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[編者按]區別于以往強調人與人連接的互聯網概念,物聯網將互聯的范圍擴展到了物與物。物聯網不僅在規模上更大,而且在語義上更豐富。傳統的互聯網和電信網均是以信息傳送為中心,而物聯網是以信息服務為中心,通過與傳感網、互聯網、電信網、云計算平臺相結合,把對物理世界的感知、認識、影響和控制與計算機系統進行融合,實現物理世界、數字虛擬世界和人類感知的統一。本講座將以物聯網的泛在信息感知、泛在網絡融合以及智能信息服務3個層面為線索,分期對物聯網技術進行概要介紹:第1講介紹無線傳感器網絡及泛在感知體系架構;第2講將介紹泛在網絡融合與協同技術;第3講將介紹物聯網的泛在智能業務等。1概述1.1物聯網與傳感網技術特征在計算機、微電子、通信網絡、人機交互等新技術的推動下,人類社會逐步由網絡連接的特征轉向了泛在信息服務的特征。物聯網正是在這一背景下快速發展起來的,但由于其技術內涵和外延的不斷演進,至今仍難以形成一個統一、完整和精確的定義。在其技術的不同發展時期,人們對物聯網的定義也有所變化。2005年11月17日,國際電信聯盟了《ITU互聯網報告2005:物聯網》,強調物聯網是基于射頻識別(RFID)的物與物、物與人的互聯網。但是,隨著傳感器網絡的日漸成熟,現代服務科學技術與新興業務的日漸豐富,物聯網的傳統概念已不能適應其技術與應用需求的發展趨勢。人們一般認為物聯網是融合了基于傳感器網絡的多元信息采集、基于互聯網、電信網乃至廣電網的信息傳送,以及基于信息服務網絡的新興業務與應用3個主要部分。其典型特征如下:(1)廣泛的信息獲取能力。作為物聯網發展的引擎,傳感器網是信息感知和處理的末梢。其區別于其它網絡的核心在于可以近距離、多視角、多參數的采集環境和事件的海量、多元信息,其中信息表現形式的多樣性,信息數量的巨大性,信息關系的復雜性都前所未有。傳感器設備可以通過節點標識賦予信息特有的位置特征、身份特征等,可方便用于后期信息處理和信息溯源等應用。(2)可靠的信息傳送能力。隨著物聯網的出現,信息種類的豐富性和服務質量保證的差異性會比現有網絡更加復雜,“信息服務”而非“連接服務”將成為未來物聯網運營的基本特征。此外,作為建設泛在信息社會的基礎設施和支撐環境,泛在網絡將成為信息通信網絡基礎設施發展的重要目標。在各種現有網絡的融合與協同的基礎上,需要可靠有效的傳輸技術適應泛在智能服務的需要,為人們提供豐富的現實世界信息。(3)高效的信息應用能力。物聯網區別于現有網絡的核心在于其業務的泛在智能特性:海量感知信息的豐富性和可靠信息傳送的泛在性,將促使物聯網的業務呈現一種多元化的趨勢。對海量感知信息進行加工和利用,為社會、行業以及大眾用戶提供新的業務模式和業務體驗,尤其是為其提供情境自適應的泛在服務、業務運營模式和管理體系將成為物聯網的主要特征之一。本講座針對物聯網的3個重要組成部分——基于傳感器網絡的多元信息采集、基于泛在網絡融合的信息傳送,以及面向信息利用的新興服務技術與業務為線索展開。本期重點介紹傳感器網絡相關內容。1.2傳感網發展背景20世紀中期以來,計算技術和網絡技術的結合催生了許多新的應用模式和技術手段,但這二者的結合仍然基本屬于傳統的“人與人”或者“人與機”交互的范疇。直到20世紀90年代,隨著通信技術、嵌入式計算技術,以及微電子技術的飛速發展,尤其是與摩爾定律相印證,各類電子產品的制造成本持續地降低到人們可以接受的時候,一種同時擁有感知、計算和通信能力,并且能適用于各類不同環境的微型智能傳感器開始在世界范圍內出現。而這些微小傳感器節點的網絡化將全面改變人們信息獲取方式,這就是無線傳感器網絡技術(WSN)。無線傳感器網絡是一種新興的、極具發展潛力的網絡技術,這種網絡可以將大量簡單的節點大冗余地隨機部署在人跡罕至的惡劣環境中,節點之間通過自組織的組網,能夠協作地實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種復雜環境或監測對象的信息,并對這些信息進行網內處理,從而獲得詳盡而準確的信息并傳送給感興趣的觀測者。作為溝通客觀物理世界和主觀感知世界的載體與橋梁,無線傳感器網絡將是一種全新的信息獲取和處理技術,是信息感知和采集的一場革命。無線傳感器網絡的研究始于美國,最早是由美國國防部高級研究計劃局(DARPA)為軍事應用而發起的。無線傳感器網絡目前已是美國網絡通信和信息處理領域的熱點研究之一,正步入一個高速發展的上升時期。歐盟在2007年的IST第七框架中將無線傳感器網絡列為網絡化嵌入式控制系統的重要研究目標之一;韓國的IT839計劃也將“無處不在的傳感器網絡”列為三大尖端基礎設施的建設內容;日本的e-JAPAN和U-JAPAN戰略將傳感器網絡列為在2010年需要實現的下一代信息和通信技術(ICT)社會的遠景目標之一。2傳感網關鍵技術及發展現狀2.1節點技術節點技術是無線傳感器網絡研究與應用的基礎,所有與無線傳感器網絡相關的協議、機制、算法等都需要在節點上得以實現才具有實際意義。因此,節點的設計和實現,是影響整個網絡系統的功能、性能以及投入成本的最主要因素。目前無線傳感器網絡大都采用通用嵌入式平臺作為網絡節點,例如Crossbow的Mica系列以及Telos系列節點。它們的特點是采用通用的CPU來外接傳感器、射頻芯片等外設以此構成傳感器節點,并以軟件開發為主要開發手段。由于有TinyOS等操作系統的支持,使得圍繞此類節點的研發相對容易。但是由于節點上的硬件已經固定,使得研發的靈活性有限,并不能在物理設計上進行改進來減少節點的體積、成本和功耗。并且由于節點的處理能力有限,很難進行復雜程序的開發。無線傳感器網絡的應用需求雖然多種多樣,但大都要求網絡節點具備低功耗、低成本、小體積、布設方便、工作可靠等關鍵性能。采用片上系統集成技術的節點通過高度集成化及在物理設計上進行改進以減小體積、成本和功耗,并設計無線傳感器網絡專用的體系結構以提高計算效率和計算能力,是從根本上解決低功耗、低成本和小體積的技術途徑,將能代表未來節點技術的發展趨勢。2.2網絡協議與組網技術在無線傳感器網絡研究應用中,協議棧的設計直接決定著節點自組織方式、通信性能以及異構網絡互聯和接入方式。在網絡資源受限情況下保持其能量有效性、可擴展性、傳輸可靠性等是該技術研究目的之一。中國和國際上研究無線傳感器網絡協議棧和自組網技術大體上分可為兩類:基于非IP的協議棧設計和基于IP的協議棧設計。基于非IP的協議棧設計以Zigbee協議棧和Sensor-Net協議棧為代表。Zigbee協議是由Zigbee聯盟提出的低能耗、低功率、可靠的無線網絡標準;而Sensor-Net是一種針對傳感器網絡設計的體系結構,在完成能量管理、系統管理、時間同步、發現以及安全等任務時,采用了跨層設計的方法,通過各層間的相互協作使系統達到良好的管理控制效果。目前基于IP的協議棧設計較少,主要以NanoStack、PhyNet和IPv6微型傳感路由器為代表。NanoStack是基于6LoWPAN的嵌入式傳感器網絡軟件項目,該協議棧包括用戶數據包協議/控制報文協議(UDP/ICMP)、6LoWPANIPv6協議、IEEE802.15.4媒體訪問控制協議(MAC)等。由于IPv6支持的數據包容量遠遠大于IEEE802.15.4最大的幀容量,因此在網絡層和數據鏈路層之間設計、添加了適配層,實現IP數據包的分片和重組,以適應低速率的傳輸限制要求。PhyNet協議棧是基于互聯網工程任務組(IETF)工作組6LoWPAN標準制定的在無線個域網環境下實現IP通信的產業標準方案。該協議棧以IETF工作組提出的6LoWPAN標準為核心技術,嚴格支持IEEE802.15.4物理層及MAC層協議。

此外,無線傳感器網絡還必須支持與其他網絡的互聯,完成信息的共享和處理。為此,需要在無線傳感器網絡體系結構和自組網技術的基礎上,研究無線傳感器網絡與其他網絡互聯的方式,研究無線傳感器網絡接入其他網絡的總體模型等。2.3信息處理技術傳感器網絡中的信息處理相關技術涉及范圍廣,包括在節點內的嵌入式、輕量級信息處理技術以及節點間的分布式網絡化信息處理技術。一方面無線傳感器網絡具有低成本、高觀測精度、異類傳感器信息可互補融合的優勢,為實現理想的信息處理技術提供了條件和基礎。另一方面,考慮無線傳感器網絡低耗自組、異構互連、泛在協同以及節點資源受限的特性,使得其信息處理又有著自身的特點以及技術要求和技術挑戰,具體的核心信息處理技術研究現狀如下:節點內信號處理與信息識別、信息提取技術。其目的是保證信號采集感知的準確性,特別是針對傳感器網絡節點的資源有限性,需要實現嵌入式、輕量級的信號處理與信息識別、提取等技術。顯然,節點中的信號處理與信息識別、信息提取技術是和應用密切相關的,且需要調諧節點信號處理智能化程度及因資源限制算法輕量級的關系。通過節點間協同處理的分布式協同處理技術。其研究目的是提高節點對環境及目標狀態估計與屬性識別的決策智能性,包括分布式節點協同技術、多傳感器信息融合技術等。由于傳感器網絡節點只能感知到局部的信息,就必須要節點的協同以便獲知全局信息。此外,多傳感器系統中,信息表現形式的多樣性,信息數量的巨大性,信息關系的復雜性都是前所未有的。這就使多傳感器信息融合技術成為無線傳感器網絡信息處理的關鍵技術之一。信息壓縮及信息編碼技術是為能顯著提高多跳鏈路的傳輸性能、實現信號有效、可靠的傳輸。報文壓縮通過減少信息冗余來減少報文長度,是一種有效的低功耗通信技術,并且可以減小數據報的端對端傳輸延遲,減少訪問共享信道的沖突率。2.4安全技術由于資源限制等特性,無線傳感器網絡的安全問題比傳統網絡面臨更多的挑戰。適用于無線傳感器網絡的低能耗安全解決方案需考慮通信和計算的有效負載、安全密鑰的分發與更新、節點安全認證與抗捕獲性、安全密鑰管理的擴展性等因素。這部分研究的目的是保證節點安全通信的信息安全。密鑰管理是安全管理中最重要、最基礎的環節,引入密鑰管理機制進行有效控制,對增加網絡的安全性和抗攻擊性是非常重要的。另外,在傳感器網絡安全攻擊方面,常常集中于安全路由技術。近年來,中國對傳感器網絡安全的研究主要集中在某些具體的密鑰管理協議方面,對網絡安全性缺乏系統地研究,且基本上還停留在理論模型的水平上。在安全路由技術方面的研究主要集中在路由算法的穩定性和算法仿真等方面,提出傳感器網絡路由的安全模型和安全目標,尚未提出一些具體實用的安全路由方法。總的來說,中國對傳感器網絡的安全模型研究大部分集中在某個特殊的應用場合,針對無線傳感器網絡的通用性安全解決方案的研究較為缺乏,因此系統地開展傳感器網絡的通用安全模型的研究和實踐,包括安全通信協議、安全密鑰管理機制、安全路由與訪問控制等模型是當前安全技術研究一個目標和趨勢。3傳感網體系架構傳感網體系結構旨在研究網絡中節點間關系,即網絡組織形式。傳統的無線傳感器網絡中,數量龐大的節點之間往往采用平等、多跳、自組織的無線通信方式完成用戶指定的任務。而這種基于靜態固定數據接入節點的網絡存在著節點能量損耗不均勻、數據傳輸效率低、部署缺乏靈活性、網絡結構單一、易產生路由空洞、覆蓋空洞及瓶頸節點等固有問題,往往導致其整體網絡性能劣化。因此,層次型WSN近年來成為研究熱點,它優化了如能效、吞吐量、實時性、可靠性、可擴展性等網絡性能。

3.1平面傳感網絡架構平面無線傳感網絡體系結構是由散布在一定地理區域的大量靜態節點組成。感知數據由源節點以自組織方式經過多跳傳遞到遠端Sink節點。通常情況下,這些節點具備類似的能量、儲存、計算和傳輸能力,即節點是同構的。其數據流向多表現為“多對一”的特征,Sink的鄰居節點將充當大數據量的轉發節點功能。因此,隨著網絡規模的擴大,將不可避免地在Sink鄰居節點處形成瓶頸節點,導致網絡性能下降,甚至直接導致網絡癱瘓。此外,數據在多跳網絡中傳輸丟失的機率隨網絡規模的擴大而增加,轉發數據節點數量也隨網絡規模增大而增多,相應的能量消耗加劇,由此導致網絡性能隨網絡規模的擴張而降低。3.2雙層傳感網絡架構為解決平面結構Sink鄰居節點成為網絡瓶頸的問題,典型的雙層傳感網絡結構將選取一定數量的節點作為固定接入點,如圖1(a)所示,并將這些固定接入點稀疏散布在網絡中,形成上層覆蓋網絡以匯聚轉發其臨近區域的節點信息。這在一定毛程度上均衡了網絡能量消耗,并提高了網絡性能。但類似地,固定接入點附近仍會形成高能耗、大傳輸量的瓶頸區域。與此同時,終端技術的發展也呈現出明顯的多樣化、智能化、多模化的趨勢。各種便攜式的消費類電子產品,如手機、筆記本電腦、PDA等不僅具有強大的計算、通信能力及移動性,而且將取代傳統無線傳感器網絡中的固定Sink,從而形成具有移動Sink的新型傳感網體系架構。如圖1(b)所示,移動Sink在網絡內隨機運動,獲取臨近區域節點信息,并將數據轉發至接入點。進一步地,移動Sink之間可協同形成上層自組織網絡,如圖1(c)所示。移動Sink之間的協同工作能夠更顯著提高無線傳感器網絡的性能:將復雜的數據處理、接入處理、數據轉發傳輸、路由維護等工作交由移動終端來完成,可以盡可能地降低由于多跳無線傳輸造成的數據錯誤(或丟包),還可以利用移動終端相對較強的計算能力減輕無線傳感器網絡的網內信息處理量。雙層體系結構突破了傳統平面結構中多個節點向一個固定Sink傳輸數據的模式,有效地增大了系統生命期,均衡了網絡能量消耗,提高了數據傳輸效率并獲得了更好的網絡覆蓋性。但雙層網絡結構優化仍局限于傳感網本身,而未考慮異構網絡環境中與其他網絡融合的問題。3.3三層傳感網絡架構當前,無線技術共同為用戶提供了泛在、異構的網絡環境。這些異構無線網絡分別具有不同的背景、目標、發展方向、系統結構、覆蓋范圍、通信協議、鏈路特性、應用場景和業務提供能力。在此背景下,三層傳感網結構(如圖2所示)充分融合了有基礎設施的蜂窩網及無基礎設施的傳感網的互補特性,更有效地解決了由固定數據接入點導致的網絡性能惡化等問題,并更適合應用在未來泛在、異構、協同的網絡環境中。具體地說,有基礎設施的蜂窩網具有強大的業務平臺、完善的運營模式和管理體系,但由于采用相對集中的控制和管理體系而缺乏靈活性;傳感網因其自組織性而具有顯著的靈活性,但傳輸距離短,缺乏完善的運營模式和管理體系。兩者有機融合使得區域部署的無線傳感器網絡能借助移動廣域網的覆蓋獲得信息,并更廣范圍地傳遞和交互。而移動廣域網利用無線傳感器網采集到的豐富信息資源得到業務能力的拓展。從而在機器之間、機與人之間,人與現實環境之間實現高效的信息交互方式,從信息采集、傳輸、處理、反應的整體上優化信息流通模式,建立起人與其周邊更加和諧的聯系。無線傳感器網絡與移動通信網絡融合也帶來技術上的挑戰。非IP和IP相融合的網絡與業務應充分利用并擴展無基礎設施網絡的多跳和自組織特性,實現與有基礎設施網絡的結合。需重點研究泛在異構網結構的層次與平面的劃分、定義與功能抽象等,圍繞未來網絡通信需求,結合自治計算、自治通信、認知網絡、泛在計算等研究領域的最新技術,提出適應未來網絡/業務需求的新型通信網絡體系結構模型,解決泛在移動環境下的互聯網服務質量和新業務的多樣性需求等問題。此外,應充分利用終端技術的多樣化、智能化、多模化能力,研究傳感器網絡和移動通信網融合的自組織協同技術,在通信的末梢區域內實現各種終端能力、通信方式和接入手段的有機結合。

總之,區域部署的無線傳感器網絡、局域部署的無線自組織網絡以及廣域部署的移動網絡互補融合的層次化新型體系架構,其異構鏈路可以提高網絡數據傳輸效率、傳輸可靠性,其能量異構性也將提高網絡的生命周期以及網絡的健壯性。3.4混合網絡特征與優勢混合網絡最顯著的特點在于異構性與移動性。節點能量、帶寬、鏈路以及計算能力的異構性不僅可以提高網絡的能量使用效率(即節點的能量使用效率)、網絡吞吐量,網絡可靠性和擴展性,同時擴展了無線傳感器網絡的應用領域并使商業化的部署變得簡單可行。移動性使設備可動態進行信息挖掘,有效地減少傳輸鏈路長度、能量消耗,減輕了能量分布不均衡程度。移動性使網絡性能顯著提升。移動通過減少節點傳輸數據量有效地保持能量,增大了系統生命期;通過減少跳數將有效地降低錯誤發生率,提高接收數據的可信度,也進一步減少節點因錯誤重傳所消耗的能量;網絡中的移動可作為的專用的中繼節點,增加了數據傳輸效率,減少延時。此外,移動路由可解決稀疏網絡及非連通網絡問題。在大規模稀疏無線傳感器網絡下,傳感器節點的空間密度較小,這就導致網絡的連通性降低,進而影響數據的傳輸性能。將移動節點作為用于數據收集的移動Sink會大大彌補這種稀疏網絡自身的不足,提升網絡的整體性能。同時,能量和鏈路等方面的異構性也帶來諸多優勢。網絡中包含足夠“高能”節點,可解決多對一傳輸中Sink附近節點成為能量瓶頸點問題,數據包可不經由能量較低節點轉發而到達Sink,增大網絡生命期。并且,鏈路異構性減少了節點向Sink發送數據的平均跳數。傳感網絡鏈路可靠性較低,每一跳均明顯地降低了端到端的傳輸率。而骨干鏈路提供了一個跨網的高速鏈路,有效地增加了傳輸率、降低能耗。此外,一些移動設備較普通節點具備更高的智能性、可編程性,便攜性,尤其是手機使用日益普及,在城市已形成較為成熟的規模化基礎設施架構。4總結無線傳感網絡作為物聯網信息獲取的泛在感知部分,是兆億級“物物互聯”的支撐技術。需要充分利用當前泛在、異構的網絡環境及其之間的互補特性,通過協同實現異構無線網絡技術的有機結合,以實現真正自組織、自適應的泛在智能服務。而將區域部署的無線傳感器網絡和廣域部署的移動網絡互補融合將是未來泛在智能和移動計算的發展趨勢,也成為新一代寬帶無線移動通信網的重要發展方向之一。但如何充分利用并擴展無基礎設施網絡的多跳和自組織特性,實現與有基礎設施網絡的結合,仍存在技術挑戰和商業模式探索。