5G技術(shù)與應(yīng)用

1第1章AIoT技術(shù)概論23學(xué)習(xí)要求了解IoT發(fā)展背景及其定義理解AIoT形成與發(fā)展過程掌握AIoT的技術(shù)特征理解AIoT技術(shù)架構(gòu)與層次結(jié)構(gòu)模型1.1IoT的基本概念1.1.1IoT發(fā)展背景社會(huì)背景比爾·蓋茨在1995年出版的《未來之路（TheRoadAhead）》中描述了對(duì)“物聯(lián)網(wǎng)”的設(shè)想1998年,MIT的科學(xué)家描述了一個(gè)基于射頻標(biāo)簽（RadioFrequencyIdentification，RFID）與產(chǎn)品電子代碼（ElectronicProductCode，EPC）的物聯(lián)網(wǎng)概念與原型系統(tǒng)4社會(huì)背景2005年，ITU在世界互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展年度會(huì)議上發(fā)表了題為“物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings）”的報(bào)告。這份報(bào)告向我們描繪了世界上的萬事萬物，小到鑰匙、手表、手機(jī)，大到汽車、飛機(jī)、樓房，只要嵌入一個(gè)微型的RFID芯片或傳感器芯片，就能夠通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物與物之間的信息交互，從而形成一個(gè)無所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”構(gòu)想5社會(huì)背景2009年，在全球金融危機(jī)的背景之下，IBM公司向美國(guó)政府提出名為“智慧地球（SmartEarth）”的科研與產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告。IBM學(xué)者認(rèn)為：智慧地球=互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)。智慧地球?qū)鞲衅髑度牍?、鐵路、橋梁、隧道、建筑、電網(wǎng)、供水系統(tǒng)、油氣管道等各種物體中，并與超級(jí)計(jì)算機(jī)、云數(shù)據(jù)中心組成物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)人與物的融合。通過智慧地球技術(shù)的實(shí)施，人類可以更精細(xì)和動(dòng)態(tài)地管理生產(chǎn)與生活，提高資源利用率和生產(chǎn)能力，改善人與自然的關(guān)系6技術(shù)背景普適計(jì)算（PervasiveComputing）又稱為泛在計(jì)算或無處不在的計(jì)算。1991年，美國(guó)Xerox實(shí)驗(yàn)室的MarkWeiser提出了普適計(jì)算的概念普適計(jì)算的重要特征是“無處不在”與“不可見”。普適計(jì)算體現(xiàn)了信息空間與物理空間的融合。普適計(jì)算核心是“以人為本”。普適計(jì)算重點(diǎn)在于提供面向用戶、統(tǒng)一、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)普適計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)從設(shè)計(jì)目標(biāo)到工作模式有相似之處，普適計(jì)算研究方法與成果，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究與應(yīng)用有借鑒作用。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)使人類在實(shí)現(xiàn)普適計(jì)算的道路上前進(jìn)一大步7技術(shù)背景隨著嵌入式計(jì)算、無線通信、自動(dòng)控制與傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，信息物理系統(tǒng)（CyberPhysicalSystems，CPS）研究引起學(xué)術(shù)界重視CPS是“人-機(jī)-物”深度融合的系統(tǒng)，是“計(jì)算-通信-控制”深度融合的系統(tǒng)，是“環(huán)境感知-嵌入式計(jì)算-網(wǎng)絡(luò)通信”深度融合的系統(tǒng)。CPS在環(huán)境感知基礎(chǔ)上，形成可控、可信與可擴(kuò)展的智能系統(tǒng)。CPS功能總結(jié)為“感、聯(lián)、知、控”CPS與IoT沿著不同的路徑發(fā)展而來，這兩條路徑之間存在很多交集。CPS研究目標(biāo)正是物聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展的方向8IoT形成與發(fā)展過程91.1.2IoT的定義國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）的定義：IoT是信息社會(huì)的全球性基礎(chǔ)設(shè)施，基于現(xiàn)有及不斷演進(jìn)、可操作的信息與通信技術(shù)，通過物理和虛擬設(shè)備的互聯(lián)互通來提供更高級(jí)的服務(wù)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）的定義：IoT能夠?qū)⑽ㄒ粯?biāo)識(shí)的“物（things）”連接到互聯(lián)網(wǎng)。這些“物”具有感知/執(zhí)行能力，同時(shí)可能具有一定的可編程能力。利用“物”的唯一標(biāo)識(shí)和感知能力，任何對(duì)象可以在任何時(shí)刻從任何位置采集相關(guān)信息，并且可以改變“物”的狀態(tài)10我國(guó)的IoT定義2009年，《關(guān)于支持無錫建設(shè)國(guó)家傳感器創(chuàng)新示范區(qū)（國(guó)家傳感網(wǎng)信息中心）情況的報(bào)告》的定義：IoT是以感知為目的，實(shí)行人與人、人與物、物與物全面地互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。其突出的特征是通過各種感知方式獲取物理世界的各種信息，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等進(jìn)行信息的傳遞與交互，再采用智能計(jì)算技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行分析處理，從而提升人們對(duì)物質(zhì)世界的感知能力，實(shí)現(xiàn)智能化的決策與控制。這個(gè)定義更符合當(dāng)前國(guó)內(nèi)技術(shù)人員對(duì)于IoT的認(rèn)識(shí)水平與研究現(xiàn)狀111.2從IoT到AIoT1.2.1AIoT發(fā)展背景社會(huì)背景2016年8月，在《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中，“新一代信息技術(shù)”的“物聯(lián)網(wǎng)”專題提出：“開展物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)、信息物理系統(tǒng)等基礎(chǔ)理論研究，攻克智能硬件（硬件嵌入式智能）、物聯(lián)網(wǎng)低功耗可信泛在接入等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)共性技術(shù)創(chuàng)新基礎(chǔ)支撐平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能感知芯片、軟件以及終端的產(chǎn)品化”。在“重點(diǎn)研究”中提出“基于物聯(lián)網(wǎng)的智能工廠”、“健康物聯(lián)網(wǎng)”等研究?jī)?nèi)容，將“提升智能終端和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)芯片產(chǎn)品市場(chǎng)占有率”的作為發(fā)展目標(biāo)之一12社會(huì)背景2017年4月，《物聯(lián)網(wǎng)的“十三五”規(guī)劃（2016-2020年）》指出：物聯(lián)網(wǎng)正進(jìn)入跨界融合、集成創(chuàng)新和規(guī)?；l(fā)展的新階段。物聯(lián)網(wǎng)將進(jìn)入萬物互聯(lián)發(fā)展新階段，智能可穿戴設(shè)備、智能家電、智能網(wǎng)聯(lián)汽車、智能機(jī)器人等數(shù)以萬億計(jì)的新設(shè)備將接入網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)智能信息技術(shù)將在制造業(yè)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化等轉(zhuǎn)型升級(jí)方面發(fā)揮重要作用。車聯(lián)網(wǎng)、健康、家居、智能硬件、可穿戴設(shè)備等消費(fèi)市場(chǎng)需求更活躍，驅(qū)動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)和其它前沿技術(shù)不斷融合，人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、自動(dòng)駕駛、智能機(jī)器人等技術(shù)取得新突破13社會(huì)背景2021年3月，《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》的第11章第1節(jié)“加快建設(shè)新型基礎(chǔ)設(shè)施”中指出：推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展，打造支持固移融合、寬窄結(jié)合的物聯(lián)接入能力。加快構(gòu)建全國(guó)一體化大數(shù)據(jù)中心體系，強(qiáng)化算力統(tǒng)籌智能調(diào)度，建設(shè)若干國(guó)家樞紐節(jié)點(diǎn)和大數(shù)據(jù)中心集群，建設(shè)大型超級(jí)計(jì)算中心。積極穩(wěn)妥發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)。加快交通、能源、市政等傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化改造，加強(qiáng)泛在感知、終端聯(lián)網(wǎng)、智能調(diào)度體系建設(shè)。構(gòu)建基于5G的應(yīng)用場(chǎng)景和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，在智能交通、智慧物流、智慧能源、智能醫(yī)療等重點(diǎn)領(lǐng)域開展試點(diǎn)示范。綱要明確了AIoT在“十四五”期間的建設(shè)任務(wù)，規(guī)劃了2035年的發(fā)展遠(yuǎn)景目標(biāo)14技術(shù)背景云計(jì)算（CloudComputing）不是一個(gè)全新概念。早在1961年，JohnMcCarthy預(yù)言：未來的計(jì)算資源能像公共設(shè)施（如水、電）一樣被使用。此后幾十年，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界提出了集群計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算、服務(wù)計(jì)算等技術(shù)，云計(jì)算是在這些技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來云計(jì)算作為一種利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的隨時(shí)隨地、按需訪問和共享計(jì)算、存儲(chǔ)與軟件資源的計(jì)算模式，它具有以下幾個(gè)主要技術(shù)特征：按需服務(wù)、資源池化、泛在接入、高可靠性、降低成本、快速部署云計(jì)算平臺(tái)可以為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活、可控和可擴(kuò)展的計(jì)算、存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，成為AIoT集成創(chuàng)新的重要信息基礎(chǔ)設(shè)施15技術(shù)背景邊緣計(jì)算（EdgeComputing）的概念出現(xiàn)可以追溯到2000年。邊緣計(jì)算的發(fā)展與面向數(shù)據(jù)的計(jì)算模式發(fā)展是分不開的。在早期的邊緣計(jì)算中，“邊緣”僅限于分布在世界各地的CDN緩沖服務(wù)器。隨著邊緣計(jì)算研究的發(fā)展，“邊緣”資源的概念已經(jīng)從最初的邊緣節(jié)點(diǎn)設(shè)備，擴(kuò)展到從數(shù)據(jù)源到核心云路徑中的任何可利用的計(jì)算、存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)資源2013年，5G研究催生了移動(dòng)邊緣計(jì)算（MobileEdgeComputing，MEC）的發(fā)展。MEC是一種在接近移動(dòng)用戶的無線接入網(wǎng)位置部署，能夠提供計(jì)算、存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)資源的邊緣云或微云，避免端節(jié)點(diǎn)直接通過主干網(wǎng)與云計(jì)算中心的通信，以便突破云計(jì)算服務(wù)的限制。2017年3月，ETSI將MEC更名為多接入邊緣計(jì)算（Multiple-accessEdgeComputing，MEC），將MEC擴(kuò)展到其他無線接入網(wǎng)（如Wi-Fi），以滿足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)MEC的應(yīng)用需求基于MEC的物聯(lián)網(wǎng)“端-邊-云”的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)槌邘?、超低延時(shí)、高可靠性的AIoT應(yīng)用提供技術(shù)支持16技術(shù)背景大數(shù)據(jù)并不是一個(gè)確切的概念。到底多大的數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)，不同的學(xué)科領(lǐng)域、不同的行業(yè)有不同的理解。大數(shù)據(jù)具備“5V”特征：大體量（Volume）、多樣性（Variety）、時(shí)效性（Velocity）、準(zhǔn)確性（Veracity）和大價(jià)值（Value）物聯(lián)網(wǎng)中的大數(shù)據(jù)與一般的大數(shù)據(jù)研究有共性的一面，也有個(gè)性的一面。它們共性的一面首先表現(xiàn)在大數(shù)據(jù)分析的基本內(nèi)容上。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)具有異構(gòu)性、多樣性、實(shí)時(shí)性、顆粒性、非結(jié)構(gòu)化、隱私性等特點(diǎn)智能交通、智能工業(yè)、智能醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)中的大量傳感器、RFID標(biāo)簽、視頻監(jiān)控器、工業(yè)控制系統(tǒng)是造成數(shù)據(jù)“爆炸”的重要原因之一。物聯(lián)網(wǎng)為大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展提出了重大應(yīng)用需求，成為大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展的重要推動(dòng)力17技術(shù)背景隨著物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的超常規(guī)發(fā)展，大量物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)部署在山區(qū)、森林、水域等偏僻地區(qū)。很多的物聯(lián)網(wǎng)感知與控制節(jié)點(diǎn)，密集部署在大樓內(nèi)部、地下室、地鐵與隧道中，4G網(wǎng)絡(luò)已難以適應(yīng)，只能寄希望于5G技術(shù)ITU明確了5G的三大應(yīng)用場(chǎng)景：增強(qiáng)移動(dòng)寬帶通信、大規(guī)模機(jī)器類通信與超可靠低延時(shí)通信。其中，大規(guī)模機(jī)器類通信應(yīng)用場(chǎng)景面向以人為中心和以機(jī)器為中心的通信，面向智慧城市、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧農(nóng)業(yè)等應(yīng)用，為海量、小數(shù)據(jù)包、低成本、低功耗的設(shè)備提供有效的連接方式。超可靠低延時(shí)通信應(yīng)用主要滿足車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、移動(dòng)醫(yī)療等行業(yè)的特殊應(yīng)用對(duì)超高可靠、超低延時(shí)通信場(chǎng)景需求。5G作為物聯(lián)網(wǎng)集成創(chuàng)新的通信平臺(tái)，有力地推動(dòng)著AIoT應(yīng)用的發(fā)展18技術(shù)背景人工智能（ArtificialIntelligence，AI）是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、信息論、神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)、語(yǔ)言學(xué)等多學(xué)科高度發(fā)展、緊密結(jié)合、互相滲透而發(fā)展起來的交叉學(xué)科2006年，以深度學(xué)習(xí)（DeepLearning）為代表的人工智能進(jìn)入第三次熱潮?！皩W(xué)習(xí)”是人類智能的主要標(biāo)志，也是人類獲取知識(shí)的基本手段?！皺C(jī)器學(xué)習(xí)”研究計(jì)算機(jī)如何模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為，獲取新的知識(shí)與技能，不斷提高自身能力的方法。自動(dòng)知識(shí)獲取成為機(jī)器學(xué)習(xí)研究目標(biāo)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)是機(jī)器學(xué)習(xí)的“金礦”。物聯(lián)網(wǎng)智能數(shù)據(jù)分析廣泛應(yīng)用了機(jī)器學(xué)習(xí)方法，它們?cè)絹碓揭蕾囉诖笠?guī)模數(shù)據(jù)集和強(qiáng)大計(jì)算能力；云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、邊緣計(jì)算、5G技術(shù)的發(fā)展，為人工智能與物聯(lián)網(wǎng)融合提供了巨大動(dòng)力19技術(shù)背景工業(yè)4.0促進(jìn)了數(shù)字孿生的發(fā)展。2002年，數(shù)字孿生（DigitalTwin）術(shù)語(yǔ)出現(xiàn)。傳統(tǒng)的控制理論與方法已不能滿足物聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜大系統(tǒng)的智能控制需求。2019年，隨著“智能+”概念的興起，數(shù)字孿生成為了產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)數(shù)字孿生是在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)與智能技術(shù)的支撐下，通過對(duì)產(chǎn)品全生命周期“迭代優(yōu)化”和“以虛控實(shí)”方法，徹底改變了傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行與維護(hù)技術(shù)，將極大地豐富智能技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合的理論體系，為物聯(lián)網(wǎng)的閉環(huán)智能控制提供了新的設(shè)計(jì)理念與方法20技術(shù)背景區(qū)塊鏈（Blockchain）出現(xiàn)于2009年，起源于虛擬貨幣。區(qū)塊鏈作為“去中心化”協(xié)作、分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、“點(diǎn)-點(diǎn)”傳輸、共識(shí)機(jī)制、加密算法、智能合約等技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)信任管理領(lǐng)域的集成，能夠剔除網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中最薄弱環(huán)節(jié)與最根本缺陷（即人為因素），研究人員認(rèn)為區(qū)塊鏈將成為重新構(gòu)造社會(huì)信任體系的基礎(chǔ)“物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈（BIoT）”將成為建立物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)“可信、可用、可靠”的信任體系的理論基礎(chǔ)。目前，區(qū)塊鏈已經(jīng)開始應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)的智慧城市、智能制造、供應(yīng)鏈管理、數(shù)字資產(chǎn)交易、可信云計(jì)算與邊緣計(jì)算等領(lǐng)域，并將逐步與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合21AIoT形成與發(fā)展過程221.2.2AIoT的定義維基百科（Wikipedia）的定義：AIoT是人工智能技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更高效的物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)，改善人機(jī)交互，提高數(shù)據(jù)管理與分析能力2020年，《中國(guó)智能物聯(lián)網(wǎng)白皮書》的定義：AIoT是人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同應(yīng)用，它通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息采集，而在終端、邊緣或云中實(shí)現(xiàn)智能數(shù)據(jù)分析，最終形成一個(gè)智能化的生態(tài)體系231.2.2AIoT的定義維基百科（Wikipedia）的定義：AIoT是人工智能技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更高效的物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)，改善人機(jī)交互，提高數(shù)據(jù)管理與分析能力2020年，《中國(guó)智能物聯(lián)網(wǎng)白皮書》的定義：AIoT是人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同應(yīng)用，它通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息采集，而在終端、邊緣或云中實(shí)現(xiàn)智能數(shù)據(jù)分析，最終形成一個(gè)智能化的生態(tài)體系24AIoT的新內(nèi)涵AIoT并不是一種新的物聯(lián)網(wǎng)，它是物聯(lián)網(wǎng)與智能技術(shù)成熟應(yīng)用、交叉融合的必然產(chǎn)物，標(biāo)志著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段AIoT推進(jìn)了“物聯(lián)網(wǎng)+云計(jì)算+邊緣計(jì)算+5G+大數(shù)據(jù)+智能決策+智能控制+區(qū)塊鏈”等新技術(shù)與各行各業(yè)、社會(huì)的各個(gè)層面的深度融合與集成創(chuàng)新AIoT的核心是智能技術(shù)的應(yīng)用，研究目標(biāo)是使物聯(lián)網(wǎng)最終能達(dá)到“感知智能、認(rèn)知智能與控制智能”的境界251.3AIoT技術(shù)特征1.3.1AIoT“物”的特征實(shí)體是指物理世界或虛擬世界中的一個(gè)對(duì)象，能夠被識(shí)別和被集成到通信網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備是指必須具有通信功能，并可能具有感知、移動(dòng)、數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)和處理功能的裝置物聯(lián)網(wǎng)硬件“設(shè)備”與被監(jiān)測(cè)“實(shí)體”就變成了物聯(lián)網(wǎng)中的一個(gè)“感知/執(zhí)行”節(jié)點(diǎn)。在不同應(yīng)用場(chǎng)景應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，它們的共同特征是：具有唯一的、可識(shí)別的身份標(biāo)識(shí)；具備一定的通信、計(jì)算與存儲(chǔ)能力26什么是物聯(lián)網(wǎng)中的“物”271.3.1AIoT“網(wǎng)”的特征智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用正在從單一設(shè)備、單一場(chǎng)景的局部小系統(tǒng)，不斷向大系統(tǒng)、復(fù)雜大系統(tǒng)方向演變。無論研究人員將復(fù)雜系統(tǒng)劃分成多層結(jié)構(gòu)，或者是劃分為多個(gè)功能模塊或功能域，多個(gè)層次或多個(gè)功能模塊或功能域之間必然要通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互聯(lián)，通過數(shù)據(jù)與指令交互實(shí)現(xiàn)智能物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)功能網(wǎng)絡(luò)作為支撐智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的信息基礎(chǔ)設(shè)施，擔(dān)負(fù)著在不同功能域之間的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，以及與外部其他系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)資源共享和信息交互的作用?；ヂ?lián)網(wǎng)成熟的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，為智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)28IP網(wǎng)與5G網(wǎng)

內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)291.3.3AIoT“智”的特征感知智能傳感器、控制器與移動(dòng)終端正在向智能化、微型化方向發(fā)展。智能傳感器是傳感器與智能技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，形成具有自動(dòng)感知、計(jì)算、檢測(cè)、校正、診斷功能的新一代傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器具有三大能力：自學(xué)習(xí)、自診斷與自補(bǔ)償能力；復(fù)合感知能力；靈活的通信組網(wǎng)能力30智能硬件人機(jī)交互采用文字交互、語(yǔ)音交互、視覺交互、虛擬交互、人臉識(shí)別、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)對(duì)可穿戴計(jì)算設(shè)備、智能機(jī)器人、自動(dòng)駕駛汽車、無人機(jī)等智能設(shè)備，它們?cè)谠O(shè)計(jì)、研發(fā)、運(yùn)行中，無處不體現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用效果31交互智能32處理智能基于AIoT的智能工業(yè)、智能醫(yī)療、智能家居、智慧城市等應(yīng)用系統(tǒng)中大量使用語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言理解、計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)聚類、分析、挖掘與智能決策成為機(jī)器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)應(yīng)用最為成熟的領(lǐng)域之一控制智能傳統(tǒng)的智能控制已不適應(yīng)大規(guī)模AIoT應(yīng)用的需求。數(shù)字孿生引入虛擬空間，建立虛擬空間與物理空間關(guān)聯(lián)與信息交互，通過數(shù)字仿真、基于狀態(tài)的監(jiān)控與機(jī)器學(xué)習(xí)，將“數(shù)據(jù)”轉(zhuǎn)變成“知識(shí)”，準(zhǔn)確地預(yù)見未來，實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)融合、以虛控實(shí)”的目標(biāo)1.4AIoT體系結(jié)構(gòu)1.4.1AIoT架構(gòu)研究2018年，智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）的概念問世。AIoT推進(jìn)“物聯(lián)網(wǎng)+云計(jì)算+5G+邊緣計(jì)算+大數(shù)據(jù)+智能+控制”技術(shù)的融合創(chuàng)新，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)推向一個(gè)新的發(fā)展階段。如何用一種簡(jiǎn)潔的技術(shù)架構(gòu)模型來表述AIoT應(yīng)用系統(tǒng)的共性特征，并且能夠用這種架構(gòu)模型指導(dǎo)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)AIoT應(yīng)用系統(tǒng)，這是物聯(lián)網(wǎng)研究的重要問題3334AIoT技術(shù)架構(gòu)感知層感知層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)感知、控制與用戶與系統(tǒng)交互的功能。感知層主要包括：傳感器、執(zhí)行器與WSN，RFID標(biāo)簽、讀寫器與EPC網(wǎng)絡(luò)，智能手機(jī)、GPS終端、智能家電、智能儀器儀表與智能生產(chǎn)設(shè)備，以及可穿戴計(jì)算設(shè)備、機(jī)器人、無人機(jī)、智能網(wǎng)聯(lián)汽車等它們涉及嵌入式計(jì)算、可穿戴計(jì)算、智能硬件、物聯(lián)網(wǎng)芯片、物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)、智能人機(jī)交互、深度學(xué)習(xí)及可視化技術(shù)35接入層接入層承擔(dān)著將海量、多種類型、分布廣泛的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的功能。接入層采用的接入技術(shù)包括兩類：有線與無線技術(shù)有線接入技術(shù)包括：Ethernet、ADSL、HFC、光纖接入、電力線接入、現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)等無線接入技術(shù)包括：Wi-Fi、BLE、ZigBee、WPAN、WBAN、NB-IoT、5GC-RAN等36邊緣層邊緣層又稱為邊緣計(jì)算層，它將計(jì)算與存儲(chǔ)資源（如微云Cloudlet、微型數(shù)據(jù)中心、霧計(jì)算節(jié)點(diǎn)等）部署在更貼近于移動(dòng)終端設(shè)備或傳感器網(wǎng)絡(luò)的邊緣，將很多對(duì)實(shí)時(shí)性、帶寬與可靠性有很高需求的計(jì)算任務(wù)遷移到邊緣云中處理，以減小任務(wù)響應(yīng)延時(shí)、滿足實(shí)時(shí)性應(yīng)用需求，優(yōu)化與改善終端用戶體驗(yàn)邊緣云與遠(yuǎn)端核心云之間協(xié)同，形成“端-邊-云”的三級(jí)結(jié)構(gòu)模式37核心交換層為了提供行業(yè)性、專業(yè)性的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，核心交換層承擔(dān)著將接入網(wǎng)與分布在不同地理位置的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的廣域主干網(wǎng)的功能對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全要求高的核心交換網(wǎng)需要分為內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)兩大部分，內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)之間通過安全網(wǎng)關(guān)來連接構(gòu)建核心交換網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)可采用IP專網(wǎng)、VPN或5G核心網(wǎng)技術(shù)38應(yīng)用服務(wù)層應(yīng)用服務(wù)層為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層需要實(shí)現(xiàn)的功能提供服務(wù)。應(yīng)用服務(wù)層軟件通常運(yùn)行在云計(jì)算平臺(tái)之上，這些云平臺(tái)既可以是私有云，也可以是公有云、混合云或社區(qū)云應(yīng)用服務(wù)層提供的共性服務(wù)包括：從物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)中挖掘出知識(shí)的大數(shù)據(jù)技術(shù)；根據(jù)大數(shù)據(jù)分析結(jié)論，向高層用戶提供可視化的輔助決策技術(shù)；通過反饋控制指令，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)智能控制技術(shù)；區(qū)塊鏈為構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的信任體系提供了重要手段39應(yīng)用層應(yīng)用層包括智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能物流、智能交通、智能電網(wǎng)、智能環(huán)保、智能安防、智能醫(yī)療、智能家居等行業(yè)應(yīng)用無論是哪類應(yīng)用，從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的角度來看，都是要將代表系統(tǒng)預(yù)期目標(biāo)的核心功能分解為多個(gè)簡(jiǎn)單和易于實(shí)現(xiàn)的功能。每個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)經(jīng)歷復(fù)雜的信息交互過程，對(duì)信息交互過程需要制定一系列通信協(xié)議應(yīng)用層是實(shí)現(xiàn)某類行業(yè)應(yīng)用的功能、運(yùn)行模式與協(xié)議的集合。研發(fā)人員將依據(jù)通信協(xié)議，根據(jù)任務(wù)需要來調(diào)用應(yīng)用服務(wù)層的不同服務(wù)功能模塊，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)功能40網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)絡(luò)安全涉及物聯(lián)網(wǎng)從感知層到應(yīng)用層的任何一種網(wǎng)絡(luò)，小到傳感器、執(zhí)行器的接入網(wǎng)的局域網(wǎng)、Wi-Fi、BLE、ZigBee、5G或NB-IoT，大到核心交換網(wǎng)、云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，都存在網(wǎng)絡(luò)安全問題，并且各層之間相互關(guān)聯(lián)與影響網(wǎng)絡(luò)管理從接入網(wǎng)、核心交換網(wǎng)與后端網(wǎng)絡(luò)使用大量網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，接入各