關系。
信息物品需要依賴自主網絡提供的接入網絡服務，使其成為物聯網系統可以識別和訪問的物品；智能應用需要依賴于自主網絡提供的數據傳遞、遠地服務訪問功能，實現網絡環境下的數據傳遞和服務調用；自主網絡需要依賴信息物品的標識，自動選擇相關的網絡接入協議和配置協議，提供接入信息物品的服務；自主網絡需要依賴智能應用的需求，確定相應的服務質量以及可能的定制服務；智能應用需要依賴于信息物品的數據語義，進行相關的處理和決策，確定對于信息物品的操作；信息物品依賴于智能應用的需求，確定提供信息的類型以及可以執行的相關操作。
從上述分析可見，物聯網的三維體系結構中，其信息結構、傳遞路徑和信息作用機制都體現了物理空間與信息空間的融合及相互轉換，與當前以M2M業務為代表的物聯網分層模型所表述的信息特征存在很大差別。
5 結束語
由于物理空間和信息空間的強關聯性、非確定性和高度混雜性等，在物聯網的信息生成、信息結構、傳遞路徑和信息內涵等特征表述上還存在著諸多的挑戰，現有的M2M業務分層理論模型和方法難以應對上述挑戰。因此，迫切需要全面深入地分析物理空間和信息空間的耦合機理，深入挖掘感知互動的機制和方法，尋找系統內在的信息生成、傳遞和作用機制，為物聯網的應用與發展奠定理論基礎。
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