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物联网与泛在智能
中国通信网 时间:2011-12-23 信息来源:世界网

区别于以往强调人与人连接的互联网概念,物联网将互联的范围扩展到了物与物。物联网不仅在规模上更大,而且在语义上更丰富。传统的互联网和电信网均是以信息传送为中心,而物联网是以信息服务为中心,通过与传感网、互联网、电信网、云计算平台相结合,把对物理世界的感知、认识、影响和控制与计算机系统进行融合,实现物理世界、数字虚拟世界和人类感知的统一。本讲座将以物联网的泛在信息感知、泛在网络融合以及智能信息服务3个层面为线索,分期对物联网技术进行概要介绍:第1讲介绍无线传感器网络及泛在感知体系架构;第2讲将介绍泛在网络融合与协同技术;第3讲将介绍物联网的泛在智能业务等。

1 概述

1.1 物联网与传感网技术特征

在计算机、微电子、通信网络、人机交互等新技术的推动下,人类社会逐步由网络连接的特征转向了泛在信息服务的特征。物联网正是在这一背景下快速发展起来的,但由于其技术内涵和外延的不断演进,至今仍难以形成一个统一、完整和精确的定义。在其技术的不同发展时期,人们对物联网的定义也有所变化。2005年11月17日,国际电信联盟发布了《ITU互联网报告2005:物联网》,强调物联网是基于射频识别(RFID)的物与物、物与人的互联网。但是,随着传感器网络的日渐成熟,现代服务科学技术与新兴业务的日渐丰富,物联网的传统概念已不能适应其技术与应用需求的发展趋势。

人们一般认为物联网是融合了基于传感器网络的多元信息采集、基于互联网、电信网乃至广电网的信息传送,以及基于信息服务网络的新兴业务与应用3个主要部分。其典型特征如下:

(1) 广泛的信息获取能力。作为物联网发展的引擎,传感器网是信息感知和处理的末梢。其区别于其它网络的核心在于可以近距离、多视角、多参数的采集环境和事件的海量、多元信息,其中信息表现形式的多样性,信息数量的巨大性,信息关系的复杂性都前所未有。传感器设备可以通过节点标识赋予信息特有的位置特征、身份特征等,可方便用于后期信息处理和信息溯源等应用。

(2) 可靠的信息传送能力。随着物联网的出现,信息种类的丰富性和服务质量保证的差异性会比现有网络更加复杂,“信息服务”而非“连接服务”将成为未来物联网运营的基本特征。此外,作为建设泛在信息社会的基础设施和支撑环境,泛在网络将成为信息通信网络基础设施发展的重要目标。在各种现有网络的融合与协同的基础上,需要可靠有效的传输技术适应泛在智能服务的需要,为人们提供丰富的现实世界信息。

(3) 高效的信息应用能力。物联网区别于现有网络的核心在于其业务的泛在智能特性:海量感知信息的丰富性和可靠信息传送的泛在性,将促使物联网的业务呈现一种多元化的趋势。对海量感知信息进行加工和利用,为社会、行业以及大众用户提供新的业务模式和业务体验,尤其是为其提供情境自适应的泛在服务、业务运营模式和管理体系将成为物联网的主要特征之一。

本讲座针对物联网的3个重要组成部分——基于传感器网络的多元信息采集、基于泛在网络融合的信息传送,以及面向信息利用的新兴服务技术与业务为线索展开。本期重点介绍传感器网络相关内容。

1.2 传感网发展背景

20世纪中期以来,计算技术和网络技术的结合催生了许多新的应用模式和技术手段,但这二者的结合仍然基本属于传统的“人与人”或者“人与机”交互的范畴。直到20世纪90年代,随着通信技术、嵌入式计算技术,以及微电子技术的飞速发展,尤其是与摩尔定律相印证,各类电子产品的制造成本持续地降低到人们可以接受的时候,一种同时拥有感知、计算和通信能力,并且能适用于各类不同环境的微型智能传感器开始在世界范围内出现。而这些微小传感器节点的网络化将全面改变人们信息获取方式,这就是无线传感器网络技术(WSN)。

无线传感器网络是一种新兴的、极具发展潜力的网络技术,这种网络可以将大量简单的节点大冗余地随机部署在人迹罕至的恶劣环境中,节点之间通过自组织的组网,能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种复杂环境或监测对象的信息,并对这些信息进行网内处理,从而获得详尽而准确的信息并传送给感兴趣的观测者。作为沟通客观物理世界和主观感知世界的载体与桥梁,无线传感器网络将是一种全新的信息获取和处理技术,是信息感知和采集的一场革命。

无线传感器网络的研究始于美国,最早是由美国国防部高级研究计划局(DARPA)为军事应用而发起的。无线传感器网络目前已是美国网络通信和信息处理领域的热点研究之一,正步入一个高速发展的上升时期。欧盟在2007年的IST第七框架中将无线传感器网络列为网络化嵌入式控制系统的重要研究目标之一;韩国的IT839计划也将“无处不在的传感器网络”列为三大尖端基础设施的建设内容;日本的e-JAPAN和U-JAPAN战略将传感器网络列为在2010年需要实现的下一代信息和通信技术(ICT)社会的远景目标之一。

2 传感网关键技术及发展现状

2.1 节点技术

节点技术是无线传感器网络研究与应用的基础,所有与无线传感器网络相关的协议、机制、算法等都需要在节点上得以实现才具有实际意义。因此,节点的设计和实现,是影响整个网络系统的功能、性能以及投入成本的最主要因素。

目前无线传感器网络大都采用通用嵌入式平台作为网络节点,例如Crossbow的Mica系列以及Telos系列节点。它们的特点是采用通用的CPU来外接传感器、射频芯片等外设以此构成传感器节点,并以软件开发为主要开发手段。由于有TinyOS等操作系统的支持,使得围绕此类节点的研发相对容易。但是由于节点上的硬件已经固定,使得研发的灵活性有限,并不能在物理设计上进行改进来减少节点的体积、成本和功耗。并且由于节点的处理能力有限,很难进行复杂程序的开发。

无线传感器网络的应用需求虽然多种多样,但大都要求网络节点具备低功耗、低成本、小体积、布设方便、工作可靠等关键性能。采用片上系统集成技术的节点通过高度集成化及在物理设计上进行改进以减小体积、成本和功耗,并设计无线传感器网络专用的体系结构以提高计算效率和计算能力,是从根本上解决低功耗、低成本和小体积的技术途径,将能代表未来节点技术的发展趋势。

2.2 网络协议与组网技术

在无线传感器网络研究应用中,协议栈的设计直接决定着节点自组织方式、通信性能以及异构网络互联和接入方式。在网络资源受限情况下保持其能量有效性、可扩展性、传输可靠性等是该技术研究目的之一。中国和国际上研究无线传感器网络协议栈和自组网技术大体上分可为两类:基于非IP的协议栈设计和基于IP的协议栈设计。

基于非IP的协议栈设计以Zigbee 协议栈和Sensor-Net协议栈为代表。Zigbee协议是由Zigbee联盟提出的低能耗、低功率、可靠的无线网络标准;而Sensor-Net是一种针对传感器网络设计的体系结构,在完成能量管理、系统管理、时间同步、发现以及安全等任务时,采用了跨层设计的方法,通过各层间的相互协作使系统达到良好的管理控制效果。

目前基于IP的协议栈设计较少,主要以NanoStack、PhyNet和IPv6微型传感路由器为代表。NanoStack 是基于6LoWPAN的嵌入式传感器网络软件项目,该协议栈包括用户数据包协议/控制报文协议(UDP/ICMP)、6LoWPAN IPv6协议、IEEE802.15.4 媒体访问控制协议(MAC)等。由于IPv6支持的数据包容量远远大于IEEE802.15.4最大的帧容量,因此在网络层和数据链路层之间设计、添加了适配层,实现IP数据包的分片和重组,以适应低速率的传输限制要求。PhyNet协议栈是基于互联网工程任务组(IETF)工作组6LoWPAN标准制定的在无线个域网环境下实现IP通信的产业标准方案。该协议栈以IETF工作组提出的6LoWPAN标准为核心技术,严格支持IEEE802.15.4物理层及MAC层协议。

此外,无线传感器网络还必须支持与其他网络的互联,完成信息的共享和处理。为此,需要在无线传感器网络体系结构和自组网技术的基础上,研究无线传感器网络与其他网络互联的方式,研究无线传感器网络接入其他网络的总体模型等。

2.3信息处理技术

传感器网络中的信息处理相关技术涉及范围广,包括在节点内的嵌入式、轻量级信息处理技术以及节点间的分布式网络化信息处理技术。 一方面无线传感器网络具有低成本、高观测精度、异类传感器信息可互补融合的优势,为实现理想的信息处理技术提供了条件和基础。另一方面,考虑无线传感器网络低耗自组、异构互连、泛在协同以及节点资源受限的特性,使得其信息处理又有着自身的特点以及技术要求和技术挑战,具体的核心信息处理技术研究现状如下:

节点内信号处理与信息识别、信息提取技术。其目的是保证信号采集感知的准确性,特别是针对传感器网络节点的资源有限性,需要实现嵌入式、轻量级的信号处理与信息识别、提取等技术。显然,节点中的信号处理与信息识别、信息提取技术是和应用密切相关的,且需要调谐节点信号处理智能化程度及因资源限制算法轻量级的关系。

通过节点间协同处理的分布式协同处理技术。其研究目的是提高节点对环境及目标状态估计与属性识别的决策智能性,包括分布式节点协同技术、多传感器信息融合技术等。由于传感器网络节点只能感知到局部的信息,就必须要节点的协同以便获知全局信息。此外,多传感器系统中,信息表现形式的多样性,信息数量的巨大性,信息关系的复杂性都是前所未有的。这就使多传感器信息融合技术成为无线传感器网络信息处理的关键技术之一。

信息压缩及信息编码技术是为能显著提高多跳链路的传输性能、实现信号有效、可靠的传输。报文压缩通过减少信息冗余来减少报文长度,是一种有效的低功耗通信技术,并且可以减小数据报的端对端传输延迟,减少访问共享信道的冲突率。

2.4 安全技术

由于资源限制等特性,无线传感器网络的安全问题比传统网络面临更多的挑战。适用于无线传感器网络的低能耗安全解决方案需考虑通信和计算的有效负载、安全密钥的分发与更新、节点安全认证与抗捕获性、安全密钥管理的扩展性等因素。这部分研究的目的是保证节点安全通信的信息安全。

密钥管理是安全管理中最重要、最基础的环节,引入密钥管理机制进行有效控制,对增加网络的安全性和抗攻击性是非常重要的。另外,在传感器网络安全攻击方面,常常集中于安全路由技术。近年来,中国对传感器网络安全的研究主要集中在某些具体的密钥管理协议方面,对网络安全性缺乏系统地研究,且基本上还停留在理论模型的水平上。在安全路由技术方面的研究主要集中在路由算法的稳定性和算法仿真等方面,提出传感器网络路由的安全模型和安全目标,尚未提出一些具体实用的安全路由方法。

总的来说,中国对传感器网络的安全模型研究大部分集中在某个特殊的应用场合,针对无线传感器网络的通用性安全解决方案的研究较为缺乏,因此系统地开展传感器网络的通用安全模型的研究和实践,包括安全通信协议、安全密钥管理机制、安全路由与访问控制等模型是当前安全技术研究一个目标和趋势。

3 传感网体系架构

传感网体系结构旨在研究网络中节点间关系,即网络组织形式。传统的无线传感器网络中,数量庞大的节点之间往往采用平等、多跳、自组织的无线通信方式完成用户指定的任务。而这种基于静态固定数据接入节点的网络存在着节点能量损耗不均匀、数据传输效率低、部署缺乏灵活性、网络结构单一、易产生路由空洞、覆盖空洞及瓶颈节点等固有问题,往往导致其整体网络性能劣化。因此,层次型WSN近年来成为研究热点,它优化了如能效、吞吐量、实时性、可靠性、可扩展性等网络性能。

3.1平面传感网络架构

平面无线传感网络体系结构是由散布在一定地理区域的大量静态节点组成。感知数据由源节点以自组织方式经过多跳传递到远端Sink节点。通常情况下,这些节点具备类似的能量、储存、计算和传输能力,即节点是同构的。其数据流向多表现为“多对一”的特征,Sink的邻居节点将充当大数据量的转发节点功能。因此,随着网络规模的扩大,将不可避免地在Sink邻居节点处形成瓶颈节点,导致网络性能下降,甚至直接导致网络瘫痪。

此外,数据在多跳网络中传输丢失的机率随网络规模的扩大而增加,转发数据节点数量也随网络规模增大而增多,相应的能量消耗加剧,由此导致网络性能随网络规模的扩张而降低。

3.2 双层传感网络架构

为解决平面结构Sink邻居节点成为网络瓶颈的问题,典型的双层传感网络结构将选取一定数量的节点作为固定接入点,如图1(a)所示,并将这些固定接入点稀疏散布在网络中,形成上层覆盖网络以汇聚转发其临近区域的节点信息。这在一定毛程度上均衡了网络能量消耗,并提高了网络性能。但类似地,固定接入点附近仍会形成高能耗、大传输量的瓶颈区域。

与此同时,终端技术的发展也呈现出明显的多样化、智能化、多模化的趋势。各种便携式的消费类电子产品,如手机、笔记本电脑、PDA等不仅具有强大的计算、通信能力及移动性,而且将取代传统无线传感器网络中的固定Sink,从而形成具有移动Sink的新型传感网体系架构。如图1(b)所示,移动Sink在网络内随机运动,获取临近区域节点信息,并将数据转发至接入点。进一步地,移动Sink之间可协同形成上层自组织网络,如图1(c)所示。移动Sink之间的协同工作能够更显著提高无线传感器网络的性能:将复杂的数据处理、接入处理、数据转发传输、路由维护等工作交由移动终端来完成,可以尽可能地降低由于多跳无线传输造成的数据错误(或丢包),还可以利用移动终端相对较强的计算能力减轻无线传感器网络的网内信息处理量。

双层体系结构突破了传统平面结构中多个节点向一个固定Sink传输数据的模式,有效地增大了系统生命期,均衡了网络能量消耗,提高了数据传输效率并获得了更好的网络覆盖性。但双层网络结构优化仍局限于传感网本身,而未考虑异构网络环境中与其他网络融合的问题。

3.3 三层传感网络架构

当前,无线技术共同为用户提供了泛在、异构的网络环境。这些异构无线网络分别具有不同的背景、目标、发展方向、系统结构、覆盖范围、通信协议、链路特性、应用场景和业务提供能力。在此背景下,三层传感网结构(如图2所示)充分融合了有基础设施的蜂窝网及无基础设施的传感网的互补特性,更有效地解决了由固定数据接入点导致的网络性能恶化等问题,并更适合应用在未来泛在、异构、协同的网络环境中。

具体地说,有基础设施的蜂窝网具有强大的业务平台、完善的运营模式和管理体系,但由于采用相对集中的控制和管理体系而缺乏灵活性;传感网因其自组织性而具有显著的灵活性,但传输距离短,缺乏完善的运营模式和管理体系。两者有机融合使得区域部署的无线传感器网络能借助移动广域网的覆盖获得信息,并更广范围地传递和交互。而移动广域网利用无线传感器网采集到的丰富信息资源得到业务能力的拓展。从而在机器之间、机与人之间,人与现实环境之间实现高效的信息交互方式,从信息采集、传输、处理、反应的整体上优化信息流通模式,建立起人与其周边更加和谐的联系。

无线传感器网络与移动通信网络融合也带来技术上的挑战。非IP和IP相融合的网络与业务应充分利用并扩展无基础设施网络的多跳和自组织特性,实现与有基础设施网络的结合。需重点研究泛在异构网结构的层次与平面的划分、定义与功能抽象等,围绕未来网络通信需求,结合自治计算、自治通信、认知网络、泛在计算等研究领域的最新技术,提出适应未来网络/业务需求的新型通信网络体系结构模型,解决泛在移动环境下的互联网服务质量和新业务的多样性需求等问题。此外,应充分利用终端技术的多样化、智能化、多模化能力,研究传感器网络和移动通信网融合的自组织协同技术,在通信的末梢区域内实现各种终端能力、通信方式和接入手段的有机结合。

总之,区域部署的无线传感器网络、局域部署的无线自组织网络以及广域部署的移动网络互补融合的层次化新型体系架构,其异构链路可以提高网络数据传输效率、传输可靠性,其能量异构性也将提高网络的生命周期以及网络的健壮性。

3.4 混合网络特征与优势

混合网络最显著的特点在于异构性与移动性。节点能量、带宽、链路以及计算能力的异构性不仅可以提高网络的能量使用效率(即节点的能量使用效率)、网络吞吐量,网络可靠性和扩展性,同时扩展了无线传感器网络的应用领域并使商业化的部署变得简单可行。移动性使代理设备可动态进行信息挖掘,有效地减少传输链路长度、能量消耗,减轻了能量分布不均衡程度。

移动性使网络性能显著提升。移动代理通过减少节点传输数据量有效地保持能量,增大了系统生命期;通过减少跳数将有效地降低错误发生率,提高接收数据的可信度,也进一步减少节点因错误重传所消耗的能量;网络中的移动代理可作为的专用的中继节点,增加了数据传输效率,减少延时。此外,移动路由代理可解决稀疏网络及非连通网络问题。在大规模稀疏无线传感器网络下,传感器节点的空间密度较小,这就导致网络的连通性降低,进而影响数据的传输性能。将移动节点作为用于数据收集的移动Sink会大大弥补这种稀疏网络自身的不足,提升网络的整体性能。

同时,能量和链路等方面的异构性也带来诸多优势。网络中包含足够“高能”节点,可解决多对一传输中Sink附近节点成为能量瓶颈点问题,数据包可不经由能量较低节点转发而到达Sink,增大网络生命期。并且,链路异构性减少了节点向Sink发送数据的平均跳数。传感网络链路可靠性较低,每一跳均明显地降低了端到端的传输率。而骨干链路提供了一个跨网的高速链路,有效地增加了传输率、降低能耗。此外,一些移动设备较普通节点具备更高的智能性、可编程性,便携性,尤其是手机使用日益普及,在城市已形成较为成熟的规模化基础设施架构。

4 总结

无线传感网络作为物联网信息获取的泛在感知部分,是兆亿级“物物互联”的支撑技术。需要充分利用当前泛在、异构的网络环境及其之间的互补特性,通过协同实现异构无线网络技术的有机结合,以实现真正自组织、自适应的泛在智能服务。而将区域部署的无线传感器网络和广域部署的移动网络互补融合将是未来泛在智能和移动计算的发展趋势,也成为新一代宽带无线移动通信网的重要发展方向之一。但如何充分利用并扩展无基础设施网络的多跳和自组织特性,实现与有基础设施网络的结合,仍存在技术挑战和商业模式探索。

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