第0章物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)(曾憲武)LXX2014.7

1、第0章 概述1 1第0章概述0.1物聯(lián)網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)0.2物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)本章小結(jié)本章小結(jié)第0章 概述2 20.1 物聯(lián)網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)作為一個(gè)龐大、 復(fù)雜和綜合的信息集成系統(tǒng)， 物聯(lián)網(wǎng)的框架由三個(gè)層次構(gòu)成， 即信息的感知控制層、 網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層， 其基本結(jié)構(gòu)如圖0.1.1所示。 第0章 概述3 3圖0.1.1 物聯(lián)網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)第0章 概述4 41. 感知控制層（1） 數(shù)據(jù)采集子層通過各種類型的感知設(shè)備獲取現(xiàn)實(shí)世界中的物理信息， 這些物理信息可以描述當(dāng)前“物”屬性和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 感知設(shè)備的種類主要有各種傳感器、 RFID、 多媒體信息采集裝置、 條碼（一維、 二維

2、條碼）識(shí)別裝置和實(shí)時(shí)定位裝置等。 第0章 概述5 5（2） 短距離通信傳輸子層將局部范圍內(nèi)采集的信息匯聚到網(wǎng)絡(luò)傳輸層的信息傳送系統(tǒng)， 該系統(tǒng)主要包括短距離有線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、 無線傳輸系統(tǒng)、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。 第0章 概述6 6（3） 協(xié)同信息處理子層將局部采集到的信息通過匯聚裝置及協(xié)同處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚處理， 以降低信息的冗余度、 提高信息的綜合應(yīng)用度、 降低與傳送網(wǎng)絡(luò)層的通信負(fù)荷為目的。 協(xié)同信息處理子層主要包括信息匯聚系統(tǒng)、 信息協(xié)同處理系統(tǒng)、 中間件系統(tǒng)及傳送網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)等。 第0章 概述7 72. 網(wǎng)絡(luò)傳輸層網(wǎng)絡(luò)傳輸層將來自感知控制層的信息通過各種承載網(wǎng)絡(luò)傳送到應(yīng)用層。 各種承載網(wǎng)絡(luò)包

3、括了現(xiàn)有的各種公用通信網(wǎng)絡(luò)、 專業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)， 目前這些通信網(wǎng)主要有移動(dòng)通信網(wǎng)、 固定通信網(wǎng)、 互聯(lián)網(wǎng)、 廣播電視網(wǎng)、 衛(wèi)星網(wǎng)等。 第0章 概述8 83. 應(yīng)用層應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)的最高層次， 是“物”的信息綜合應(yīng)用的最終體現(xiàn)。 “物”的信息綜合應(yīng)用與行業(yè)有密切的關(guān)系， 依據(jù)行業(yè)的不同而不同。 應(yīng)用層主要分為兩個(gè)子層次， 即服務(wù)支撐層和行業(yè)應(yīng)用層。 服務(wù)支撐層主要用于各種行業(yè)應(yīng)用的信息協(xié)同、 信息處理、 信息共享、 信息存儲(chǔ)等， 是一個(gè)公用的信息服務(wù)平臺(tái)； 行業(yè)應(yīng)用層主要面向諸如環(huán)境、 電力、 智能、 工業(yè)、 農(nóng)業(yè)、 家居等方面的應(yīng)用。 第0章 概述9 90.2 物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)

4、0.2.1 物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)按照物聯(lián)網(wǎng)的框架結(jié)構(gòu)， 物聯(lián)網(wǎng)的通信系統(tǒng)可大體分為兩大類， 即感知控制層通信和網(wǎng)絡(luò)層傳輸通信。 其基本結(jié)構(gòu)如圖0.2.1所示。 第0章 概述10 10圖0.2.1 物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第0章 概述11 11在圖0.2.1中， 感知控制層通信系統(tǒng)表示感知控制設(shè)備所具有的通信能力。 一般情況下， 若干個(gè)感知控制設(shè)備負(fù)責(zé)某一區(qū)域， 整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)可劃分為眾多個(gè)感知控制區(qū)域， 每個(gè)區(qū)域都通過一個(gè)匯聚設(shè)備接入到互聯(lián)網(wǎng)中， 即接入到網(wǎng)絡(luò)傳輸層。 對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸層， 其通信系統(tǒng)主要是為了支持互聯(lián)網(wǎng)而構(gòu)成的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳送系統(tǒng)， 一般由公眾通信網(wǎng)絡(luò)及專用通信

5、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成， 主要功能是保證互聯(lián)網(wǎng)的有效運(yùn)行。 第0章 概述12 120.2.2 感知控制層與網(wǎng)絡(luò)傳輸層通信系統(tǒng)感知控制層與網(wǎng)絡(luò)傳輸層通信系統(tǒng)1. 感知控制層通信系統(tǒng)感知控制層的通信目的是將各種傳感設(shè)備（或數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及相關(guān)的控制設(shè)備）所感知的信息在較短的通信距離內(nèi)傳送到信息匯聚系統(tǒng)， 并由該系統(tǒng)傳送（或互聯(lián)）到網(wǎng)絡(luò)傳輸層。 其通信的特點(diǎn)是傳輸距離近， 傳輸方式靈活、 多樣。 第0章 概述13 13感知控制層的短距離有線通信系統(tǒng)主要是由各種串行數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)構(gòu)成的， 目前采用的技術(shù)有RS-232/485、 USB、 CAN工業(yè)總線及各種串行數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。 感知控制層的短距離無線通信系統(tǒng)主要由各種

6、低功率、 中高頻無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成， 目前主要采用藍(lán)牙、 紅外、 超寬帶、 無線局域網(wǎng)、 GSM、 3G等技術(shù)來完成短距離無線通信任務(wù)。 第0章 概述14 142. 網(wǎng)絡(luò)傳輸層通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸層是由數(shù)據(jù)通信主機(jī)（或服務(wù)器）、 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、 路由器等構(gòu)成的， 在數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò)支撐下的計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)， 其基本結(jié)構(gòu)如圖0.2.2所示。 第0章 概述15 15圖0.2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第0章 概述16 160.2.3 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展1. 物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)頻通信和頻譜分配問題采用擴(kuò)頻技術(shù)， 則可以通過重疊的頻段來傳輸信息， 但這要求擴(kuò)頻所采用的PN（Pseudorandom

7、Noise， 偽隨機(jī)噪聲）碼之間要相互正交或跳頻、 跳時(shí)調(diào)度圖之間不能相一致（或相似）， 這就需要研究擴(kuò)頻通信的技術(shù)及規(guī)則， 使得大量部署的以擴(kuò)頻通信為無線傳輸方式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的通信不因受到干擾而影響通信質(zhì)量。 第0章 概述17 172. 基于軟件無線電和認(rèn)知無線電的物聯(lián)網(wǎng)通信體系架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)感知控制層內(nèi)的終端具有多種接入網(wǎng)絡(luò)層的通信方式， 由于無線通信具有任何地點(diǎn)、 任何時(shí)間都可接入并能進(jìn)行通信的特點(diǎn)， 因此無線通信方式是物聯(lián)網(wǎng)終端接入網(wǎng)絡(luò)層的首選。 但隨著終端數(shù)量的增多， 隨之而來的是需要大量的頻段資源以滿足接入網(wǎng)絡(luò)的需求，另外， 無線通信方式也隨著通信技術(shù)的發(fā)展而不斷進(jìn)步， 因此,

8、 需要研究能滿足物聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展的無線通信方式。 第0章 概述18 18由于軟件無線電具有統(tǒng)一的硬件平臺(tái)、 多樣化軟件調(diào)制方式和傳輸模式的特點(diǎn)， 因此， 它可以滿足未來不斷發(fā)展的無線通信模式變化的需求， 而且成本低廉、升級(jí)方便。 為了解決無線頻段資源的緊張問題， 認(rèn)知無線電技術(shù)是解決該問題的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。 認(rèn)知無線電技術(shù)可以識(shí)別利用率低的無線頻段， 并將這些無線頻段給予回收， 統(tǒng)一管理、 優(yōu)化分配， 以解決無線頻段資源緊張的難題。 第0章 概述19 193. 物聯(lián)網(wǎng)中的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合物聯(lián)網(wǎng)終端具有多樣性， 其通信協(xié)議多樣， 數(shù)據(jù)傳送的方式多樣， 并且它們分別接入不同的通信網(wǎng)絡(luò)， 這就造成了需要大量

9、的匯聚中間件系統(tǒng)來進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 即形成接入的異構(gòu)性， 尤其在以無線通信方式為首選的物聯(lián)網(wǎng)終端接入中， 該問題尤為突出。第0章 概述2020多個(gè)無線接入環(huán)境的異構(gòu)性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1） 無線接入技術(shù)的異構(gòu)性。 它們的無線傳輸機(jī)制不同， 覆蓋的范圍不同， 可以獲得的傳輸速率不同， 提供的QoS不同， 面向的業(yè)務(wù)和應(yīng)用不同。（2） 組網(wǎng)方式的異構(gòu)性。 除了經(jīng)由基站接入的單跳式無線網(wǎng)絡(luò)以外， 還有多跳式的無線自組織網(wǎng)和網(wǎng)形網(wǎng)， 它們的網(wǎng)絡(luò)控制方式不同， 有依賴于基礎(chǔ)設(shè)施的集中控制， 也有靈活的分布式協(xié)同控制。第0章 概述21 21（3） 終端的異構(gòu)性。 由于業(yè)務(wù)應(yīng)用的多樣性以及信息通信技術(shù)的不斷

10、提升， 終端已從手機(jī)擴(kuò)展到便攜式電腦、 各種類型的信息終端、 娛樂終端、 移動(dòng)辦公終端、 嵌入式終端等， 不同的終端具有不同的接入能力、 移動(dòng)能力和業(yè)務(wù)能力。 （4） 頻譜資源的異構(gòu)性。 由于不同頻段的傳輸特性不同， 適用于各種頻段的無線技術(shù)也不同， 并且不同地區(qū)頻譜規(guī)劃方式也有顯著區(qū)別。 第0章 概述2222（5） 運(yùn)營(yíng)管理的異構(gòu)性。 不同的運(yùn)營(yíng)商基于開發(fā)的業(yè)務(wù)以及用戶群不同， 將會(huì)設(shè)計(jì)出不同的管理策略和資費(fèi)策略。 由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)獨(dú)立自治， 相互之間缺乏有效的協(xié)同機(jī)制， 可能造成系統(tǒng)間干擾、 重疊覆蓋、單一網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供能力有限、 頻譜資源浪費(fèi)、 業(yè)務(wù)的無縫切換等問題。 面對(duì)日益復(fù)雜的異構(gòu)無

11、線環(huán)境， 為了使用戶能夠便捷地接入網(wǎng)絡(luò)， 輕松地享用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)， “融合”已成為信息通信業(yè)的發(fā)展潮流。第0章 概述2323融合包含以下三個(gè)層次的內(nèi)容： （1） 業(yè)務(wù)融合。 以統(tǒng)一的IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)， 向用戶提供獨(dú)立于接入方式的服務(wù)。（2） 終端融合。 現(xiàn)在的多模終端是終端融合的雛形， 但是隨著新的無線接入技術(shù)的不斷出現(xiàn)， 為了同時(shí)支持多種接入技術(shù)， 終端會(huì)變得越來越復(fù)雜， 價(jià)格也越來越高， 更好的方案是采用基于軟件無線電的終端重配置技術(shù)， 它可以使得原本功能單一的移動(dòng)終端設(shè)備具備了接入不同無線網(wǎng)絡(luò)的能力。第0章 概述2424（3） 網(wǎng)絡(luò)融合。 網(wǎng)絡(luò)融合包括固定網(wǎng)與移動(dòng)網(wǎng)融合， 核心網(wǎng)與接入網(wǎng)融

12、合、 不同無線接入系統(tǒng)之間的融合等。 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的實(shí)現(xiàn)分為兩個(gè)階段： 連通階段和融合階段。 連通階段是指?jìng)鞲芯W(wǎng)、 RFID網(wǎng)、 局域網(wǎng)、 廣域網(wǎng)等的互聯(lián)互通， 將感知信息和業(yè)務(wù)信息傳送到網(wǎng)絡(luò)另一端的應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行處理， 以支持應(yīng)用服務(wù)。 第0章 概述25254. 基于多通信協(xié)議的高能效傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的核心， 但由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)是能量受限的， 因此在應(yīng)用上其壽命受到較大的限制。 其中一個(gè)重要的原因是通信過程傳輸單位比特能量消耗比過大， 而這是由于通信協(xié)議中增加了過多的比特開銷， 以及收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的相互認(rèn)證、 等待等能量的開銷， 因此需要研究高效傳輸通信協(xié)議， 以減少傳輸單位

13、比特能量的開銷。 第0章 概述26265. IP 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸層及感知控制層的部分物聯(lián)網(wǎng)終端采用的是IP通信機(jī)制， 但目前IPv4及IPv6兩種IP通信方式共存應(yīng)用。 如何研究?jī)蓚€(gè)IP共同應(yīng)用的自動(dòng)識(shí)別與轉(zhuǎn)換技術(shù)及應(yīng)用，以及克服IP通信帶來的QoS不穩(wěn)定及安全隱患是IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需要進(jìn)一步解決的問題。 我們可以預(yù)見將來的IP通信是一個(gè)能提供滿足各種QoS穩(wěn)定要求、 安全性不斷提高的IP通信系統(tǒng)。 第0章 概述2727本本 章章 小小 結(jié)結(jié)物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)有信息技術(shù)、 通信技術(shù)、 自動(dòng)控制技術(shù)等深度融合與發(fā)展的產(chǎn)物。 其實(shí)質(zhì)是采用各種傳感設(shè)備采集各種“物”的信息， 傳輸?shù)揭曰ヂ?lián)網(wǎng)為核心的信息網(wǎng)絡(luò)上， 以實(shí)現(xiàn)全面感知、 信息的智能處理、 對(duì)“物”的智能控制， 完成相應(yīng)的應(yīng)用。 物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)龐大、 復(fù)雜和綜合的信息系統(tǒng)集成系統(tǒng)， 其框架由三個(gè)層次構(gòu)成， 即由信息的感知控制層、網(wǎng)絡(luò)傳送層和應(yīng)用層構(gòu)成。 第0章 概述2828物聯(lián)網(wǎng)用途廣泛， 遍及公共服務(wù)、 物流零售、 智能交通、 安全、 家居生活、 環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療護(hù)理、 航空航天等多行業(yè)多領(lǐng)域， 可以說涵蓋了我們身邊的工業(yè)、 環(huán)境和社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。 按照物聯(lián)網(wǎng)的框架結(jié)構(gòu)， 物聯(lián)網(wǎng)的通信系統(tǒng)可大體分為兩大類， 即感知控制層通信和網(wǎng)絡(luò)層通信。 第0章 概述2929感知控制的通信目的是將各種傳感設(shè)備所感知的信息在較短的通信距離