物联网关键技术介绍(PDF 51页).pdf

1 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 物联网关键技术介绍 Connecting Things Internet of Things 沈 强博士后 中国科学院声学研究所高性能网络实验室 Email shenq http winet ece ufl edu qshen 2010 年 4 月 27 日 2 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences Outline 物联网应用前景分析 五层结构 三层结构 1 物联网架构技术 2 统一标识技术 3 通信技术 4 网络技术 5 软件服务与算法 6 硬件 7 功率和能量存储 8 安全和隐私技术 9 标准 关 键 技 术 分 析 物 联 网 简 介 3 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences Session 1 物联网 简介 物联网应用前景分析 五层结构 三层结构 4 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 物联网应用前景分析 美国权威咨询机构 FORRESTER 预测 到 2020 年 世界上物物互联的业务 跟人与人通信的业务相比 将达到 30 比 因此 物联网 被称为是下一个万 亿级的通信业务 物联网 被称为继计算机 互联网之后 世界信息产 业的第三次浪潮 5 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 物联网简介 泛在网五层结构 感知层主要完成信息的收集与简单处 理 部分学者将该层称为感知延伸 层 该层由传统的 WSN RFID 和 执行器组成 接入层主要完成各类设备的网络接入 该层重点强 调各类接入方式 比如 3G 4G Mesh 网 络 WiFi 有线或者卫星等方式 支撑层又称中间件 或者业务层 对下需要对网络资源进行认知 进而达到自适应传输的目的 本层的完成信息的表达与处理 最终达到语义互操作和信息共享 的目的 对上提供统一的接口与虚拟化支撑 虚拟化包括计算虚拟化和存 储虚拟化等内容 较为典型的技术是云计算 应用层主要完成服务发现和服务呈现的 工作 网络层为原有的互联网 电信网或者电 视网 主要完成信息的远距离传输等功 能 6 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 感知层 智能嵌入式 标识 感知 协同 互动 网络层 融合接入 信息存储 应用层 数据挖掘 决策 物联网简介 三层结构 7 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 物联网简介 中国移动定义的物联网结构 8 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 感知层自组织网络 物联网简介 感知层介绍 自组织网络示意图 9 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 物联网简介 感知层介绍 公共感知层 10 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 物联网简介 网络层介绍 城域网 虚拟 VPN 互联网 有线 WiFi Mesh 2G 3G 4G 网络 卫星网 广电电视网络 BWM 网络 11 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 物联网简介 应用层介绍 12 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 信息量 物联信息的海量化 设备接入 亿万异构设备的泛在接入 网络架构 信息和存储的物理边缘化 网络管理 网络管理的高度自治化 物物互联 物物互动的协同和智能化 物理安全 隐私的易泄露 面临更多安全 设备制造 设备的小型微型化 能量获取 能量自取 大容量 物联网简介 物联网的特征 13 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 1 物联网架构技术 2 统一标识技术 3 通信技术 4 网络技术 Session 2 物联网关键技 术 5 软件服务与算 法 6 硬件 7 功率和能量存 储 8 安全和隐私技 术 9 标准 14 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 目标 信息互通 框架达到健壮 可扩展性以及公平性目的 挑战 开放的竞争环境 框架必须模块化和可扩 展性 SOA 架构中 内容提供者和使用者之间如 何进行便捷的交流 即语义的互操作性 事件驱动结构使得无法采用一种办法解决 所有的问题 物体的离线特性 非中心控制的分布式架构 增加解决方案提供者的参与 形成一个竞 争的市场 1 物联网架构技术 需求与研究内容 需 求 分 析 存储和计算能力的边缘化 物体具有存储 处理能力 局部物体间协同工作 物体间断性通信连接 物体移动 无线链路动态变化 分布式的缓存和信息融合 支持物体的移动和环境变化 物体移动带来信息的移动 物体上下文不断变化 网中网 物体之间自治的 动态的组网 已有多种网络的操作平台 信息结构 文档格式 等都存在异构特征 15 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 研究内容 端到端的分布式开放架构 异构系统的互操作性 非中心控制的自治架构 边缘节点移动智能架构 云计算技术 事件驱动架构 掉线和同步操作 使用市场机制来增加竞争和参与 支持语义互操作的体系结构 事件驱动的体系结构 支持有效缓存 信息同步和分布式信息融合的体 系结构 1 物联网架构技术 需求与研究内容 16 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 逻辑和功能模块 概念 工具和服务 的平台方法 1 物联网架构技术 参考结构 聚合器 网关节 点 聚合器 网关节 点 聚合器 网关节 点 主机管理 信息系统 主机管理 信息系统 主机管理 信息系统 广域通信 和网络以 及互联网 执行器 执行器 执行器 17 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 1 物联网架构技术 我们理解的参考结构 Cable Net WiF i Zigbee 区域 服务器 家庭网关 IP IPv 6 IP ID IPv6 相对分布的集中式管理 相对集中的分布式支撑 18 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 1 物联网架构技术 区域服务器参考结构 19 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 1 物联网架构技术 与云计算支撑平台的结合 区域服务器 分布式存储功 能 区域服务器 分布式计算功 能 20 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 谁控制唯一识别符 2 统一标识技术 标识概述 标识的必要性 银行卡银行卡 会员卡会员卡 交通卡交通卡 社保卡社保卡 公园门票公园门票 小额支付卡小额支付卡 单位门禁卡单位门禁卡 21 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 2 统一标识技术 需求与研究内容 挑战 如何处理物体的组合 合成 拆 分 替换带来的 UID 变化 如何处理 UID 与物体之间关系 的映射关系 比如同一批次的 产品编号是否相近 如何确保国家 企业 个人均 具有一定的 UID 分配权利 不透明 UID 与匿名机制 支持已有 ID 机制 虚拟物体的 ID 分配问题 需求分析 目标 对物体进行统一标识 进行物体的区分 查找 标识基本需求 对单个物体进行唯一标识 支持一类物品的标识 某类物品的查 询 复合物体 有多个组件 每个部件都有 标识号 动态变化 安全需求 非层次命名 标识应该独立于自身位置 和上下文环境等信息 层次结构 22 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 研究内容 标识的分配 标识的管理 标识加密解密 标识存储 匿名标识技术 标识映射机制 标识结构设计 2 统一标识技术 需求与研究内容 23 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 物联网 RFID RFID 的成功经验能否推广到物联网 RFID 具有单向寻址的特点 2 统一标识技术 RFID 标识分配的成功经验 标 签 读写器 中间件 支撑平台 本地信息 服务器 ONS 远程信息 服务器 Internet 代码代码 URL 物品信息 代码 代码 物品信息 24 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 3 通信技术 通信技术现状分析 高层通信协议多样性 SensorML TransducerML O M CAP OASIS EDXL DE ANSI N42 42 CBRN Data Model NIEM 已有多种标准的无线技术 包含有线 同轴电缆 光纤 ADSL LAN等 无线 SMS USSD MMS GPRS CDMA 3G WLAN 蓝 牙 ZigBee UMA HSDPA LTE等 大量的通信需求 物与物通信 物与人通信 从物理世界的感知信息到数字世界的通信 执行器完成物理世界动作的通信 存储感知信息的分布式存储系统的通信 数据挖掘和服务的通信 对实体跟踪和定位的通信 25 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 需求分析 目标 解决海量物体的通信问题 挑战 提供一个完整的端到端系统 网络连接的范围将成指数增 长 可测量性 互操作性 如何确保网络运营商的投资 回报 新的射频技术和需要满足新 设备的连接需求 研究内容 物体间信息交换的通信技术 底层无线协议之间的互操作 分布式数据存储和传感数据收集 认证 和跟踪系统相关的通信问题 与物理世界用户的交互相关的通信问题 数据挖掘和服务的通信与处理问题 软件无线电技术和认知无线电通信技术 无连接的通信问题 3 通信技术 需求与研究内容 26 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 3 通信技术 当前相关的解决方案 A N S I42 2 校准 安装信息 IEEE 1451 校准 ID 元数据 S ensorM L O G C 元数据 Transd uceerM L 校准 元数据 信息本体交互 传感器相关数据类型 传感元数据 安装信息 转换功能数据 传感器位置信息 厂商定义信息 多协议的互操作 本本 体体 翻翻 译译 27 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 传感器网络组网方式 RFID 组网方式 DTN 组网方式 移动通信或者卫星等其他简单组网方式 4 组网技术 感知层组网技术现状分析 28 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 4 组网技术 接入组网现状分析 传感网络之上建立 IP 网络 IP 网络之上建立传感网络 29 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 4 组网技术 接入组网现状分析 基于普通网关的组网结构 基于 DTN 网关的组网结构 30 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 需求分析 目标 集合有线和无线方式 实现物体 无缝和透明接入 挑战 支持现有网络结构 组网系统间可扩展 跨平台兼容 支持芯片级的组网 减小开销并为物体提供有效连接的 解决方案 芯片通信结构中参数动态配置 通信基础设施随网络负荷和变化 通过功率感知来进行自适应 可能以 IP 为基础 研究内容 开发 网络中的网络 的基础设施 支持动态区域组网 匿名组网 IP 和后 IP 技术 移动断续连接场景下的组网技术 网络自治管理技术 自感知 自 学习 自配置 自修复 自管理 适用于固定 移动 有线 无线 的多层次组网技术 无连接的通信 甚至无 IP 的通信 4 组网技术 需求与研究内容 31 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 4 组网技术 当前相关的已有产品 6LoWPAN 基于IPv6的传感器网络 32 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 需求分析 目标 实现不同软件的统一与互操作 挑战 如何在大量无关软件模块中建立一 个固有应用软件 将不同的环境下的软件整合成一个 系统 面向服务的计算松耦合组织网络服 务 并建立一个虚拟网络 互联网之上 定义一个新的协议来 描述和解决服务实例 分布式智能 解决可扩展性的关键 研究内容 服务发现和组合 语义互操作性和语义传感 Web 人机交互 自管理技术来克服增加的复杂 度和节能 分布式自适应软件 开放性中间介 能量有效的微操作系统 虚拟化软件 数据挖掘等数学模型和算法 5 软件服务与算法 参考结构 33 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 5 软件服务与算法 当前相关热点介绍 参考架构中的研究内容 34 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences TinyOSTinyOS 特点 事件驱动 NetC 加州大学伯克利分校 uCLinuxuCLinux 特点 与 Linux 兼容 Lineo 公司产品 5 软件服务与算法 当前相关热点介绍微操作系统 Contiki OS 支持 IPv6 即 6LoWPAN MANTIS OS MOS MANTIS OS MOS 特点 支持快速 灵活的搭建 WSN 美国科罗拉多大学 其他还有 其他还有 SOS TinyDB SOS TinyDB MagnetOSMagnetOS SenOSSenOS PEEROSPEEROS AmbitentRTAmbitentRT BerthaBertha 等等 35 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 需求分析 目标 低功耗多处理系统中的自适 应硬件和并行处理相关研究 挑战 对配置进行动态修改和设置 处理自适应和自配置设计时 的不可预测问题 根据具体应用和上下文的通 信需求按需调整基础设施之 间的互联情况 研究内容 纳米技术 小型化 传感技术 嵌入式传感器 执行器 桥接纳米技术和微系统 SOC 解决 方案 通信 天线 能量有效 RF 前端技 术 自配置 自优化 自愈合电路结构 聚合电子 低功耗微处理器 微控制器 硬件 加速器 自旋电子 抗干扰技术 6 硬件 需求与研究内容 36 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 6 硬件 当前相关的已有产品 SoC 产品 CC 2430 CC 2431 37 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 需求分析 目标 让传感设备从环境中 获取能量 这些物体的电 池可以自动地进行充电 挑战 能量收集技术仍然不够 微功率技术的应用 大能量存储设备的小型化 问题 能源高效利用 研究内容 微能源技术 光电池 微燃料电池和微反应堆 微高容量能量存储等技术 静电 压电和电磁能量转化机制 印刷电池 热电系统 微型制冷 器和微燃料发电机 基于微机电系统 MEMS 设 备的能量获取技术 能量感知协议 7 物联网能量技术 需求与研究内容 38 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 太阳能电池 7 物联网能量技术 相关的已有产品 39 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 需求分析 目标 保护个人隐私 商业机密 国际安全 挑战 阻止非授权实体的识别和跟踪 阻止未授权信息的访问 物体位置 数据所有性等需要 考虑 研究内容 非集中式的认证和信任模型 数据所有权关系 责任和义务 异构设备间的隐私保护技术 离散认证和可信模型 能量高效的加密和数据保护 云计算的安全和信任 隐私策略管理 8 安全和隐私技术 需求与研究内容 40 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 需求分析 目标 异构设备通过标准接口和 数据模型来确保不同系统间的 信息交互 挑战 物联网的异构设备互联 接 口标准与数据模型 已有多个标准 硬件 组网 通信等技术都存在各种各 样的标准 物联网设备应该 向支持多协议 多频段发 展 信息产生和收集 完整 可 信 研究内容 互操作方面 语义数据模型 无线方面 频谱分配 发射 功率及通信协议的标准化 数据方面 数据生成 数据 可追溯的质量和完整性 研究物联网异构设备接口的 标准化和标识技术的标准化 9 标准 需求和研究内容 41 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 9 标准 现有的国际相关标准工作 Overall Framework Telecommunications Network ITU T Ubiquitous Networks UN USN networks requirements and arch design ETSI M2M TC M2M Requirements and functional structure ISO IEC JTC1 SC6 SGSN SN research report 3GPP SA1 SA2 RAN2 M2M optimization demand M2M optimization technology of network and wireless access GSMA SCAG smart SIM card OMA DM Smart Grid Measurement NIST U S smart grid standards IEEE P2030 smart grid guide 802 15 4g smart grid short range wireless standard CEN CENELEC ETSI European smart metering standard WSN RFID NIST IEEE 1451 IEEE 802 15 Low speed short distance wireless comm technology standard IETF 6LoWPAN ROLL Based on IPv6 of IEEE 802 15 4 Routing over low Power and lossy networks EPCGlobal GS1 RFID standard 42 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 9 标准 网络智能化传感器 Smart Transducers IEEE 1451 43 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 9 标准 低速无线个域网 LR WPAN IEEE 802 15 44 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences IEEE802 15 4c 中国国家标准 基于中国 780MHz 频段 制定低速率物理层通信标准 2009 年报批 IEEE802 15 4e 上海微系统所 无锡物联网产业研究院 华为等作为主要的联合提案单位 制定面向传感网在工业 无线监控等应用中的低功耗 实时 MAC 层标准 提案已接 受 进入文档编辑阶段 无锡物联网产业研究院正在设计 开发 15 MAC 测试 运行平台 争取在全球第一个发布 IEEE802 15 4g 针对智能电网等应 用 200Kbps 1Mbps 数据速率的物理层标准提案 可变 增益的 DSSS 方案 9 标准 低速无线个域网 LR WPAN IEEE 802 15 45 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 9 标准 Zigbee 联盟 Zigbee Alliance 46 Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences 9 标准 基于 IPv6 的 LoWPAN IET