基于北斗系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用評述

張飛舟，何漢賢

（北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871）

1 引言

眾所周知，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）可以為用戶提供精確、連續(xù)的三維位置和速度信息，并具有授時功能。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)亦簡稱為北斗系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system，BDS）是我國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，也是繼美國全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）和俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GLONASS）之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［1-3］。BDS由空間端、地面端和用戶端組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并具有短報文通信能力，已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ缓褪跁r能力，定位精度優(yōu)于20m，授時精度優(yōu)于100ns。2012－12－27北斗系統(tǒng)空間信號接口控制文件1.0版正式公布，BDS導(dǎo)航定位業(yè)務(wù)正式對亞太地區(qū)提供無源定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)。2013－12－27北斗系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)一周年新聞發(fā)布會在國務(wù)院新聞辦公室新聞發(fā)布廳召開，正式發(fā)布了 《北斗系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范（1.0版）》和 《北斗系統(tǒng)空間信號接口控制文件（2.0版）》兩個系統(tǒng)文件。中國BDS和美國GPS、俄羅斯GLONASS及歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system，Galileo）一起，是聯(lián)合國衛(wèi)星導(dǎo)航委員會已認定的供應(yīng)商。

另一方面，全球經(jīng)濟一體化、城鎮(zhèn)化、自然或人為災(zāi)害日益頻繁化等帶來的一系列社會問題，人們生活、工作正常運行和高效管理已經(jīng)成為我國乃至世界亟待解決的問題之一。與此同時，全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)（the Internet of Things）、新一代移動寬帶網(wǎng)絡(luò)與云計算等新一輪信息技術(shù)迅速發(fā)展和不斷深入應(yīng)用，為城市運行管理進入 “智慧化”提供了技術(shù)保障，奠定了堅實的科技基礎(chǔ)，向更高階段的智慧化發(fā)展已成為城市發(fā)展的必然選擇［4-6］。隨著我國BDS衛(wèi)星組網(wǎng)日益完善，使城市運行管理更加智慧化提供了可能性。本文基于BDS在物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)域進行探討，分析了基于BDS的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，為我國BDS在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供理論與技術(shù)支撐。

2 物聯(lián)網(wǎng)及其網(wǎng)絡(luò)層體系結(jié)構(gòu)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)簡述

物聯(lián)網(wǎng)是指在物理世界的實體中部署具有一定感知能力、計算能力的各種信息傳感設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實現(xiàn)信息獲取、傳輸和處理，從而實現(xiàn)廣域或大范圍的人與物、物與物之間信息交換需求的互聯(lián)。簡單的說，物聯(lián)網(wǎng)就是通過識別、感知的技術(shù)與設(shè)備獲取物體/環(huán)境的靜/動態(tài)屬性信息，再由網(wǎng)絡(luò)傳輸通信技術(shù)與設(shè)備進行信息/知識交換和通信，通過電腦或手機實現(xiàn)對物體的智能化管理和信息采集分析，實現(xiàn)人－機－物世界的智能化管理與控制的一種 “人物互聯(lián)、物物互聯(lián)、人人互聯(lián)”的高效能、智能化網(wǎng)絡(luò)，圖1為物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)層次框圖。從圖1中可以看出，物聯(lián)網(wǎng)有三個層次，即用來感知數(shù)據(jù)的感知層、傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)層和面向用戶的應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)中重要的支撐系統(tǒng)是感知層和網(wǎng)絡(luò)傳輸層，感知層目前常用的技術(shù)有射頻識別（radio frequency identification，RFID）、紅外感應(yīng)等，用以完成物品信息的收集并上傳網(wǎng)絡(luò)傳輸層；網(wǎng)絡(luò)傳輸層則主要利用全球移動通信系統(tǒng)（global system for mobile communications，GSM）、3G/4G等移動網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至相應(yīng)的處理中心，進行分類處理，而物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層屬于瓶頸技術(shù)，存在大量技術(shù)空白，且國際化標(biāo)準(zhǔn)體系尚未形成，專利空間巨大［3，7-8］。因此，解決不同的數(shù)據(jù)量傳輸，將短距離至長距離無線網(wǎng)絡(luò)全部囊括其中，以建立一個完整的物聯(lián)網(wǎng)是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層體系所面臨的首要課題。GNSS具有定位精度高、覆蓋面廣泛、用戶容量大、實時性強等特點，既可以作為感知終端，也可以作為傳輸網(wǎng)絡(luò)。可以預(yù)見，若將BDS和傳感網(wǎng)絡(luò)及移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合集各家之長可以方便建立起集數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和業(yè)務(wù)管理于一體的綜合網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方案，這樣BDS在物聯(lián)網(wǎng)中有廣闊的應(yīng)用前景。同時，從物聯(lián)網(wǎng)的含義及其架構(gòu)不難看出，為實現(xiàn)物的定位及追蹤，具備全天時、全天候不受地域限制的衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)無疑是物聯(lián)網(wǎng)中十分重要的支撐力量。BDS除具備定位、授時功能外，所獨有的短信報文通信功能無疑也是物聯(lián)網(wǎng)時代最具亮點的特性，尤其能夠在固網(wǎng)及移動網(wǎng)絡(luò)不能提供服務(wù)的情況下，保證物聯(lián)網(wǎng)體系中接入網(wǎng)絡(luò)的暢通。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)層次框圖

2.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)

無所不在的無線傳感網(wǎng)是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，安置在實物上的電子介質(zhì)產(chǎn)生的數(shù)字信號可隨時隨地通過它傳送出去。而無線傳感網(wǎng)之所以會在未來有廣闊的前景，在于它很好地解決了最后一公里、最后一百米、最后十米或者是最后一米的問題。但是，若將無線傳感網(wǎng)所采集的信息傳輸?shù)綌?shù)千公里之外，僅僅依靠其本身的傳輸能力顯然已經(jīng)無法滿足需要了，因此結(jié)合蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)和BDS，構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的三層體系結(jié)構(gòu)［3，8］，如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)框圖

2.2.1 無線傳感網(wǎng)

無線傳感網(wǎng)是一種無中心節(jié)點的全分布系統(tǒng)。通過隨機投放的方式，眾多傳感器節(jié)點被密集部署于監(jiān)控區(qū)域。這些傳感器節(jié)點集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，其通過無線信道相連，自組織的構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，測量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號，探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多人們感興趣的物理現(xiàn)象。其中，ZigBee技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)的構(gòu)建。ZigBee技術(shù)是一種面向自動化和無線控制的低速度、低功耗、低價格的無線網(wǎng)絡(luò)方案，具有省電、可靠、廉價、短時延、大網(wǎng)絡(luò)容量和安全的特點，但傳輸距離僅為10～75m，具體數(shù)值還要取決于射頻環(huán)境以及特定應(yīng)用條件下的輸出功耗，同時通信速率在2.4GHz時僅為250kb/s，傳輸速率較低。

2.2.2 蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)

移動通信是指通信的雙方或至少有一方是在移動中進行信息交換，例如運動中的人、汽車、輪船、飛機等移動體間的通信。由于移動通信用戶是在運動中進行通信聯(lián)系的，信號的傳輸只能依靠無線電波，因此無線電通信是移動通信的基礎(chǔ)［3，9］。目前，應(yīng)用最廣泛的是公用蜂窩移動通信系統(tǒng)，它具有涉及領(lǐng)域廣、網(wǎng)絡(luò)能力強、技術(shù)新等特點。就目前運營3G/4G而言，快速移動環(huán)境下最高速率達144kb/s；室外到室內(nèi)或步行環(huán)境下最高速率達384kb/s；室外環(huán)境下最高速率達2Mb/s，3G/4G網(wǎng)絡(luò)傳輸骨干資源已經(jīng)較為完善，帶寬資源也較為豐富。

2.2.3 北斗系統(tǒng)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站，轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電波，在兩個或多個地球站之間進行通信。我國自行研制的BDS是一種全天候提供定位、通信、授時的衛(wèi)星系統(tǒng)，具有雙向通訊功能，可以一次傳送120字的短報文信息，這是GPS所不具備的，是其在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的一個重要基礎(chǔ)［10-11］，BDS原理框圖如3所示。BDS除了實時、精確地報告救援人員位置。當(dāng)?shù)孛嬗芯€、無線通信設(shè)備都損毀后，北斗報文通信功能更能發(fā)揮極其重要作用。

圖3 北斗系統(tǒng)原理框圖

3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層三層體系結(jié)構(gòu)分析

3.1 傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的局限性

由無線傳感網(wǎng)絡(luò)、蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)和BDS構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層是一個完整的體系架構(gòu)，其目標(biāo)是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)信息在世界范圍內(nèi)的可靠共享。通常，傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為主，受節(jié)點體積、價格和能源供應(yīng)等因素限制，其通信距離有限，被限定在了某一特定區(qū)域內(nèi)。若這一區(qū)域距離用戶終端較遠，那么采集到的原始數(shù)據(jù)就失去了價值。同時，隨著數(shù)據(jù)采集量的爆炸式增長，單純的依靠無線傳感網(wǎng)來完成大規(guī)模數(shù)據(jù)的采集和傳輸顯然捉襟見肘［3，8，12］。目前，各國的蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)以3G/4G為主，技術(shù)成熟，基礎(chǔ)設(shè)施完善，傳輸速率完全能夠滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)實時、大規(guī)模數(shù)據(jù)采集的需要，特定區(qū)域的傳感網(wǎng)完全可以接入本地蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)實施數(shù)據(jù)傳輸。但是受政治、經(jīng)濟和知識產(chǎn)權(quán)等利益的制約，蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的適用范圍還僅僅限于國家級，若將無線傳感網(wǎng)采集的信息傳輸至數(shù)千公里之外，僅靠蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)還無法實現(xiàn)。作為彌補，衛(wèi)星系統(tǒng)最大的優(yōu)勢就是可以覆蓋全球，地面基站將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)射給衛(wèi)星，由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)千公里之外的用戶終端。這種三層的網(wǎng)絡(luò)層體系架構(gòu)，保證了某一區(qū)域的實時數(shù)據(jù)信息可以到達世界的任何一個角落。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃栽鰪?/h3>

無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目龐大，而且以集群方式存在，因此在數(shù)據(jù)傳播時由于大量節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送致使網(wǎng)絡(luò)擁塞，產(chǎn)生拒絕服務(wù)攻擊。攻擊發(fā)生時，部分節(jié)點可以選擇發(fā)送到蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)，免受攻擊影響。與此同時，蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)是靠移動臺和地面基站建立聯(lián)系實現(xiàn)通信功能，受人為、自然災(zāi)害等因素的影響，地面基站可能會遭到破壞。對于關(guān)系國民經(jīng)濟的重要物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，短暫的數(shù)據(jù)中斷都有可能引起嚴重后果。而衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要通信設(shè)備處于外太空，受人為、自然災(zāi)害影響小，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候不間斷實時傳輸。在蜂窩移動通信網(wǎng)中斷工作后，無線傳感網(wǎng)自發(fā)的越過蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)連接到衛(wèi)星系統(tǒng)，與用戶終端之間形成一條鏈路，實施可靠傳輸。

3.3 經(jīng)濟性最優(yōu)化實現(xiàn)

傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)被限定在一定區(qū)域內(nèi)應(yīng)用，若要長距離傳輸則要以犧牲節(jié)點數(shù)量為代價，成本大大增加。蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)運營了幾十年，各運營商基礎(chǔ)設(shè)施完善，自動化程度高，不斷更新核心技術(shù)，使得數(shù)據(jù)通信的成本大為降低。而衛(wèi)星通信系統(tǒng)是以衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)微波信號，在多個地面站之間通信，由于衛(wèi)星工作在幾千甚至上萬公里的軌道上，系統(tǒng)構(gòu)成和控制復(fù)雜、技術(shù)風(fēng)險大、前期建設(shè)成本也相對較高，導(dǎo)致了衛(wèi)星通信的費用較高。三層網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)提供了最優(yōu)化的經(jīng)濟解決方案，可把無線傳感網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)量大小、傳輸距離和優(yōu)先級分成若干數(shù)據(jù)分組，針對每一數(shù)據(jù)分組制定傳輸方案，實現(xiàn)整體經(jīng)濟性最優(yōu)化。因此，基于BDS的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層三層架構(gòu)，可以用來解決物聯(lián)網(wǎng)實際應(yīng)用問題。該架構(gòu)采用分層數(shù)據(jù)傳遞的方法，一方面利用蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實時、大規(guī)模數(shù)據(jù)的低成本傳輸，另一方面利用BDS的通信功能實現(xiàn)遠距離通信，從而增大遠程監(jiān)控的能力，減小物聯(lián)網(wǎng)運營的成本支出。這樣，與傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層相比，三層網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)增加了蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，而且擴大物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍，提高整個物聯(lián)網(wǎng)體系的可靠性和經(jīng)濟性。

4 導(dǎo)航系統(tǒng)與電信網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的比較

BDS除能提供精確的三維位置、速度信息和授時功能外，還可提供短信報文功能。這里將以BDS為例，從物聯(lián)網(wǎng)的各功能組成部分出發(fā)，分析導(dǎo)航系統(tǒng)相對于電信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢和應(yīng)用可能性。

4.1 導(dǎo)航系統(tǒng)與電信網(wǎng)絡(luò)比較

BDS在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用主要是在感知層和網(wǎng)絡(luò)傳輸層，可實現(xiàn)定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的技術(shù)支撐。在感知層，導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片本身可以是一個可精確測量目標(biāo)位置和速度的傳感器，可作為傳感器使用。但是，物聯(lián)網(wǎng)中接入的物體絕大多數(shù)都需要位置信息，可不通過RFID上傳讀寫器，而是直接用短報文功能上傳，這是電信網(wǎng)絡(luò)所不具備的［2-3］。同時，在RFID中，可以將其讀寫器與導(dǎo)航芯片融合設(shè)計在一起，利用導(dǎo)航終端直接上傳網(wǎng)絡(luò)。與此同時，在網(wǎng)絡(luò)傳輸層，BDS因獨有的短報文功能，可用于上傳、下行信息，作為支撐網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

與電信網(wǎng)絡(luò)相比，BDS具有的優(yōu)勢主要包括：①導(dǎo)航信號分布廣泛，即使在地理位置偏遠和地形復(fù)雜地區(qū)，電信網(wǎng)絡(luò)覆蓋較差，而導(dǎo)航信號在全部地區(qū)都有穩(wěn)定覆蓋，對于這類地區(qū)的物流跟蹤、電力監(jiān)控、管道監(jiān)測、環(huán)境檢測等業(yè)務(wù)有很大的應(yīng)用價值。②導(dǎo)航系統(tǒng)用戶容量大，單星每小時可以提供200萬次導(dǎo)航服務(wù)，每天可以提供近5 000萬次的導(dǎo)航服務(wù)，在我國國內(nèi)可見的衛(wèi)星有十余顆，也就是每天可提供數(shù)億次的導(dǎo)航服務(wù)。BDS獨有的短報文功能，每次可提供120字的短信服務(wù)，BDS未對短報文功能的用戶容量作限制。可以粗略推算一下，以36Mh衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器為例，每秒可以發(fā)送大約20 000條報文，一天可以轉(zhuǎn)發(fā)約17億條報文，假設(shè)每顆衛(wèi)星只有一個轉(zhuǎn)發(fā)器，幾十顆衛(wèi)星每天可以轉(zhuǎn)發(fā)幾百億條的報文，這遠大于電信運營商的承載能力。③業(yè)務(wù)模式便捷，物聯(lián)網(wǎng)終端通信的業(yè)務(wù)模式具有頻繁狀態(tài)切換、頻繁位置更新（移動傳感器）、在某一個特定的時－間集中聚集到某一地區(qū)等特征。對于電信網(wǎng)絡(luò)，需要在基站間頻繁的切換，且對各個基站帶寬要求很高，容易造成某一地區(qū)基站的通信阻塞。而導(dǎo)航系統(tǒng)單星覆蓋范圍，一般的位置切換不會造成影響，且同一地區(qū)可見衛(wèi)星至少為4顆，單星通信容量巨大，可以通過有效的資源調(diào)配，避免通信阻塞。④專用性強，即電信運營商目前的網(wǎng)絡(luò)主要針對人與人之間的通信模式進行設(shè)計，沒有考慮物聯(lián)網(wǎng)發(fā)連接多、但數(shù)據(jù)傳輸量少的業(yè)務(wù)特點。物聯(lián)網(wǎng)終端通信的業(yè)務(wù)模式具有頻繁狀態(tài)切換和位置更新以及在某一個特定的時間集中聚集到某一地區(qū)的特征，而運營商網(wǎng)絡(luò)無法有效隔離提供物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和人與人通信的網(wǎng)絡(luò)，則物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)會沖擊到現(xiàn)有人與人的通信應(yīng)用，造成業(yè)務(wù)中斷。而導(dǎo)航系統(tǒng)的短報文業(yè)務(wù)中人與人日常通信應(yīng)用很少，大多作為位置信息傳遞使用，因此導(dǎo)航系統(tǒng)具有一定專用性，不同業(yè)務(wù)不存在沖突。⑤服務(wù)成本低，BDS提供免費服務(wù)，服務(wù)成本較低。相比之下，若參照現(xiàn)在人與人通信的收費標(biāo)準(zhǔn)，利用電信網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)支撐網(wǎng)絡(luò)的成木較高。這樣，BDS相對于電信運營商在一些方面具有一定優(yōu)勢。當(dāng)然電信網(wǎng)絡(luò)也有其自身的優(yōu)勢，例如網(wǎng)絡(luò)成熟、有物聯(lián)網(wǎng)市場基礎(chǔ)等，因此在未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中，導(dǎo)航系統(tǒng)與電信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該優(yōu)勢互補，更好地支持物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

4.2 北斗系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)聯(lián)系

BDS為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用提供位置導(dǎo)航服務(wù)，除了有衛(wèi)星導(dǎo)航功能外，可以增加物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為BDS的產(chǎn)業(yè)鏈中的一環(huán)，既可以直接形成導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)品，服務(wù)于廣大用戶，又可以促進新產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，促進信息科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。另一方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)核心和基礎(chǔ)仍然是相互之間的通信和交流，以此來達到資源共享之目的。在物聯(lián)網(wǎng)通信過程中，當(dāng)需要對物體的位置進行準(zhǔn)確的定位，特別是移動中的物體，采取傳統(tǒng)方法是比較困難的，甚至無法解決。現(xiàn)在最好的解決方法是利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，即利用GPS的定位和導(dǎo)航服務(wù)。相對于傳統(tǒng)意義上的方法，具有明顯的優(yōu)點和可操作性，準(zhǔn)確的位置信息，精準(zhǔn)的授時服務(wù)，無需組建網(wǎng)絡(luò)，覆蓋范圍廣，獲取信息方便等優(yōu)點，同時其缺點也是很明顯的［3，8］。利用GPS有較大的安全隱患，特別是在戰(zhàn)爭時候，風(fēng)險可能更大，物聯(lián)網(wǎng)通信就會受到影響，其功能會受到一定程度的削弱。因為美國政府從來沒有對GPS的質(zhì)量和使用壽命做出過承諾和保證，而且美國軍方還可以對特定地方的GPS信號進行干擾和致盲。因此，完全自主的BDS，可以完美地解決網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的定位導(dǎo)航問題，也可以保障系統(tǒng)工作的安全性和可靠性。

5 基于北斗系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

5.1 物聯(lián)網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)

基于BDS的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的物理結(jié)構(gòu)如圖4所示。體系架構(gòu)充分利用現(xiàn)有電信網(wǎng)實現(xiàn)結(jié)點與互聯(lián)網(wǎng)的鏈接，采用BDS統(tǒng)對結(jié)點群進行定位和輔助通訊，進而設(shè)計實現(xiàn)該體系功能邏輯結(jié)構(gòu)及具體結(jié)點設(shè)計方法［3］。

圖4 基于北斗系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點群借助現(xiàn)有的電信網(wǎng)與因特網(wǎng)（Internet）聯(lián)結(jié)，BDS為物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點提供定位，提高結(jié)點獲取的信息的有效性，因為不確定位置的信息往往是無用的。這種定位可以是衛(wèi)星直接與任意結(jié)點進行單獨定位，但這樣對結(jié)點功能要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，制造成本較高；另外一種，可以使用衛(wèi)星只對簇頭結(jié)點進行定位，再用定位好的簇頭結(jié)點對普通結(jié)點進行間接定位。而BDS所獨有的短報文轉(zhuǎn)發(fā)功能，在物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點無法與電信網(wǎng)實現(xiàn)聯(lián)結(jié)的情況下，可以借助北斗系統(tǒng)為物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點提供一種可用的輔助通訊方式。結(jié)點可以通過衛(wèi)星與結(jié)點進行通訊，大部分情況下，通過現(xiàn)有布設(shè)好的電信網(wǎng)設(shè)備與結(jié)點取得聯(lián)系，獲取信息或控制結(jié)點。對于物聯(lián)網(wǎng)信息的管理，結(jié)點通過電信網(wǎng)設(shè)備上傳到互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過電信網(wǎng)登陸互聯(lián)網(wǎng)獲取物聯(lián)網(wǎng)信息。通過無線通訊網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)點是，可以隨時隨地對物聯(lián)網(wǎng)進行監(jiān)控、操作，不受時間、地域的限制，因現(xiàn)在通訊設(shè)備已經(jīng)布高的非常健全，且通訊質(zhì)量較好，不會影響結(jié)點操作的實時性。

物聯(lián)網(wǎng)與電信網(wǎng)相結(jié)合，利用移動臺的多跳轉(zhuǎn)發(fā)能力擴大無線通訊網(wǎng)通信系統(tǒng)的覆蓋范圍、均衡相鄰小區(qū)的業(yè)務(wù)、提高小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)速率。在實際應(yīng)用中，物聯(lián)網(wǎng)可以單獨組網(wǎng)實現(xiàn)局部的通信外，還可以作為末端子網(wǎng)通過接入點接入其他的固定或移動通信網(wǎng)絡(luò)，與局域網(wǎng)以外的主機進行通信。這樣，可為物聯(lián)網(wǎng)提供三種可用網(wǎng)絡(luò)：①物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點群－線通訊網(wǎng)－Internet；② 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點群－BDS－無線通訊網(wǎng)－Internet；③用戶－物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點群，即由用戶建立的一個局域物聯(lián)網(wǎng)。提供三種通訊網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是，當(dāng)出現(xiàn)地震、洪水等災(zāi)害時，若地面通訊設(shè)備被毀，可以使用北斗衛(wèi)星訪問Internet實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的通訊。

5.2 物聯(lián)網(wǎng)功能邏輯

功能的實現(xiàn)通常依賴于一種有效的功能邏輯部件的建立，圖5所示為上述物理體系建立的邏輯體系結(jié)構(gòu)［3，12］。系統(tǒng)分為三大部分：感知層、應(yīng)用層以及網(wǎng)絡(luò)層。

圖5 基于北斗系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)

（1）感知層可以理解為傳感器網(wǎng)，負責(zé)信息的采集、匯聚、通訊及接受應(yīng)用程序的各項操作等，其核心是RFID系統(tǒng)。RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層是體系結(jié)構(gòu)的核心，負責(zé)應(yīng)用程序與結(jié)點操作間的功能聯(lián)結(jié)：Savant系統(tǒng)需要完成的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)校對、識讀器協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)存儲和任務(wù)管理。其中，①Savant是一個“中間件”，用RFID系統(tǒng)發(fā)出的標(biāo)簽流或傳感器數(shù)據(jù)，Savant在向其他環(huán)節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)之前，要壓縮數(shù)據(jù)量，對標(biāo)簽數(shù)據(jù)進行過濾、集成和計算。②對象名解析服務(wù)（object name service，ONS）采用域名解析服務(wù)（domain name server，DNS）的基本原理，來處理電子產(chǎn)品碼（electronic products code，EPC）與相應(yīng)的電子產(chǎn)品代碼信息服務(wù)（EPC information service，EPCIS）服務(wù)器物理標(biāo)示語言（physical markup language，PML）地址的映射管理和查詢。除了將EPC碼存儲在標(biāo)簽中外，還需要一些將EPC碼與相應(yīng)商品信息進行匹配的方法。當(dāng)一個解讀器讀取一個EPC標(biāo)簽的信息時，EPC碼就傳遞給Savant系統(tǒng)。Savant系統(tǒng)然后再利用ONS找到該產(chǎn)品信息所存儲的位置，并將該文件中的關(guān)于該產(chǎn)品的信息傳遞過來。ONS將處理比DNS更多的請求，因此需要在局域網(wǎng)中有一臺存取信息速度比較快的本地ONS服務(wù)器。這樣可以將當(dāng)前的ONS數(shù)據(jù)存儲在自己的局域網(wǎng)中，而不是每次都需要到萬維網(wǎng)上去尋找該產(chǎn)品的信息。本地ONS幫助本地服務(wù)器吸收用標(biāo)簽讀寫器偵測到的EPC標(biāo)簽的全球信息。③EPCIS即EPC信息服務(wù)器，內(nèi)部存放制造商生產(chǎn)的所有物品相關(guān)數(shù)據(jù)信息的PML文件，物聯(lián)網(wǎng)需要訪問它來得到物品當(dāng)前的位置、溫度、動作、狀態(tài)等參數(shù)。

（3）應(yīng)用層就是用戶所接觸的應(yīng)用界面，負責(zé)整個物聯(lián)網(wǎng)的管理、維護、操作等。

5.3 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點設(shè)計

要實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的功能，還要對結(jié)點進行合適的設(shè)計和實現(xiàn)。這里將物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)點大體分為靜態(tài)結(jié)點（static nodes，SN）和動態(tài)（dynamic nodes，DN）結(jié)點。SN點與DN結(jié)點的區(qū)別在于是否可以實現(xiàn)復(fù)雜嵌入式編程。DN是能夠進行復(fù)雜嵌入式編程的結(jié)點；SN就是僅具有電子標(biāo)簽的物品，這是物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)量最多的結(jié)點［3，7，11］。SN 一般不帶電源，具有移動性，具有被感知能力和少量的數(shù)據(jù)存儲能力，不具備計算和聯(lián)網(wǎng)能力，提供被動的連接。DN實際具備感知、聯(lián)網(wǎng)和控制能力的嵌入式系統(tǒng)，這是物聯(lián)網(wǎng)的核心結(jié)點。DN帶有電源，可以具有移動性、感知、存儲、計算和聯(lián)網(wǎng)能力，也可以收集、整理復(fù)雜信息，甚至可更改嵌入式程序而改變結(jié)點的功能。若將這兩種結(jié)點與Internet相連，還需要設(shè)計特定網(wǎng)關(guān)，這里網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)完整的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧，其設(shè)計方式如圖6所示。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點設(shè)計方式

6 應(yīng)用分析

隨著物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用，凡需要定位及無線通訊技術(shù)的環(huán)節(jié)，都可以使用BDS。位置信息是物聯(lián)網(wǎng)在感知層中非常關(guān)鍵的信息，只有掌握了位置信息，才能進行針對性的處理，因此BDS在物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中有非常廣泛的應(yīng)用前景。

（1）智能交通與定位服務(wù)。以汽車定位為例，現(xiàn)在已經(jīng)有很多。許多商家推出了相應(yīng)的服務(wù)，但是目前利用GPS的位置定位，由于沒有報文功能，需要通過其他網(wǎng)絡(luò)將定位信息上傳。利用BDS，可以在汽車上安裝導(dǎo)航終端，作為物聯(lián)網(wǎng)的傳感器，直接通過短報文功能將位置信息發(fā)送到用戶終端，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。該功能可用于汽車防盜、租車監(jiān)控、公車監(jiān)控等方面。另一方面，當(dāng)前已經(jīng)將GPS等導(dǎo)航定位系統(tǒng)應(yīng)用于智能交通，但針對城市交通擁擠、交通事故頻發(fā)、超載超速等現(xiàn)象，相關(guān)部門對其監(jiān)管感到較為困難［1，5，11］。為此，設(shè)想將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于智能交通，車輛上安裝北斗系統(tǒng)接受芯片用于對車輛進行精確導(dǎo)航和定位，同時車內(nèi)配置有采集載重，測速信息的傳感器，將采集后的信息通過物聯(lián)網(wǎng)傳送給交通監(jiān)測中心，監(jiān)測中心通過技術(shù)處理，可獲得任意車輛的位置、是否超載/超速等信息，可在必要時刻發(fā)送消息對駕駛員進行提醒和對行車狀態(tài)進行控制。還可以利用BDS和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時收集路況信息，利用BDS的短信通信功能，隨時對路況進行播報。

（2）監(jiān)測管理與災(zāi)害預(yù)測。針對目前地理位置偏遠、環(huán)境惡劣地區(qū)公共設(shè)施、環(huán)境等監(jiān)測，在這類地區(qū)交通不便、靠人力監(jiān)測難度太大，且電信網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋較差，不能滿足物聯(lián)網(wǎng)傳送信息要求。因此，可以利用導(dǎo)航系統(tǒng)作為其支撐網(wǎng)絡(luò)，進行電力設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測、江河水文資料監(jiān)測、礦產(chǎn)資源監(jiān)測、原始森林環(huán)境監(jiān)測、油氣管道狀態(tài)監(jiān)測等，通過BDS上傳其狀態(tài)信息，可附加位置信息［5，9］。總之，在上述方面的應(yīng)用中，北斗系統(tǒng)較電信網(wǎng)絡(luò)具有明顯優(yōu)勢。另外，在其他物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，如環(huán)境監(jiān)測、家庭安保、重要設(shè)施監(jiān)測等方面，設(shè)想利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來監(jiān)測環(huán)境以及北斗系統(tǒng)對具有相應(yīng)環(huán)境指標(biāo)的地點進行精確定位，實現(xiàn)對環(huán)境狀況實時全面的了解，且方便快捷，從而改變傳統(tǒng)人工監(jiān)測時效性差的問題，與電信網(wǎng)絡(luò)形成優(yōu)勢互補。

同時，建設(shè)地震、海嘯等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)，對地質(zhì)災(zāi)害進行早期監(jiān)測、預(yù)警和有效的應(yīng)對措施。一旦發(fā)生了地震、海嘯等地質(zhì)災(zāi)害，在地面的通信系統(tǒng)癱瘓后或者沒有通信信號的盲區(qū)，BDS不但可以給檢測站提供導(dǎo)航定位信息，通過接受傳感器信息實時檢測該區(qū)域的災(zāi)害情況，而且利用BDS的報文發(fā)送功能，及時對災(zāi)害情況進行報告，給救援提供了便利。因此，物聯(lián)網(wǎng)在BDS的支持下，將拓寬物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍。

（3）電子商務(wù)與現(xiàn)代物流。目前電子商務(wù)中間過程的物流跟蹤主要依靠物流公司的人工標(biāo)記，時效性較差。利用導(dǎo)航系統(tǒng)，在物流車輛、中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)安裝導(dǎo)航終端，并在導(dǎo)航終端上設(shè)計RFID讀寫器和處理器；在買家購買商品后，自動生成一個RFID的電子標(biāo)簽，物流公司在接收貨物后將電子標(biāo)簽貼于商品上。在整個商品運輸過程中，導(dǎo)航終端可以通過讀取商品上的電子標(biāo)簽實時更新商品位置，買家則可以登陸相應(yīng)的門戶網(wǎng)站查詢商品的即時信息，這樣既提高了物流信息的時一效性，又減輕了物流過程中登記物品的工作量。

另一方面，隨著電子商務(wù)的快速發(fā)展，這就使其下游產(chǎn)業(yè)物流行業(yè)得到不斷壯大。在物流行業(yè)中的流動的物品數(shù)量越來越大，種類越來越多，依靠傳統(tǒng)的管理方法難以實現(xiàn)，不僅增加物流行業(yè)中的成本，也增加了顧客對物品安全到手的擔(dān)優(yōu)。北斗導(dǎo)航技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合應(yīng)用可以很好地解決這個問題。在每個物品上都貼有一個唯一的電子標(biāo)簽，并嵌人微型BDS芯片，當(dāng)顧客想要知道物品的信息時，可以利用BDS發(fā)射定位信號給微型BDS芯片，然后將信息傳給RFID站，通過RFID站連接物聯(lián)網(wǎng)，于是顧客就可以在移動網(wǎng)絡(luò)之間互連的協(xié)議（internet protocol，IP）技術(shù)的幫助下，利用移動終端就可以隨時隨地獲取實時的物流信息。

（4）導(dǎo)彈制導(dǎo)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)，導(dǎo)彈的制導(dǎo)不在是傳統(tǒng)的慣性制導(dǎo)和紅外制導(dǎo)，而是發(fā)生了革命性的變化，出現(xiàn)了利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)來進行制導(dǎo)的精確制導(dǎo)導(dǎo)彈。例如在海灣戰(zhàn)爭表現(xiàn)得較好的戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈。若把導(dǎo)彈連入物聯(lián)網(wǎng)，在BDS準(zhǔn)確定位導(dǎo)航的輔助下，導(dǎo)彈的生存力和制導(dǎo)精度可以實時地掌握，一旦有什么變化，可以隨時調(diào)整，提高打擊精度，特別是對移動中的物體。

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