無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與標準化分析

林鑫海++李樹磊++趙研++李威

1 引言

通信技術(shù)的飛速發(fā)展和日益完善，推動了新型無線通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，其中物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展最為迅速。早在2014年初的ITU-T SG17（國際電信聯(lián)盟遠程通信標準化組織數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和電信軟件研究組）全會上，我國代表團提出的“OID（對象標識）在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用指南”國際標準成功立項[1-2]，并提交了第一版國際標準草案，該標準表明我國在國際物聯(lián)網(wǎng)標準化方面向前邁出了重要一步。目前，各大技術(shù)聯(lián)盟都在積極推出自己的標準協(xié)議，競爭日益激烈，這是因為物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)涉及的層面和技術(shù)較多，相關(guān)的技術(shù)組織和標準也非常繁雜[3-4]。但從近幾年的標準進展來看，國際上各標準組織之間的研究缺乏統(tǒng)一的協(xié)調(diào)和協(xié)作[5-6]，其中以微型傳感器構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)的標準研究工作最為明顯。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括物理層、協(xié)議層和應(yīng)用層。針對感知層目前有多種常用的無線技術(shù)，如圖1所示。本文主要對3種最常用標準：ZigBee、藍牙（Bluetooth）以及Wi-Fi展開分析，并比較各自的優(yōu)缺點。

圖1 常用的無線通信技術(shù)標準

2.1 ZigBee

ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞，是一種近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的雙向無線通信系統(tǒng)[7-8]，主要應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中的M2M行業(yè)。ZigBee憑借其獨特的優(yōu)勢，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用得到廣泛的推廣。

（1）ZigBee技術(shù)優(yōu)勢

ZigBee技術(shù)優(yōu)勢主要包括以下方面：

◆低功耗：在低功耗模式下，僅需2節(jié)五號電池就能使用六個月到兩年左右的時間。

◆低成本：ZigBee協(xié)議簡單，降低了對通信控制器的要求，可大大降低成本且免收專利費。

◆近距離：傳輸范圍一般為10～100m，在提高RF發(fā)射功率后可增加至1～3km，使得覆蓋范圍更廣。

◆網(wǎng)絡(luò)容量大：ZigBee具有大規(guī)模的組網(wǎng)能力，可采用星狀、樹狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，一個主節(jié)點可管理若干子節(jié)點，最多一個網(wǎng)絡(luò)可支持65 535個節(jié)點。

◆安全保密：ZigBee采用三級安全模式，提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，并且融入了IEEE 802.15.4的安全協(xié)議。

（2）ZigBee技術(shù)的不足

ZigBee技術(shù)在設(shè)計之初就是為了解決近距離、低速率通信，隨著需求增加也暴露出一些問題。在沒有功率放大器的情況下ZigBee節(jié)點傳輸距離受限，且對障礙物的厚度影響大，覆蓋范圍也會隨之變小。在2.4GHz頻段下最大的傳輸速率只有250kbps，僅能傳輸簡單數(shù)據(jù)。在與鄰近節(jié)點共用或者同一節(jié)點多個應(yīng)用時，速率也將被瓜分。

2.2 藍牙

藍牙（Bluetooth）是由多家跨國公司聯(lián)合開展推廣的短程無線通信技術(shù)，并且推出了藍牙技術(shù)標準，以使藍牙技術(shù)能夠在全球范圍內(nèi)廣泛使用。藍牙體系結(jié)構(gòu)中的協(xié)議模型可分為：物理層、核心協(xié)議、應(yīng)用協(xié)議（可選協(xié)議）、射頻通信、電話傳送控制協(xié)議。

目前，藍牙推出集IEEE 802.15.1、IEEE 802.11物理層和MAC層以及Wibree標準“三合一”的4.0版本，將傳統(tǒng)藍牙技術(shù)、高速技術(shù)和低功耗技術(shù)融為一體。

（1）藍牙4.0版本技術(shù)優(yōu)勢

◆低功耗：在應(yīng)用模式上采用NOKIA開發(fā)的Wibree技術(shù)，這是一種專門為移動設(shè)備開發(fā)的極低功耗的通信技術(shù)。

◆覆蓋范圍：相比較于傳統(tǒng)藍牙10m的傳輸距離，藍牙4.0的有效傳輸距離已達到100m。

◆高速率：通過集成“802.11 PAL”（協(xié)議適應(yīng)層），數(shù)據(jù)傳輸率提高到了大約24Mbps，是藍牙2.0的8倍，能快速經(jīng)過認證連接。

藍牙4.0標準依舊向下兼容，包含了經(jīng)典藍牙技術(shù)規(guī)范和最高速率24Mbps的藍牙高速技術(shù)規(guī)范，可單獨使用，也可同時運行。低功耗藍牙的網(wǎng)絡(luò)拓撲簡單，傳輸距離超過NFC，憑借在手機領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢，將對ZigBee、NFC等技術(shù)產(chǎn)生沖擊，未來會有良好的發(fā)展前景。

（2）藍牙4.0版本技術(shù)的不足

藍牙技術(shù)也存在一些不足，比如不需要口令直接訪問，存在安全漏洞，用戶個人信息存在泄漏危險。技術(shù)進展緩慢與其他無線技術(shù)重疊，并且藍牙芯片價格較高，增加了硬件成本。同時，藍牙傳輸過程中數(shù)據(jù)包不可能太大。

2.3 Wi-Fi技術(shù)

Wi-Fi即IEEE 802.11協(xié)議，可以將個人電腦、手機等終端設(shè)備以無線方式互相連接，同藍牙、ZigBee技術(shù)一樣實現(xiàn)短距離通信，是目前最為流行的一種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

（1）Wi-Fi技術(shù)優(yōu)勢

◆覆蓋范圍廣：Wi-Fi的覆蓋半徑在室外最大可達300m，在室內(nèi)有障礙物的情況下最大可達100m，使用交換機可以覆蓋整棟大樓。

◆傳輸速率快：根據(jù)不同的標準傳輸速率有所不同，最高可達300Mbps。

◆可靠性高：帶寬根據(jù)信號強度、干擾強度等自動調(diào)整，以保證網(wǎng)絡(luò)通暢。

◆健康安全：IEEE 802.11規(guī)定的發(fā)射功率不會超過100mW，實際發(fā)射功率為60～70mW。

◆門檻低：用戶只需設(shè)置熱點，通過高速線路將因特網(wǎng)接入，在該區(qū)域的設(shè)備都可高速接入，無需耗費資金進行網(wǎng)絡(luò)布線，可節(jié)省大量成本。

（2）Wi-Fi技術(shù)的不足

Wi-Fi的信號工作在2.4GHz的IMS頻段，容易受到干擾，并且隨著節(jié)點距離增加而減弱，傳輸速度也隨之降低。在安全性方面，缺少有線網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)的保護，不需要申請就可使用無線網(wǎng)絡(luò)的頻率。網(wǎng)絡(luò)易受到攻擊，安全性有待提高。除此之外，缺乏完善的QoS與商業(yè)模式，無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對上層業(yè)務(wù)不開放。同時，功耗大也一直是Wi-Fi技術(shù)相對于其他無線通信技術(shù)最明顯的劣勢。endprint

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標準化現(xiàn)狀

3.1 標準化的進程

各類標準在制定之初協(xié)議簡單、功能單一，隨著需求的增加和應(yīng)用場景的多樣，傳統(tǒng)協(xié)議內(nèi)逐漸增加新的內(nèi)容。以ZigBee為例，它定義了網(wǎng)絡(luò)互連、傳輸和應(yīng)用規(guī)范，然而隨著應(yīng)用的推廣和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，基本協(xié)議已經(jīng)不能適應(yīng)需求。為此，不同國家、不同應(yīng)用以ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)推出更多版本，使不同制造商的便捷式設(shè)備具有近距離互通的能力，并且具備一定的組網(wǎng)能力。

我國對傳感器發(fā)展高度重視，在全國信息技術(shù)標準化技術(shù)委員會推動下，國內(nèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)標準化的工作取得很大進展，新一代寬帶移動無線通信網(wǎng)和《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2006—2020）》都把傳感網(wǎng)列入重點研究領(lǐng)域。目前我國傳感網(wǎng)標準體系已形成初步框架，向國際標準化組織提交的多項標準提案被采納，傳感網(wǎng)標準化工作已經(jīng)取得積極進展。未來更多地參與國際標準的制定，將會對我國產(chǎn)品的競爭力和技術(shù)水平的提升至關(guān)重要。

3.2 標準化的挑戰(zhàn)

盡管上述3種無線技術(shù)ZigBee、Bluetooth以及Wi-Fi在傳感器網(wǎng)絡(luò)中都被廣泛使用，但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標準所面臨的現(xiàn)狀卻較為困難。大型制造商只采用本陣營的標準，其他標準協(xié)議拒絕支持，那么智能生活所體現(xiàn)的智能性將遠低于預(yù)期。

造成這種尷尬局面有多種原因：一方面，各種無線技術(shù)都有各自的特點、產(chǎn)品應(yīng)用及適用范圍，從短期來看，技術(shù)替代或技術(shù)兼容都不現(xiàn)實；另一方面，從市場角度來看，各大設(shè)備供應(yīng)商、系統(tǒng)開發(fā)商之間，特別是處于競爭狀態(tài)下的產(chǎn)品供應(yīng)商的標準化問題，將觸及各方的經(jīng)濟利益，從而使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的標準化變得復(fù)雜而困難。未來的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)真正需要的是：所有設(shè)備都使用同一個標準來通信。這個標準之于智能家電就如同Wi-Fi之于筆記本電腦，但是創(chuàng)建這個標準需要多方面因素促成。

3.3 標準化的方向

現(xiàn)有無線通信標準各自推廣、布局的情況下，各大制造商并未達成一致，無線傳感器設(shè)備的互連更加困難，其中智能家居領(lǐng)域受到的影響最大。在目前標準無法統(tǒng)一的情況下，開發(fā)商提出了一些比較成熟的解決方案，主要包括以下2種模式：

（1）居間服務(wù)

智能家居系統(tǒng)需要在不同廠家的設(shè)備之間實現(xiàn)互連，以方便對其有效的控制，實現(xiàn)不同程度的自動化。系統(tǒng)集成商們提供了很多服務(wù)案例，比如把多種電器捆綁在一起，實現(xiàn)全面的互連性。這種通過居間服務(wù)的形式實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信將是一種雙贏的模式。

如今，供應(yīng)商在家居自動化方面做出了很多大膽的嘗試，比如出售預(yù)制的燈、溫濕度控制器和門禁攝像頭等，將它們整合出售，實現(xiàn)相互通信協(xié)作。SmartThings的解決方案是通過一個控制中心和不同類型的傳感器，在家居生活中追蹤及控制各類數(shù)字設(shè)備，也可以跟使用Z-Wave、ZigBee、Wi-Fi的家電通信。一旦這些家電以無線方式連接在一起，SmartThings就可以實現(xiàn)它們之間的互操作，用戶也可以通過一個智能手機應(yīng)用訪問它們。其優(yōu)勢就是不需要用戶關(guān)注各種復(fù)雜的標準，提升用戶體驗。Arrayent也提供了另一種整合服務(wù)：可以幫助零售商組裝希望打包出售的設(shè)備，讓這些設(shè)備跟連接到互聯(lián)網(wǎng)的控制系統(tǒng)同步，以便互相通信。

（2）云服務(wù)

云服務(wù)的蓬勃發(fā)展為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)的接入、存儲和處理業(yè)務(wù)，用戶把終端嵌入到生活場景之后，各類設(shè)備將數(shù)據(jù)上傳到云上，通過調(diào)用云端數(shù)據(jù)并發(fā)送指令，在業(yè)務(wù)和管理方面實現(xiàn)“物與人”相互通信。目前這種技術(shù)融合互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、傳感網(wǎng)等多網(wǎng)資源，各大制造商都在積極打造自己的云服務(wù)平臺，已有比較成熟的解決方案，真正實現(xiàn)跨平臺智能控制。未來隨著對智能需求的高漲，能夠?qū)崿F(xiàn)各標準互連的云平臺運營商的地位將占據(jù)核心的位置。

4 結(jié)束語

以ZigBee、藍牙和Wi-Fi技術(shù)為主的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)品陸續(xù)融入日常生活。目前，各種無線技術(shù)都有各自的技術(shù)特點、產(chǎn)品應(yīng)用及適用范圍，從這個角度來看，采用多標準的觀念可能是正確的方向：針對不同用戶群體推出不同標準的產(chǎn)品，便于新技術(shù)的普及。然而，隨著人們對智能需求的越來越高，各類設(shè)備之間互通顯得尤為重要。目前的解決方案只能針對特定的場景提供有限的服務(wù)，一個主流的、開放的通信協(xié)議將是解決互聯(lián)互通的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)備制造商和應(yīng)用開發(fā)商都在統(tǒng)一、開放的平臺上推廣應(yīng)用，設(shè)備的互聯(lián)互通將會變得如同上網(wǎng)一般方便。

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