第1部分/物联网感知技术与产业概述
第1章 物联网感知技术概述
1.1 物联网的发展阶段
物联网（Internet of Things，IoT）作为我国战略性新兴产业的重要组成部分，对我国经济、社会的全局发展和长远布局具有重大的引领带动作用。物联网在社会生产各领域中的应用促使传统生产方式向绿色、智能、高效的方向转变。物联网广泛应用于社会管理，将有力保障公共基础设施的安全，提升社会管理的效能，普惠民众生活。物联网的应用已经深入社区和家庭，给人们的日常生活带来了诸多全新的体验，大大提升了人们的生活质量和水平。传统分离的物理世界和信息世界通过互联网实现了互联与融合。
比尔·盖茨（Bill Gates）早在其1995年出版的《未来之路》（The Road Ahead）一书中就提出了“物联网”的概念，但受限于当时无线网络、软硬件技术的发展，物联网并没有引起人们的广泛关注和研究。1999年，麻省理工学院自动标识中心（MIT Auto-ID）的 Ashton 教授提出了基于射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术的物联网概念，即以物品编码、RFID技术和互联网技术为基础，利用无线数据通信技术、RFID 技术等，构建出一个可以实时共享全球物品信息的实物互联网——物联网。
物联网概念的发展大体可分为以下四个阶段。
1.1.1 以标识为特征的阶段
1999—2003 年，关于物联网的研究仅限于实验室中，这一阶段的研究内容主要集中在物品身份的自动识别上，主要包括减少识别错误和提高识别效率。
1.1.2 以互联为特征的阶段
在2005年11月的突尼斯信息社会世界峰会上，国际电信联盟（International Telecommucation Union，ITU）正式提出了“物联网”的概念，并提出无所不在的物联网通信时代即将来临，通过 RFID 和智能计算等技术可以实现全世界设备互联的网络，让世界上所有物体都可以通过互联网主动进行通信。
1.1.3 以智能化服务为特征的阶段
2008年，IBM提出了“智慧地球”的概念，其内含为：通过把传感器嵌入和安装到电网、隧道、铁路、桥梁、大坝供水系统、油气管道等各种物体中，并通过网络整合人类社会与物理系统，即可实现物联网。2009年，时任美国总统奥巴马（Obama）公开肯定了 IBM“智慧地球”的思路，并将其提升为国家战略。在这个庞大的集成网络中，通过结合超强大的计算机集群，能够对集成网络中的人员、机器、设备和基础设施进行实时管理和控制，在此基础上，有助于人类了解现状后更清晰地把握未来，更加精细地管理生产和生活，通过提高资源利用率和生产生活水平，达到“智慧”状态。
物联网被认为是继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮。随着物联网技术的不断成熟和市场规模的不断扩大，物联网已成为各国技术和产业创新的重要战略。在全球不断关注物联网发展的同时，中国也高度关注物联网的发展。2009年8月，时任国务院总理温家宝在中国科学院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考察时发表讲话，提出了“感知中国”的概念，指出“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”，将“感知中国”的中心设在无锡，辐射全国。2009年，时任工业和信息化部总工程师朱宏任在中国工业经济运行夏季报告发布会上总结并阐释了物联网。2009年年底，中国传感网标准工作组正式成立。这些都体现了中国政府对物联网的关注、重视和支持。物联网作为国家技术及产业创新的重点方向，未来要想实现其在经济社会重要领域的规模示范应用，需要突破并掌握一批核心技术。物联网安全可控的产业体系的形成和安全保障能力的提高，已成为促进经济和社会智能持续发展的重要力量。
在工业、农业、军事、医疗、环境、建筑等领域，美国已为物联网的创新发展提供了坚实的硬件支撑。
2009年，欧盟发布了以“欧洲行动计划”为题的报告，该报告包含芯片、技术研发等14项框架内容。此外，在技术研发、指标制定、应用领域、管理监控、未来目标等方面，欧盟陆续出台了较为全面的报告文件，建立了相对完善的物联网政策体系。特别是在智能交通应用方面，欧盟依托其汽车行业的传统优势，通过联盟协作，使其在智能交通应用方面的研究在全球车联网的研究应用中遥遥领先。
韩国十分重视物联网产业化发展，不断加大物联网核心技术及微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）传感器芯片、宽带传感设备的研发力度。韩国物联网的优势表现在消费类智能终端、RFID、近场通信（Near Filed Communication，NFC）产品与相应的技术解决方案方面。目前，韩国物联网产业主要集中在首尔、京畿道和大田地区，其中首尔汇集了全国 60%以上的物联网企业。
1.1.4 5G赋能物联网，从产业到商业化场景将被深度优化的阶段
国际电信联盟为5G定义了三大应用场景，即增强型移动宽带、海量机器类通信和超可靠、低时延通信。增强型移动宽带适用于超高清视频、智能手机等领域。在低频应用场景联网，海量机器类通信可以造就智慧农业、智慧城市、智能交通、智慧制造、智慧医疗等更多大容量的应用，窄带物联网（Nanow Band IoT，NB-IoT）绝大部分都在这个频段。而超可靠、低时延通信可应用于自动驾驶、机器人等领域。
5G 的应用将带来海量的设备连接量。IoT 设备中的广域 IoT 设备预计到2023年将达到41亿个，而短程IoT设备的连接量将达到157亿个。2019年是5G手机商用元年，5G终端产品开始逐渐发展起来。
5G 网络架构可以分为中心级、汇聚级、区域级和接入级四个层次。中心级的核心职能为控制、管理和调度，如虚拟化功能编排、广域数据中心互联和业务运营支撑系统等，可按需部署于全国节点，监控和维护网络总体。汇聚级的功能为控制面网络，如移动性管理、会话管理、用户数据和策略等，可按需部署于省一级网络。移动边缘计算、业务链和部分控制面网络功能也可以下沉到这一级。区域级主要功能包括数据面网关功能，重点承载业务数据流，可部署于地市一级。移动边缘计算功能、业务链功能和部分控制面网功能也可以下沉到这一级。接入级的功能为无线接入网的集中式单元（Centralized Unit，CU）和分布式单元（Distributed Unit，DU），CU可部署在回传网络的接入层或汇聚层；DU 部署在用户近端。通过增强的低时延传输网络实现多点协作化功能，使 CU 和 DU 间实现支持分离或一体化站点的灵活组网。借助模块化的功能设计、高效的网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）平台和软件定义网络（Software Defined Network，SDN）平台，上述组网功能元素的部署位置无须与实际地理位置严格绑定，而可以根据每个运营商的网络规划、业务需求、流量优化、用户体验和传输成本等需求，对不同层级的功能进行灵活整合，从而实现多数据中心和跨地理区域的功能部署。
5G 基站相比 4G 基站，整个架构有较大变化。5G 时代，室内基带处理单元（Building Baseband Unit，BBU）被拆分为CU和DU两级架构，射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）与大规模天线集成为有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU），原BBU的部分物理层功能被放到AAU中，导致5G基站内部结构改变。
运营商为降低建设和运营维护的成本，会推动通用网络设备的使用。NFV/SDN 通过网络功能软件化，实现在工业标准、池化部署的通用服务器、交换机和存储设备上部署不同类型的网络设备，并根据需要在多种网络位置按需运行。目前，运营商正在推进虚拟无线接入网络，最终演进到开放无线接入网络时代，除射频相关部分外，基本实现白盒化、通用化方式。
从终端侧来说，各家主要网络通信芯片厂商纷纷推出 5G 基带芯片。例如，高通推出了骁龙 X50，华为推出了巴龙 5G01，英特尔推出了 XMM 816，联发科推出了Helio M70，紫光展锐推出了Orca。但目前尚未推出集成5G基带的AP芯片，这意味着5G在手机等移动终端上的真实场景应用尚需时日。
网络和终端创新推动着射频前端需求和价值的提升。根据IHS公司报告的数据，手机射频前端市场规模已从2010年的43亿美元增长到2019年的140多亿美元。随着5G的不断应用，预计到2023年，该市场规模将增长到352亿美元。射频前端的复杂度持续提升，推动前端的集成化设计和工艺改进。例如，在手机制造等领域，LCP/MPI材料将替代传统PI软板/模组，PA、LNA和开关转向SOI工艺等。
5G 时代，设备的连接数量会海量增加，网络边缘侧会产生庞大的数据。如果把所有数据都传到云端，是很不经济的，而边缘计算有助于实现数据的实时性、智能性、安全性和隐私性需求，因此边缘计算是整个 5G 网络的重要组成部分。