《物联网概论》总复习.ppt

物联网概论总复习 考试 题型及分值 单项选择题（2%*10=20%） 填空题（2%*10=20%） 简答题（8%*5=40%） 论述题（20%*1=20%） 考试时间 6月14号（15周周五3：005：00） 物联网的定义 最初的定义： 将各种信息传感设备（如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位 系统、激光扫描器等种种装置）与互联网结合起来而形成的一个巨大网 络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理。 欧盟定义： 将现有的互联的计算机网络扩展到互联的物品网络。 ITU 定义： from anytime, any place connectivity for anyone, we will now have connectivity for anything。 物联网的其他定义 物联网的三大特征物联网的三大特征 全面感知 利用RFID 、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息。 可靠传递 通过无线网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递给 用户。 智能处理 利用云计算、数据挖掘以及模糊识别等人工智能技术，对海量的 数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。 感知中国 2009 年 8 月 温家宝总理在无锡考察传感网产业 发展时明确指示要早一点谋划未来，早一点攻破 核心技术，并且明确要求尽快建立中国的传感信 息中心，或者叫“感知中国”中心。 物联网发展中国的优势 n我国1999年就启动了物联网核心传感网技术研究 ，研发水平处于世界前列； n在传感网领域，我国是标准主导国之一，专利拥 有量高； n我国是能够实现物联网完整产业链的国家之一； n我国无线通信网络和宽带覆盖率高，为物联网的 发展提供了坚实的基础设施支持； n我国已经成为世界第三大经济体，有较为雄厚的 经济实力支持物联网发展。 物联网的技术体系框架（物联网的技术体系框架（3 3层）层） 物联网的应用前景 智能物流：现代物流系统希望利用信息生成设备，如RFID设备、感应器 或全球定位系统等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，并 能够在这个物联化的物流网络中实现智能化的物流管理。 智能交通：通过在基础设施和交通工具当中广泛应用信息、通讯技术来 提高交通运输系统的安全性、可管理性、运输效能同时降低能源消耗和对 地球环境的负面影响。 绿色建筑：物联网技术为绿色建筑带来了新的力量。通过建立以节能为 目标的建筑设备监控网络，将各种设备和系统融合在一起，形成以智能处 理为中心的物联网应用系统，有效的为建筑节能减排提供有力的支撑。 物联网的应用前景（续） 智能电网：以先进的通信技术、传感器技术、信息技术为基础，以电网设 备间的信息交互为手段，以实现电网运行的可靠、安全、经济、高效、环境 友好和使用安全为目的的先进的现代化电力系统。 环境监测：通过对人类和环境有影响的各种物质的含量、排放量、以及各 种环境状态参数的检测，跟踪环境质量的变化，确定环境质量水平，为环境 管理、污染治理、防灾减灾等工作提供基础信息、方法指引和质量保证。 2 RFID技术分析 RFID系统由五个组件构成，包括：传送器、接收器、微处理器、天线 、标签。传送器、接收器和微处理器通常都被封装在一起，又统称为阅读器 (Reader)，所以工业界经常将RFID系统分为为阅读器、天线和标签三大组件 。 2 RFID技术分析：频率 RFID频率是RFID系统的一个很重要的参数指标，它决定了工作原理、通 信距离、设备成本、天线形状和应用领域等因素。RFID典型的工作频率有 125KHz、133KHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、860-960MHz、2.45GHz 、5.8GHz等。按照工作频率的不同，RFID系统集中在低频、高频和超高 频三个区域 低频（LF）范围为30kHz-300kHz，RFID典型低频工作频率有125kHz和 133kHz两个，该频段的波长大约为2500m。低频标签一般都为无源标签， 其工作能量通过电感耦合的方式从阅读器耦合线圈的辐射场中获得，通信 范围一般小于1米。除金属材料影响外，低频信号一般能够穿过任意材料 的物品而不降低它的读取距离。天线匝数较多。 适用于近距离、低速、数据量小的场合：汽车防盗、酒店门锁系统、自动 停车场收费及管理系统等。 低频RFID特点 高频（HF）范围为3 MHz -30 MHz，RFID典型工作频率为13.56MHz,该频率 的波长大概为22米，通信距离一般也小于1米。该频率的标签不再需要线 圈绕制，可以通过腐蚀活着印刷的方式制作标签内的天线，采用电感耦合 的方式从阅读器辐射场获取能量。 可以同时读取多个标签，数据传输率较高。 典型应用：图书管理系统、固定资产管理系统、医药物流系统 高频RFID特点 超高频（UHF）范围为300MHz-3GHz，3GHz以上为微波范围。采用超高频 和微波的RFID系统一般统称为超高频RFID系统，典型的工作频率为： 433MHz，860-960MHz，2.45GHz，5.8GHz，频率波长大概在30厘米左右。 超高频标签可以是有源标签与无源标签两种，通过电磁耦合方式同阅读器 通信。通信距离一般大于1米，典型情况为4-6米，最大可超过10米。 数据传输率高，可以在短时内读取大量的标签。 典型应用：集装箱管理、航空包裹管理、供应链管理 超高频RFID特点 基于帧的分时隙ALOHA防冲突算法（FSA， Framed Slotted Aloha）的实现过程，并说明 如何解决FAS算法固定帧的局限性。 基于帧的分时隙ALOHA防冲突算法（FSA，Framed Slotted Aloha ） 思想：在S-ALOHA基础上，将若干个时隙组织为一帧，阅 读器按照帧为单元进行识别。 每帧开始时，Reader广播帧长度f（时隙个数） 每个标签随机选择I0,f-1，并存储在寄存器SN中； Reader启动新时隙，若Tag的SN值为0则发送；否则减1 若发送成功，进入休眠状态；若冲突，进入等待状态 ，在下帧中重新尝试。 重复上述过程，直到在某帧中Reader没有收到任何Tag 解决FAS算法固定帧的局限性 动态自适应设置帧长度的算法可以解决FAS算法固定帧的局限性。 n一种根据前一帧通信获取的空的时隙数目，发生碰撞的时隙数目和成 功识别标签的时隙数目的数量估计当前的标签数并设置下一帧的最优的 长度； n另一种根据前一时隙的反馈动态调整帧长为2的整数倍，这种方法最 具代表性的是EPCglobal Gen2标准中设计的Q算法。 EPC技术 EPC系统构成 一个完整的EPC工作系统由8部分组成: EPC编码 EPC标签 读写器 EPC Savant ONS服务器 PML EPC-IS服务器 Internet 为什么需要定位？ 基于位置的服务 自动导航 搜索周边服务信息 基于位置的社交网络：Four square 位置信息和我们的生活息息相关 位置信息不是单纯的“位置” 地理位置（空间坐标） 处在该位置的时刻（时间坐标） 处在该位置的对象（身份信息） GPS：主要优缺点 优点 精度高 全球覆盖，可用于险恶环境 缺点 启动时间长(3-5分钟) 室内信号差 需要GPS接收机 蜂窝基站定位：主要优缺点 优点 不需要GPS接收机，可通讯即可定位 启动速度快 信号穿透能力强，室内亦可接收到 缺点 定位精度相对较低 基站需要有专门硬件，造价昂贵 A-GPS（Assisted GPS）特点 GPS定位和蜂窝基站定位的结合体 利用基站定位确定大致范围 连接网络查询当前位置可见卫星 大大缩短搜索卫星的时间 全程数十秒 7 无线网络分类 2G/2.5G/3G: 10k/100k/2M WSN 802.15.4 7无线连接的特点 信号强度衰减 无线信号能量随着传输距离增长而减弱。 非视线传输 若发送者与接收者之间的路径部分被阻挡，则称其为非视线传输。 无线信号可能会被阻挡物吸收或迅速衰减。 信号干扰 相同无线频段的信号会相互干扰，例如2.4GHz。 外部环境的电磁噪声，例如微波炉、汽车、高压电线。 多径传播 无线信号由于阻挡物的反射和折射，到达接收端的时间可能略微不同 。 无线宽带网络和有线宽带网络的主要区别在于数据链路层和物理层 。 为什么需要低速网络协议？ 物联网背景下连接的物体，既有智能的也有非智能的。 适应物联网中那些能力较低的节点 低速率 低通信半径 低计算能力 低能量 需要对物联网中各种各样的物体进行操作的前提就是先将他们 连接起来，低速网络协议是实现全面互联互通的前提。 蓝牙（Bluetooth） 蓝牙技术是一种短距离低功耗传输协议，最早始于1994年，由瑞典的 爱立信公司研发。 采用的是调频技术（frequency-hopping spread spectrum），频段范围是 2.402GHz-2.480GHz。 通信速率一般能达到1Mbps左右，新的蓝牙标准也支持超过20Mbps的速率 。 通信半径从几米到100米左右不等，常见为几米左右。 蓝牙和Wi-Fi区别 Wi-Fi的定位目标是为了取代网络应用中的有线设备，能够真正 的实现从有线到无线的转变，他可以用来传送各种文件，视频，音频， 实现互联网的各种应用。 蓝牙主要是为了替换一些个人用户携带设备的有线，如耳机，键盘 等。 对带宽的要求相对较少， 资源拥有量（电量，计算资源等等）相对较低 不是经常使用。 8 无线传感网节点的特点 节点功能小计算不能太复杂 节点能量少尽量减少不必要传输 节点通信范围小需要多跳网络设计 节点内存小不可能保存全部路由表 节点工作环境复杂高适应性协议 8.3 无线传感网组网：网络层设计 主要特点（无线传感网络路由与传统路由的区别） 无线传感器网络中的链路是不可靠的 无线传感器节点的功能和资源极其受限的，使得节点不能进行很复杂 的计算，测量以及维护庞大的路由表。 链路质量成为影响路由协议性能的重要指标。许多无线传感器网络路由 协议在其路径选择过程中均考虑了链路质量。ETX是广泛使用的路径选择 指标，可实现无线传感网典型的链路测量方法。 ETX：路径选择指标 ETX： （Expected Transmission Count），传输成功每个包需要的总传输次 数，一条路径的ETX越小代表在这条路径上引起的总传输次数最小。 Link throughput 1/ Link ETX ETX计算 假设链路有ACKs和重传 P(TX success) = P(Data success) P(ACK success) Link ETX = 1 / P(TX success) = 1 / P(Data success) P(ACK success) 实际计算ETX P(Data success) measured fwd delivery ratio rfwd P(ACK success) measured rev delivery ratio rrev Link ETX 1 / (rfwd rrev) CDMA系统 CDMA与GSM并列的第二大移动通信系统，也是3G系统的基础。 CDMA可以同时区分并分离多个同时传输的信号。 CDMA有以下特点： 抗干扰性好 抗多径衰落 保密安全性高 容量质量之间可以权衡取舍 同频率可在多个小区内重复使用 呼吸效应及解决方案 呼吸效应：在CDMA系统中，基站的实际有效覆盖面积会随着干扰信号 的增强而缩小，反之则会增大。这种覆盖面积随用户数目的增加而收缩的 现象为“呼吸效应”。 干扰信号同移动用户的数目是密切相关的； 导致“呼吸效应”的主要原因是CDMA系统是一个自干扰系统； CDMA2000和W-CDMA属于同频自干扰系统，邻近用户间自干扰 现象明显，从而降低了实际传输速率。 TD-SCDMA解决方案： 利用低带宽的FDMA和TDMA限制了系统的最大干扰； 在单时隙中应用CDMA技术提高系统容量； 利用联合检测和SDMA技术对客户终端的信号跟踪； 充分利用下行信号能量，最大程度上抑制了客户之间的干扰。 TD-SCDMA系统不再是一个自干扰系统，“呼吸效应”基本被消除。 TD-CDMA解决的移动通信问题（续） “远近效应”：移动通信干扰的另一问题。 手机用户到基站的距离不断变化； 固定的通信功率不仅会造成严重的功率过剩，且可能形成有害的电磁 辐射。 如何解决？动态调控功率：手机终端依据自己到基站的通信距离动态的调 整自己的传输功率，从而尽可能的减少过剩，且依然保证可连通性。 数据库与物联网 物联网数据特点： 海量性，多态性，关联性及语义性 关系数据库系统作为一项有着近半个世纪历史的数据处理技术，仍可 在物联网中大展拳脚，为物联网的运行提供支撑。与此同时，结合物联 网应用提出的新需求，数据库技术也在进行不断的更新，发展出新的方 向。 新兴数据库系统（NoSQL数据库）针对非关系型、分布式的数据存储 ，并不要求数据库具有确定的表模式，通过避免连接操作提升数据库性 能。 关系数据库系统的缺点 缺乏对真实世界实体的有效表达 缺乏对复杂查询的有效处理 缺乏对WEB应用的有效支持(允许延迟、高效存储查询、并发存取） Page 38 IPv6地址分类 单播地址（Unicast Address） 组播地址（Multicast Address） 任播地址（Anycast Address） 特殊地址 地址类型二进制前缀IPv6标识 未指定00.0 (128 bits):/128 环回地址00.1 (128 bits):1/128 组播11111111FF00:/8 链路本地地址1111111010FE80:/10 站点本地地址1111111011FEC0:/10 全局单播（其他）2000:/3 Global Unicast Addresses equivalent to public IPv4 addresses Fixed portion set to 001 The three high-order bits are set to 001. The address prefix for currently assigned global addresses is 2000:/3. Global Routing Prefix Indicates the global routing prefix for a specific organizations site. Subnet ID The Subnet ID is used within an organizations site to identify subnets. Interface ID Indicat