信息空间的形成和发展

2 通信技术的发展

1948年美国的伟大科学家C. E. Shannon发表了《通信的数学理论》，创立了信息论，为通信的发展指明了方向，走数字化的道路，成为数字化革命的理论基础。半导体和计算机技术的发展为数字化革命提供了物质基础。

卫星通信、光纤通信和各种宽带接入技术提供了宽带数传信道，分组数传、程控交换、计算机与通信(2C)的结合为高效网络化通信开辟了道路。20世纪90年代戈尔提出了建设信息高速公路，即后来的全球和国家信息基础设施建设，为信息空间的形成和发展提供了物理基础。

20世纪60年代出现了卫星通信，特别是环绕地球轨道的同步通信卫星出现后，人们对它寄予了希望。短波无线通信固有的缺点，使人们忽视了它的研究和发展。但到了80年代，由于新的通信技术大发展，出现了自适应、数字调制解调器、差错控制、数字信号处理等技术，使得短波、超短波通信能以更高的数据率、更低的误码率、更长的保障时间传信，而获得复兴。到了90年代，Internet的发展提出了对于无线接入Internet的需求，无线局域网(WiFi)、Bluetooth、ZigBee等应运而生，解决了近距离接入Internet的问题[2]。为了提高接入网的数据率，又提出了无线城域网(WMAN)和全球微波互联接入(WiMAX)技术，以及超宽带(UWB) (IEEE 802.16)。为用户接入Internet提供了极大的方便，推动了办公自动化和家庭网络的发展。无线数据网络像盛开的鲜花迅速发展，Wi-Fi热点已经到处布点，Bluetooth个域网（PAN）到处都已有了，ZigBee的扩展使用使电力网更加高效可靠地运行，通过无线将电表、灯、照明开关、温度调节器和家用电器连在一起。人们可用一个终端或手机在任何时候，任何地方，与任何人进行联络，从网络获取所需的信息或向网络发布信息。各种不同的网络、不同的设备、不同的业务之间将汇聚在一起形成一个遍布式计算环境或社会[3]。当前通信和信息技术的发展有如下几个特征：

(1) 信息科学正在渗透和融合到许多其它科学领域，如哲学、心理学、生理学、生物学、神经生物学等，信息科学技术成为许多学科的一种有力研究工具。

(2) 新的信息载体，如量子和DNA已走上技术舞台，电子时代已走过它最辉煌的高峰，光子时代和DNA时代已显露出曙光。

(3) 纳米技术为IT技术的发展提供了更广阔的前景。

(4) 信息的传输、存储、处理和提取向探索更遥远的天际、更久远的过去和更小的微观世界发展。
前面的3项都是描述信息技术向微观世界的发展，而第4项涉及航空、航天、宇宙星际探测、宇宙和人类起源、考古等都要求信息技术向更广阔的时空进军。

(5) 信息化社会的发展要求能无时无刻地向人们提供所需的信息和相关服务。

这对信息的传输、存储、处理和提取提出了很多新的要求，出现了许多新的发展，如Internet、Web2.0、Web3.0、P2P、2G、3G和4G、移动通信、各种有线和无线接入技术、多媒体技术、在线视频广播、各种遍布式传感网络、无线Mesh网、无线Ad Hoc网、IP电话、流媒体、遍布式计算、网格计算、云计算、信息对抗等，不一而足共同发展。

3 感知技术的发展

人类区别于一般动物之处是能够不断地发现、发明和制造新的工具，扩大自己感知时空的能力，由用自己能力有限的感官去看、去听、去闻、去嗅、去品尝、去抚摸、去感受，到用听诊器、望远镜、显微镜、超声探测仪、X射线、CT断层扫描……间接感知。使用工具大大延伸了人能感受的时空领域，强化了我们探索自然、社会、和我们自己生理和心理的能力。

1990年美国发射的哈勃(Hubble)太空望远镜将人类观察宇宙的能力扩大到银河系以远，带来天文观测史上的一场革命。2014年美国航天局计划将发射功能更强大的詹姆斯·韦伯太空望远镜替代哈勃太空望远镜。它可以按照天文学家的指令去观测宇宙中的任意星体，使我们的观测距离扩展到130亿光年的宇宙，同时使我们可以追寻到137亿年前，宇宙大爆炸以来的宇宙的形成和演变的历史。太空望远镜就是一个复杂的光探测或感知系统，也是一个无线光通信系统。韦伯耗资达50亿美元，但仅为哈勃之半。下一步是建造巨型太空望远镜的Atlas T计划，要到2020至2025年才可能运转[4]。

太空望远镜仅是形形色色的传感器中的一例，还有许多的各种不同类型的传感器，仅就用于人体的就有可佩带、可吞咽和可植入的三大类。利用这些传感器，通过无线信道可以和计算机、网络连接，组成了无线个域网(WPAN)或无线体域网(WBAN)，为研究人体生理和心理的奥秘，疾病诊断和治疗提供了极为有效的手段。

人对环境有感知、通信和响应能力，人利用计算机可以接入网络，进入信息空间中活动。人的一些器官对环境虽有部分的感知、通信和响应能力，但它们没有和外面直接通信的能力，更没有联网的能力。当我们给它们绑定或嵌入传感器后，它们就具备了对环境感知、通信和响应能力了，也可以接入网络，而成为信息空间中的一员。物理空间中的一切事物，不管它是无生物还是生物、是动物还是植物、也不管它是移动的还是固定的，都可以采用这种办法，给它绑定或嵌入一个传感器，就可以将它送入信息空间中，作为其中的一个虚拟成员。

当前嵌入目标中的传感器多为无源器件射频识别(RFID)，最近出现一种有源RFID芯片，利用称为Dash7的无线网接入。运行在433 MHz，波长约为70 cm，这个波段的优点是可以穿透像水泥墙一类的障碍，能工作在有大量金属堆积的环境中，但困难是很难设计高效和小巧的天线。ISO已在2004批准Dash7标准，并在做进一步的改进。有源RFID芯片采用小电池，功耗低，可长期工作。通信距离可达几百米，条件好时甚至更远些。Dash7适用于低功耗、低带宽数字通信。第一次海湾战争中，美国国防部成功地将Dash7用来跟踪战争物资的运输。从此美军不断增加对此类无线标记的推广使用。到2009年，美国国防部将4亿2 800万美元的Dash7 RFID器件的合同分给了Savi、Northrop Grumman、System & Process Engineering Corp.和Unisys 4家公司。Dash 7联盟于2009年5月成立。当前一只有源RFID仅为5美分。已有更多公司在开发这类产品。工厂的生产管理、销售、产品派送等已广泛应用这一技术[5]。

有源传感器的供电是一个具有挑战性的问题。在人体、钢筋混凝土建筑、化工厂危险内部机构中的有源传感器，难于为其更新电池。目前，即使用在要害节点，有源传感器的电池也仅能维持几年。当前急需寻求无需外部供能的有源传感器解决途径。2009年在美国Barltimore召开的国际电子器件会议上发表的研究报告，已提出了解决方案。提出了制造长寿命电池的两种完全不同的方案，但都是用微电子机械系统(MEMS)的悬臂通过压电产能器将机械能转换为电能。一个是采用放射性同位素；另一个是采用源于环境的振动能推动悬臂运动，可以提供一般内置无线传感系统所需的0.1 μW到1 mW的功耗。都已制作出了全自动供电的无线系统[6]。Cornell大学Amit Lal和Steven Tin采用镍-63(Ni-63)温性放射同位素和少量中子，在衰变过程中放射出无害的β粒子（仅穿入表面21μm），其能量可供每三分钟发射一个5-mW脉冲信号，Ni-63的半衰期约100年，故可维持供电100年。荷兰纳米电子研究中心Imec的工程师Rene Elfrink所领导的研究组利用氮化铝振动采能器为无线自动温度传感器供电，可以每隔15秒将所测的环境温度发给15米以内的基站。通过改进，可以更低的成本产生从mW级到W级的电力，足够支持传感器网络节点的运行。HP实验室的高级研究员Palo Alto，Calif说："Imec的研究成果对于他们地球计划的中枢神经系统，即以微型传感器撒遍世界的幻影很重要。供电是实现幻影王国的主要障碍，他们所需的电力为50 mW。目前，这种振动式采能器的使用范围较窄。"

最近以来，出现了很多无线通信网络，如无线自组织网、无线网状网(WMN)、泛在网、遍布网、物联网等大多与传感器有关，即与无线传感器网络(WSN)有关。其中物联网[3]可能是最典型的无线传感器网络，它的英文原意是物的互联网络，这首先要将物变为灵巧物，也就是嵌入了传感器后的物，它可以接入网络，而成为Internet中的一个虚拟成员。由这类虚拟成员所组成的互联网络就是所谓的物联网，它是具有环境感知、信息可靠采集和递送、数据智能处理的无线网络。可以是移动的，也可以是固定的；可以是全局的，也可以是局域的；可以是全面感知的，也可以是专向感知的。

由此可见，物联网是Internet的一个新发展，特别是Internet中无线网络的一个新发展，虽然这类网原理上也可以用有线技术布网（如爆破行业），但很不方便；另一方面，这类网要成气候，就必须over IP，也就是必须用IP技术与Internet连接，而成为Internet的一部分，或信息空间中的一类新成员，称之为机器对机器(M2M)或物-物互联网也未尝不可，但还不是很确切的，M2M就是网络的增值，而物-物间的互联只反映了拓广的一个方面，还应包括人-物间的互联和物-人间的互联。

这类新的网络有极其广阔的应用前景。首先是在军事上，战场的感知、数字化战场、后勤物资调拨、供给等。特别是在反恐上有重要应用价值。"九一一"事件后，美国对信息安全有了新的要求，新增设了国土安全部(DHS)，对FBI从组织上和技术上进行改革、签署美国爱国法案、发布政府的《安全信息空间的国家策略》报告、计划建设政府专用网(GovNet)、入境指纹采样和验证、实施《信息全面觉察计划》等一系列新举措。美国国防部也在2002年11月建立了信息觉察局(IAO)。IAO的主要目标是应对恐怖主义威胁，能在世界范围侦查、发现、跟踪、定位和攻击恐怖主义分子，了解和预评估他们的计划，并研发可供选择的技术，如开展e-DNA研究、超大规模所有源的信息仓储，来防止他们的袭击。这就是美国IAO的全面信息觉察计划主要内容。

参与式感知是全面信息觉察的一种民用技术领域的新提法，本质上也是在浩瀚的信息空间中捕获感兴趣的有关个人、社团的遍布数据，进行高效数据处理，构建个性数据专用库[7]。传感器网络在民用领域有着更广泛的应用，2008年全世界市场中的RFID标记已达40亿欧元，预计到2018年可达200亿欧元[8]。从产品的电子标签系统、物流管理系统、动物识别系统、交通管理系统、供电管理系统、医疗保健系统、网络教育系统、家庭网络系统、生产过程自动控制管理系统到社会的安全监视、管理系统等都已广泛应用这一新技术。
下一代传感器网络将会赋予很多新的能力，如智能化电源管理、流媒体、实时定位、微型飞行器和火箭的控制等。有关新标准的制定，涉及IEEE 802.15.4e、IETF ROOLL和IETF 6LoWPAN，预计到2012年传感器网络将占有20亿美元的市场，年增长率达41.9%，增长势头强劲[9]。

作者：王育民   来源：中兴通讯技术——2010年 第5期