物联网与电信网融合技术

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1 物联网的概念

物联网(Intemet ofthings)的概念于1999年由美国麻省理工大学提出,目前业界并没有统一、精确的定义。早期的物联网是依托射频识别(RFID)技术的物流网络,随着技术和应用的发展,物联网的内涵已经发生了较大变化。在新的时代,物联网是指在物理世界的实体中部署具有一定感知能力、计算能力和执行能力的嵌入式芯片和软件,使之成为“智能物体”,通过网络设施实现信息传输、协同和处理,从而实现物与物、物与人之间的互联。把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理。

在感知领域的另外一个术语就是传感网,它将大量、多种类传感器节点(传感、采集、处理、收发、网络于一体)组成自治的网络,实现对物理世界的动态协同感知。可以看出,传感网是以感知为目的的物物互联网络。从用户或产业应用的角度也被称为物联网,因此传感网和物联网的概念本质上是相同的。两个概念的使用场景存在一定差异,传感网是实现物物通信的重要手段和基础设施。因此更多的是从实现的角度来描述网络本身。而物联网则从应用的角度来描述物物通信的网络,在本文中根据实际情况,两种概念均会使用。

明确的物联网发展已有5 年历史.日本最早于2004年提出以发展泛在网络社会为目标的U- Japan构想,计划于2O04—2007年共投入29亿美元,预计到2010年将带来371亿美元的直接收益。韩国提出了U.Korea战略及 IT839战略,计划到2010年共投入700亿美元,物联网发展是其中三大基础建设之一。2009年4月,美国政府公布了40亿美元智能电网投资计划.智能电网在现有电网基础上,通过在发电、输电等各个环节引入先进的传感和测量技术、控制方法以及决策支持系统实现电网高可靠、高效运行。智能电网可以实现高压输电线安全监控、电力设备工作情况监控、智能用户需求响应、实时定价、停电检测、电能质量监测等目标。美国能源部预计这一计划在未来20年内将节省投资800亿美元。

2 物联网的关键技术

物联网的几个关键环节可以归纳为“感知、传输、处理”,实现“及时、精确、全面地获取和处理信息,达到科学决策、降低成本、提高效率、保护环境、增强安全等目标,更加有利于人类的可持续性发展”。其中,传感技术、纳米技术、嵌入式智能技术、射频识别技术以及网络和通信技术为物联网的发展和广泛应用提供了基础。

(1)传感器与传感节点技术

传感器是指能感知预定的被测指标并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。传感器的类型多样,可以按照用途、材料、输出信号类型、制造工艺等方式进行分类。常见的传感器有速度传感器、热敏传感器、压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器等。随着技术的发展,新的传感器类型也不断产生。传感器的应用领域非常广泛,包括工业生产自动化、国防现代化、航空技术、航天技术、能源开发、环境保护与生物科学等。

随着纳米技术和微机电系统(MEMS)技术的应用.传感器尺寸的减小和精度的提高,也大大拓展了传感器的应用领域。物联网中的传感器节点由数据采集、数据处理、数据传输和电源构成。节点具有感知能力、计算能力和通信能力,也就是在传统传感器基础上,增加了协同、计算、通信功能,构成了传感器节点。智能化是传感器的重要发展趋势之一,嵌入式智能技术是实现传感器智能化的重要手段,其特点是将硬件和软件相结合,利用了嵌入式微处理器的低功耗、体积小、集成度高和嵌入式软件的高效率、高可靠性等优点,同时结合人工智能技术.推动物联网中智能环境的实现。

(2)射频识别技术

射频识别(RFID)技术是一种非接触式的自动识别技术,通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID为物体贴上电子标签,实现高效灵活管理,是物联网的支撑技术之一。典型的RFID系统由电子标签、读写器和信息处理系统组成。当带有电子标签的物品经过特定的信息读写器时.标签被读写器激活并通过无线电波将标签中携带的信息传送到读写器以及信息处理系统,完成信息的自动采集工作。信息处理系统根据需求承担相应的信息控制和处理工作。

(3)网络和通信技术

传感网依托网络和通信技术实现感知信息的传递和协同。传感网的网络技术分为两类:近距离通信和广域网络通信技术等。在广域网络通信方面,IP互联网、 2G/3G移动通信、卫星通信技术等实现了信息的远程传输。特别是以IPv6为核心的下一代互联网的发展,将为每个传感器分配IP地址创造可能,也为传感网的发展创造了良好的基础网条件在近距离通信方面,以IEEE 802.15.4为代表的近距离通信技术是目前的主流技术,805.15.4规范是 IEEE制定的用于低速近距离通信的物理层和媒体接人控制层规范,工作在工业科学医疗(ISM)频段,免许可证的2.4 GHz ISM频段全世界都可通用。802.15.4的低功耗、低速率和短距离传输的特点使它非常适宜支持计算和存储能力有限的简单器件。

随着互联网的进一步扩展,业界开始研究如何通过一种新型的低功耗网络连接技术将IP的使用扩展到资源受限的传感器节点设备上,IETF 6LowPAN工作组负责研究的 Iev6over 802.15.4协议,在应用层和MAC层之间增加了一个适配层,使得IPv6可以在802.15.4网络上实现高效通信,从而逐步实现物联网和互联网的融合。目前IETF在该领域已经形成两个RFC:RFC 4919和RFC 4944。物联网能够整合上述所有技术的功能.实现一个完全交互式和反应式的网络环境。

3 物联网和电信网的融合需求及架构

传感网南部署在观察区域内大量的微型传感器节点组成,主要通过无线通信方式形成多跳的自组织网络系统,目的是协作感知、采集网络覆盖区域中感知对象的信息,并传送给观察者。典型的传感网网络结构如图1所示.由传感器节点、关口节点(sink node)组成。传感器节点通过自组织方式构成网络,节点之间通过无线的方式进行通信.并通过多跳方式将感知到的数据传到关口节点,关口节点借助长距离通信将区域的数据传送到远程的应用中心。由于传感网节点数量众多,采集的数据量大,因此数据通常需进行节点间的协同处理和融合汇聚。

目前.大多数的传感网应用仅仅是孤立应用系统,相互之间没有关联和交互。要想真正达到物联网确定的最终目标,就必须实现和电信网的融合,打破这种孤立的形态,形成新一代物联网。如IETF 6LowPAN工作组所做的工作,传感器和IP互联网的融合已是不可避免的趋势,即传感器将逐步IP化,互联网的功能范围将从个人电脑等传统终端逐渐扩展到传感器节点中,传感器节点将真正成为电信网中的一个终端节点。

图1 传感网通信方式示意图

传感网络有别于其他网络的特征有:

· 节点处理能力低、内存小,能力有限:

· 节点电源小,蓄电少;

· 通信失败率高.带宽低,链接失败率高;

· 环境条件相对苛刻,节点故障或互联出问题的几率较大:

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