第0章-物联网通信技术(曾宪武)LXX2014.7

第0章　　概　　述0.1　物联网框架结构0.2　物联网通信系统本章小结　　　　　　0.1物联网框架结构　　作为一个庞大、复杂和综合的信息集成系统，物联网的框架由三个层次构成，即信息的感知控制层、网络传输层和应用层，其基本结构如图0.1.1所示。图0.1.1物联网框架结构　　1.感知控制层　　（1）数据采集子层通过各种类型的感知设备获取现实世界中的物理信息，这些物理信息可以描述当前“物”属性和运动状态。感知设备的种类主要有各种传感器、RFID、多媒体信息采集装置、条码（一维、二维条码）识别装置和实时定位装置等。　　（2）短距离通信传输子层将局部范围内采集的信息汇聚到网络传输层的信息传送系统，该系统主要包括短距离有线数据传输系统、无线传输系统、无线传感器网络等。　　（3）协同信息处理子层将局部采集到的信息通过汇聚装置及协同处理系统进行数据汇聚处理，以降低信息的冗余度、提高信息的综合应用度、降低与传送网络层的通信负荷为目的。协同信息处理子层主要包括信息汇聚系统、信息协同处理系统、中间件系统及传送网关系统等。　　2.网络传输层　　网络传输层将来自感知控制层的信息通过各种承载网络传送到应用层。各种承载网络包括了现有的各种公用通信网络、专业通信网络，目前这些通信网主要有移动通信网、固定通信网、互联网、广播电视网、卫星网等。　　3.应用层　　应用层是物联网框架结构的最高层次，是“物”的信息综合应用的最终体现。“物”的信息综合应用与行业有密切的关系，依据行业的不同而不同。　　应用层主要分为两个子层次，即服务支撑层和行业应用层。服务支撑层主要用于各种行业应用的信息协同、信息处理、信息共享、信息存储等，是一个公用的信息服务平台；行业应用层主要面向诸如环境、电力、智能、工业、农业、家居等方面的应用。　　在图0.2.1中，感知控制层通信系统示感知控制设备所具有的通信能力。一般情况下，若干个感知控制设备负责某一区域，整个物联网可划分为众多个感知控制区域，每个区域都通过一个汇聚设备接入到互联网中，即接入到网络传输层。　　对于物联网的网络传输层，其通信系统主要是为了支持互联网而构成的数据业务传送系统，一般由公众通信网络及专用通信网络构成，主要功能是保证互联网的有效运行。0.2.2感知控制层与网络传输层通信系统　　1.感知控制层通信系统　　感知控制层的通信目的是将各种传感设备（或数据采集设备以及相关的控制设备）所感知的信息在较短的通信距离内传送到信息汇聚系统，并由该系统传送（或互联）到网络传输层。其通信的特点是传输距离近，传输方式灵活、多样。　　感知控制层的短距离有线通信系统主要是由各种串行数据通信系统构成的，目前采用的技术有RS-232/485、USB、CAN工业总线及各种串行数据通信系统。　　感知控制层的短距离无线通信系统主要由各种低功率、中高频无线数据传输系统构成，目前主要采用蓝牙、红外、超宽带、无线局域网、GSM、3G等技术来完成短距离无线通信任务。　　2.网络传输层通信系统　　网络传输层是由数据通信主机（或服务器）、网络交换机、路由器等构成的，在数据传送网络支撑下的计算机通信系统，其基本结构如图0.2.2所示。图0.2.2网络传输层通信系统结构0.2.3物联网通信技术的发展　　1.物联网扩频通信和频谱分配问　　采用扩频技术，则可以通过重叠的频段来传输信息，但这要求扩频所采用的PN（PseudorandomNoise，伪随机噪声）码之间要相互正交或跳频、跳时调度图之间不能相一致（或相似），这就需要研究扩频通信的技术及规则，使得大量部署的以扩频通信为无线传输方式的无线传感器网络之间的通信不因受到干扰而影响通信质量。　　2.基于软件无线电和认知无线电的物联网通信体系架构　　物联网感知控制层内的终端具有多种接入网络层的通信方式，由于无线通信具有任何地点、任何时间都可接入并能进行通信的特点，因此无线通信方式是物联网终端接入网络层的首选。但随着终端数量的增多，随之而来的是需要大量的频段资源以满足接入网络的需求，另外，无线通信方式也随着通信技术的发展而不断进步，因此,需要研究能满足物联网不断发展的无线通信方式。　　由于软件无线电具有统一的硬件平台、多样化软件调制方式和传输模式的特点，因此，它可以满足未来不断发展的无线通信模式变化的需求，而且成本低廉、升级方便。　　为了解决无线频段资源的紧张问题，认知无线电技术是解决该问题的一个关键技术。认知无线电技术可以识别利用率低的无线频段，并将这些无线频段给予回收，统一管理、优化分配，以解决无线频段资源紧张的难题。　　3.物联网中的异构网络融合　　物联网终端具有多样性，其通信多样，数据传送的方式多样，并且它们分别接入不同的通信网络，这就造成了需要大量的汇聚中间件系统来进行转换，即形成接入的异构性，尤其在以无线通信方式为首选的物联网终端接入中，该问题尤为突出。　　多个无线接入环境的异构性体现在以下几个方面：　　（1）无线接入技术的异构性。它们的无线传输机制不同，覆盖的范围不同，可以获得的传输速率不同，提供的QoS不同，面向的业务和应用不同。　　（2）组网方式的异构性。除了经由基站接入的单跳式无线网络以外，还有多跳式的无线自组织网和网形网，它们的网络控制方式不同，有依赖于基础设施的集中控制，也有灵活的分布式协同控制。　　（3）终端的异构性。由于业务应用的多样性以及信息通信技术的不断提升，终端已从手机扩展到便携式电脑、各种类型的信息终端、娱乐终端、移动办公终端、嵌入式终端等，不同的终端具有不同的接入能力、移动能力和业务能力。　（4）频谱资源的异构性。由于不同频段的传输特性不同，适用于各种频段的无线技术也不同，并且不同地区频谱规划方式也有显著区别。　　（5）运营管理的异构性。不同的运营商基于开发的业务以及用户群不同，将会设计出不同的管理策略和资费策略。　由于异构网络相对独立自治，相互之间缺乏有效的协同机制，可能造成系统间干扰、重叠覆盖、单一网络业务提供能力有限、频谱资源浪费、业务的无缝切换等问题。面对日益复杂的异构无线环境，为了使用户能够便捷地接入网络，轻松地享用网络服务，“融合”已成为信息通信业的发展潮流。　　融合包含以下三个层次的内容：　　（1）业务融合。以统一的IP网络技术为基础，向用户提供独立于接入方式的服务。　　（2）终端融合。现在的多模终端是终端融合的雏形，但是随着新的无线接入技术的不断出现，为了同时支持多种接入技术，终端会变得越来越复杂，价格也越来越高，更好的是采用基于软件无线电的终端重配置技术，它可以使得原本功能单一的移动终端设备具备了接入不同无线网络的能力。　　（3）网络融合。网络融合包括固定网与移动网融合，核心网与接入网融合、不同无线接入系统之间的融合等。　　异构网络融合的实现分为两个阶段：连通阶段和融合阶段。连通阶段是指传感网、RFID网、局域网、广域网等的互联互通，将感知信息和业务信息传送到网络另一端的应用服务器进行处理，以支持应用服务。　　4.基于多通信协议的高能效传感器网络　　无线传感器网络是物联网的核心，但由于无线传感器节点是能量受限的，因此在应用上其寿命受到较大的限制。其中一个重要的原因是通信过程传输单位比特能量消耗比过大，而这是由于通信协议中增加了过多的比特开销，以及收发节点之间的相互认证、等待等能量的开销，因此需要研究高效传输通信协议，以减少传输单位比特能量的开销。　　5.IP网络技术　　物联网的网络传输层及感知控制层的部分物联网终端采用的是IP通信机制，但目前IPv4及IPv6两种IP通信方式共存应用。如何研究两个IP共同应用的自动识别与转换技术及应用，以及克服IP通信带来的QoS不稳定及安全隐患是IP网络技术需要进一步解决的问题。我们可以预见将来的IP通信是一个能提供满足各种QoS稳定要求、安全性不断提高的IP通信系统。　　　　　　　本章小结　　物联网是现有信息技术、通信技术、自动控制技术等深度融合与发展的产物。其实质是采用各种传感设备采集各种“物”的信息，传输到以互联网为核心的信息网络上，以实现全面感知、信息的智能处理、对“物”的智能控制，完成相应的应用。物联网作为一个庞大、复杂和综合的信息系统集成系统，其框架由三个层次构成，即由信息的感知控制层、网络传送层和应用层构成。　　物联网用途广泛，遍及公共服务、物流零售、智能交通、安全、家居生活、环境监控、医疗护理、航空航天等多行业多领域，可以说涵盖了我们身边的工业、环境和社会的各个领域。　　按照物联网的框架结构，物联网的通信系统可大体分为两大类，即感知控制层通信和网络层通信。　　感知控制的通信目的是将各种传感设备所感知的信息在较短的通信距离内传送到信息汇聚系统，并由该系统传送（或互联）到网络传输层，其通信的特点是传输距离近，传输方式灵活、多样。　　网络传输层是由数据通信主机（或服务器）、网络交换机、路由器等构成的，在数据传送网络支撑下的计算机通信系统。　　物联网扩频通信和频谱分配，基于软件无线电和认知无线电的物联网通信体系架构，物联网中的异构网络融合，基于多通信协议的高能效传感器网络，以及IP网络技术是物联网通信技术主要研究的方向。