物聯網感知層標準體系架構研究

陳紅霞，趙俊鈺

（華信郵電咨詢設計研究院有限公司 杭州310014）

1 引言

信息產業經過多年的高速發展，經歷了計算機、互聯網與移動通信網兩次浪潮，2000年后步入疲軟階段，在此背景下，物聯網概念的提出立即得到全球的熱捧，被稱為世界信息產業的第3次浪潮，代表了下一代信息發展技術。

物聯網技術體系架構分為感知層、網絡層、應用層3個層次。感知層由各種具有感知能力的設備組成，主要用于感知和采集物理世界中發生的物理事件和數據；網絡層包括各種通信網與物聯網形成的承載網絡，可以將感知層感知和采集的數據信息通過現有通信網絡 （如2G/3G/4G網絡、互聯網等）上傳給應用層，完成感知層和應用層之間的信息通信；應用層包括業務支撐平臺和應用，可以實現物品信息的匯總、協同、共享、互通、分析、決策等功能。

作為物聯網應用的最前端，感知層的信息感知和采集效果對于物聯網功能的有效實現有著決定性的作用，而標準體系架構的研究和實現是完善物聯網感知層功能的基礎，因此，感知層標準體系架構的研究是必要且緊迫的。物聯網感知層不但包含網絡、通信、信息處理、傳感器、安全、服務技術、標識、定位、同步等傳統技術，還涉及到協同處理等新技術，覆蓋范圍較寬。國際國內相關標準化組織已開始進行物聯網感知層的標準架構研究，但各自的定義不統一，針對性也不同。本文通過對物聯網感知層共性需求和特定應用的提煉，提出了一種物聯網感知層的標準體系。

2 物聯網感知層標準體系架構

物聯網感知層標準體系如圖1所示，分為兩個層面：基礎平臺標準和應用層面。

基礎平臺標準是根據物聯網感知層的共同特征和技術需求提煉出來的，包含技術術語、接口、通信與網絡、協同信息處理、信息服務支持、網絡安全與隱私、一致性和互用性測試等模塊。應用層面中的典型應用可以通過對基礎平臺標準的剪裁進行定制。下面對物聯網感知層標準體系的各模塊分別進行說明。

2.1 技術術語

為了方便各國以及各組織在物聯網感知層研究方面的交流，促進研究發展，需要對物聯網感知層中的專用名詞和關鍵技術給予明確定義，形成業界統一的技術術語。

2.2 需求分析

需求分析是對各種感知層應用、服務的特征和功能需求進行提煉，需要從以下3個方面入手。

·對感知層應用模型和應用場景進行分析。

·通過物理層、MAC層、網絡層、應用層等對感知層的服務特征和功能需求進行分析。

·對感知層的發展前景和相關的標準化項目進行分析。

2.3 參考架構

由于物聯網感知層的各種應用和服務利用了不同的網絡協議、中間件和應用函數，對各種應用和服務的兼容性影響很大，需要建立物聯網感知層的參考架構。

2.4 接口

（1）傳感器接口

傳感器之間存在多種不同傳感器接口，這對感知層的兼容性十分不利，因此需要對市場上已有和正在研究的各種傳感器接口信息進行調研和搜集，制定統一的傳感器接口標準。現在比較常用的傳感器模擬和數字接口包括：4～20 mA、0～5 V、SPI、RS-232 等。

（2）數據類型和格式

傳感器種類和應用場景的不同會導致傳感器數據類型和格式的多樣化，現在比較常用的數據類型包括音頻數據、視頻數據、圖像數據、文本數據等，編碼和壓縮后的數據格式包括MPEG、JPEG、ASN.1、XML等。通過對不同的數據類型和格式進行劃分，制定明確的接口定義可以避免在不同傳感器和應用場景中出現數據不匹配的情況，提高感知層的應用效率。

2.5 通信和網絡標準

感知層的網絡協議需要具備自組織、自配置、魯棒性強、可升級等特點，一些已經應用的通信標準分別包含了以上特點。根據對已有標準的補充和剪裁，將感知層基礎平臺的通信和網絡標準分為4層：物理層、MAC層、網絡層和主干網接入層。

（1）物理層

物理層定義了感知層設備間在物理連接上進行原始數據傳輸的方法。根據感知層的不同應用需求，物理層包含的技術手段略有差別，一般包含發送頻率、調制方法、短距離通信策略、長距離通信策略、低速率傳輸、高速率傳輸等手段。感知層設備可以通過有線或無線互連。現有的很多有線和無線通信標準已經比較成熟，包括RS-232、RS-422、RS-423、RS-485、PLC、HFC、CAN、Ethernet等有線標準和IEEE 802.15.3、IEEE 802.15.4、藍牙、CDMA、WLAN 等無線標準。針對感知層特點的通信和網絡技術不斷涌現，需要把這些技術都考慮進來，根據感知層各種應用的共性需求，制定出最合適的物理層標準，實現感知層設備之間、網關之間、企業網之間的互連。

（2）MAC 層

MAC層保證了感知層設備間的邏輯連接，通過尋址和信道接入控制實現設備之間的通信。為了彌補物理層數據傳輸的不可靠性，MAC層還提供了流量控制、差錯檢測、差錯控制等服務，實現了設備之間數據的可靠傳輸。與其他網絡實體相比，物聯網感知層受到能量、通信、存儲、計算能力等的限制，因此MAC層標準必須實現較高的能效性和較少的數據交互。現有的一些MAC層協議并沒有考慮到這些限制，所以并不能有效應用于物聯網感知層中，可以通過對現有MAC層協議 (如CSMA/CA、動態TDMA、S-MAC等)的擴展性、設備休眠策略、信道接入控制技術、流量和差錯控制技術、多路復用技術的研究制定適用于物聯網感知層的MAC層標準。

（3）網絡層

網絡層位于物理層和MAC層之上，實現了流量控制、差錯檢測、中繼和路由選擇等功能。與有線傳輸相比，無線傳輸在能量、通信、存儲、計算能力等方面的限制對網絡層標準提出了更大的挑戰，需要結合以下技術才能有效解決這些問題：網絡信息的自配置、網絡地址和物理地址之間的地址解析、點到點的數據單元傳輸協議、端到端的數據單元傳輸協議、感知層設備和網關的時間同步和自定位、不同協議網絡的協同工作、路由策略。

（4）主干網接入層

無論是網絡間的通信，還是與人的交互，物聯網感知層都需要接入通信主干網實現其應用。感知層與主干網的接入可以分為有線(如 Ethernet等)和無線(如 GSM、3G、4G 等)兩種接入方式。主干網接入層協議通過對網關的發送接收和應用程序接口進行定義，實現與主干網的互連，對物聯網感知層各種應用的實現起到了決定性的作用。

2.6 網絡管理

與現有網絡相比，物聯網感知層包含了新的功能單元，而現有的網絡管理協議并沒有對這些功能單元提供支持，可以從以下幾個方面著手制定適合物聯網感知層的管理協議：在現有網絡管理協議(如SNMP、ZigBee等)的基礎上進行拓展，研究新的網絡管理協議、拓撲管理協議、不同管理協議協的同工作。

2.7 移動支持

物聯網感知層的移動性可以分為4類：網關移動、設備移動、用戶移動、環境移動。每種移動方式都需要提供相應的支持。

感知層內部設備與網關距離較遠時，需要通過多跳實現通信，能耗很大。通過網關移動可以增加網關的覆蓋面積，縮短網關與設備之間的距離，有效降低網絡的通信能耗。

感知層內的設備移動可以通過設備本身的特性實現，也可以通過把設備固定在可移動的物體上實現，無論是通過何種方式實現，都可以降低網絡的通信能耗，增加設備的覆蓋面積，減少設備的布設數量，從而降低整個網絡的布設成本。設備移動可以分為網絡內移動和網絡間移動。IP網絡中，網內移動的設備可以根據新位置更改內網IP，實現新的對應關系；網間移動的設備需要同時更改網關IP和內網IP，建立與新網絡內部設備的通信。

用戶移動可以分為兩種情況：用戶作為終端的移動和用戶作為設備的移動。用戶作為終端的移動會導致與用戶進行通信的網關發生變化，需要動態切換技術的支持；用戶作為設備的移動與設備移動情況類似。

環境移動是指感知層周圍的環境在某些情況下會發生變化，如天氣、空氣密度等，感知層的傳輸、處理等參數也需要隨之動態調整。

2.8 協同信息處理

在能量、通信、存儲、計算能力受限的物聯網感知層中，協同信息處理對于有效實現網絡應用起到了關鍵作用，可以通過3個方面建模：性能公告實體(CDE)、協同策略規劃實體(CSPE)、通信需求定義實體(CRSE)。

性能公告實體在物聯網感知層中通過廣播公告感知層設備自身的性能；協同策略規劃實體通過均衡資源消耗和應用效果尋求最優的協同處理方案；通信需求定義實體作為信息交換的接口，通過對網絡參數、網絡協議的定義實現物聯網感知層中的信息共享。

2.9 信息服務支持

信息服務支持包含信息描述、信息存儲、信息標識、目錄服務。

（1）信息描述

對感知層中傳輸的信息進行明確定義和描述是感知層協同工作的基本要求，可以利用現有的一些語言和符號(如ASN.1等)描述信息。

（2）信息存儲

由于感知層設備本地存儲能力不足，限制了很多應用，自適應數據分解的方法可以有效解決這個問題。感知層根據特定應用的需求，動態地通過信號降采樣、數據壓縮、減少冗余信息等數據分解方法降低數據存儲量，在數據量和數據精度之間進行折衷。

（3）信息標識

感知層的信息標識包含傳感器設備標識、設備類型標識、信息標識、信息類型標識、應用類型標識等，可以通過已有的一些標準(如OID、URI等)對這些信息進行標識。

（4）目錄服務

在感知層數據庫中，每個感知層設備對應一個目錄，通過對目錄的查找可以更迅速快捷地找到感知層設備的相應信息。感知層目錄服務標準的制定可以參考ISO/IEC 9594標準中的目錄服務標準。

2.10 服務質量

物聯網感知層的配置管理是否合理，功能實現是否有效，是否滿足了應用需求，判斷的依據是服務質量的衡量。制定合適的服務質量衡量方法對感知層的功能評估十分重要。

應用場景不同，使用的服務質量衡量方法也不同。根據應用服務模式，可以把感知層分為3類：時間驅動型、事件驅動型和查詢驅動型。時間驅動型應用是指感知層以某一確定時間為周期完成相應的信息感知和信息提供任務，如一些環境監測物聯網應用提供較為典型的時間驅動型服務；事件驅動型應用是指感知層以物理世界某一特定事件發生為觸發點，完成相應的信息感知和信息提供任務，是安防物聯網應用需要提供的關鍵服務類型之一；查詢驅動型應用是指感知層以來自用戶的查詢為觸發點，依據用戶查詢需求完成后續的信息感知和信息提供任務，是基于感知層的分布式數據庫系統所提供的核心服務之一。

對于以上3種應用服務模式，可以從兩個角度進行服務質量的衡量：通信角度和信息處理角度。由于物聯網感知層不僅是一個信息傳輸系統，更加是一個信息獲取、處理、提供系統，所以如果僅僅從傳統的通信角度衡量感知層的服務質量是不夠的，信息處理角度的評估也是不可或缺的。從通信角度看，可以從網絡延時、網絡抖動、網絡帶寬、丟包率等方面評估；從信息處理角度看，可以從誤警率、目標分類正確率、定位誤差等角度評估。圖2給出了這兩個角度具體的一些評估方法。

2.11 中間件功能

中間件功能表示的是物聯網感知層的一個功能集，包括信息獲取、信息過濾、數據比較和分析、數據挖掘、背景建模、背景感知處理、背景感知估計和決策、傳感器信息綜合管理等功能。

中間件功能位于應用層面和基礎功能層面之間，起到了承上啟下的作用，可以把中間件功能層面分為3個功能子層：支持功能子層、通用服務子層和區域特定服務子層，不同層面實現不同功能，如圖3所示。在明確定義了中間件功能層面各種功能的同時，還需要對中間件功能層面、應用層面和基礎層面的接口進行明確定義。

2.12 網絡安全與隱私

對于物聯網感知層的很多應用來說，網絡安全是實現其功能的基本保障。現階段感知層安全技術的研究主要集中在網絡加密技術、分布式密鑰管理、安全路由協議(如DSDV、DSR、SEAD等)、設備協作和自私機制、惡意資源消耗、入侵檢測模型等幾個方面。安全管理通過對現有安全技術的使用實現，需要滿足部署和應用方便、減少手動操作、降低能耗等幾個方面的要求。通過分析感知層采用的安全技術和安全管理手段，在選擇設備、構建感知層、接入主干網之前必須對物聯網感知層進行安全評估，以確定網絡的安全性能。

2.13 一致性和互用性測試

物聯網感知層要通過測試驗證是否滿足目標應用的需求。測試包括一致性測試和互用性測試，根據互操作協議制定測試用例，通過測試結果對感知層目標應用的需求滿足情況進行評估。

一致性測試是對感知層在特定網絡環境下接收測試用例后輸出數據的一致性進行測試，根據測試結果對感知層的一致性進行評估；互用性測試是通過在網絡互用環境下對感知層各執行實體間協議正確性、功能實現性、互用可行性的測試進行網絡協議正確性的評估。

2.14 應用層面

由于物聯網感知層的每一個實際應用都有其特殊的應用需求，所以需要對感知層的各種應用提供各自的應用層面，以對服務特征、處理函數、接口程序、運作屬性等作出定義。

3 結束語

物聯網感知層的研究還處于起步階段，需要研究和解決的問題很多，感知層標準體系的搭建無疑是感知層各種技術研究的前提和基礎，對感知層功能的有效實現至關重要。本文通過對物聯網感知層共性需要和特定需要的總結，提出了一種物聯網感知層的標準體系架構，對感知層標準體系的搭建和統一意義重大，對推動物聯網產業的發展起到了積極作用。標準體系中還有一些需要深入研究和細化的問題，如協同信息處理模型的進一步細化、中間件功能的進一步明確、網絡安全策略的標準化等，是下一步的研究方向。

1 韋樂平.物聯網的特征、發展策略和挑戰.電信科學,2011,27(5):1～5

2 楊倩.物聯網關鍵技術及應用.電信科學,2010,26(8A):139～142

3 趙俊鈺,諸旻,左建等.物聯網網絡服務支撐平臺方案研究.電信科學,2011,27(5):126～130

4 李健.物聯網關鍵技術和標準化分析.通信管理與技術,2010,17(3):17～20