物联网关键技术介绍

1InstituteofAcoustics ChineseAcademyofSciences 物联网关键技术介绍ConnectingThings InternetofThings 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 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 Session1 物联网简介 物联网应用前景分析五层结构三层结构 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 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 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 物联网简介中国移动定义的物联网结构 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 物联网简介感知层介绍 物联网简介网络层介绍 互联网 有线 WiFi Mesh 2G 3G 4G网络卫星网广电电视网络 BWM网络 物联网简介应用层介绍 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 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 Session2 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 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 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 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 1 物联网架构技术我们理解的参考结构 相对分布的集中式管理相对集中的分布式支撑 1 物联网架构技术区域服务器参考结构 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 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 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 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 物联网 RFIDRFID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 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 OASISEDXL DE ANSIN42 42 CBRNDataModel 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 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 3 通信技术当前相关的解决方案 多协议的互操作 本体翻译 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 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 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 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 4 组网技术当前相关的已有产品 6LoWPAN 基于IPv6的传感器网络 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 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 TinyOS特点 事件驱动 NetC加州大学伯克利分校uCLinux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 ContikiOS支持IPv6 即6LoWPANMANTISOS 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 SOS TinyDB MagnetOS SenOS PEEROS AmbitentRT Bertha等 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 6 硬件当前相关的已有产品 SoC产品 CC2430 CC2431 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 太阳能电池 7 物联网能量技术相关的已有产品 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 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 9 标准现有的国际相关标准工作 OverallFramework TelecommunicationsNetwork ITU TUbiquitousNetworks UN USNnetworksrequirementsandarchdesignETSIM2MTCM2MRequirementsandfunctionalstructureISO IECJTC1SC6SGSNSNresearchreport 3GPPSA1 SA2 RAN2M2MoptimizationdemandM2MoptimizationtechnologyofnetworkandwirelessaccessGSMA SCAG smartSIMcardOMADM 9 标准网络智能化传感器 SmartTransducers IEEE1451 9 标准低速无线个域网 LRWPAN IEEE802 15 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 LRWPAN IEEE802 15 9 标准Zigbee联盟 ZigbeeAlliance 9 标准基于IPv6的LoWPAN IETF6LoWPAN 2007年国标委正式批准在全国信标委下成立无线传感器网络工作组首届ISO IECJTC1传感器网络研究组 SGSN 会议在中国召开 2008年6月 第四次会议于2009年召开 中 美 德 韩 英等主要成员国代表达成了关于在JTC1下成立传感器网络标准化工作组 10月份在JTC1大会上递交该倡议 9 标准ISO IECJTC1SGSN 9 标准国内现状 全国信标委开始组织相关单位进行传感器网络标准方面的研究工作 国标委正式批准在全国信标委下成立无线传感器网络工作组 准备工作的管理文件 在11月的无锡会议上初步得到工作组内的认可 分为8个项目组 召开工作组全会 开展具体国家标准的制定工作 中国传感器网络标准化工作组 现有成员单位近80余家 工信部电子工业标准化研究所