无线通信与泛在网络课程：note1-无线通信与泛在网络引言

SoochowUniv.无线通信与泛在网络课程概述Wireless

Communications

and

UbiquitousNetworks课程主要内容无线通信基础知识无线局域网WLAN技术Ad-hoc网络无线Mesh网络车联网室内定位与智能家居网...2集中计算始于上个世纪60~70年代主机/终端模式集中存储、集中计算3分布式计算始于上个世纪80~90年代主机性能提高缓慢、计算机网络的推动P2P,Grid—分布式计算无处不在移动计算始于上世纪90年代受到无线通信技术的推动办公、娱乐、军事5What’sthenext？移动计算?6计算模型的演进分布式计算移动计算普适计算无线通信技术无线网络发展需求移动信息访问情境感知Adhoc网络智能传感设备发展7OnecomputerformanypeopleOnecomputerforeachpersonManycomputersforeachpersonNumberSizeComputing:TheTrend8Dustcancomputeandcommunicate!SizeNumber“Smart”DustAstheTrendGoes…(Cont.)设备数量设备体积9AstheTrendGoes…(Cont.)UCBerkeleyMicaZSensornode“SmartDust”2.4GHz，运行IEEE802.15.4（Zigbee）协议的通信模块工作频率：2.4~2.4835GHz直接序列扩频（抗干扰，数据隐蔽性好）250Kbps数据传输速率TinyOS操作系统扩展连接各类传感器板10WhenEverythingSmart…

ComputingBecomes

Ubiquitous!11Ubiquitous(Pervasive)ComputingPeopleandenvironmentsaugmentswithcomputationalresourcesthatprovideinformationandserviceswhenandwheredesiredMarkWeiserXerox(施乐公司),PaloAltoLab(帕洛.阿尔托实验室)ComputingandcommunicatingeverywhereandalwaysDr.MahadevSatyanarayananCMUChairProfessor12什么是普适计算？基本含义:无所不在的、随时随地可以展开计算或数据处理的一种方式无论何时何地，只要需要，就可以通过某种设备访问到所需的资源或信息，获得所需要的信息或服务

Anywhere，Anytime，Anyway（3A）13普适计算最重要的两个性质：Availability

（随处可用性）无论用户何时在何处，处于何种环境，总有一致的分布计算平台可供使用Invisibility（不可见性）计算过程已经隐藏在各种各样的信息设备中，车载、便携、嵌入式、甚至是可穿戴计算机中

——需要指出的是不可见性包含可见性普适计算的基本性质14人本计算，计算过程对用户透明“宁静技术”（calm

technology）时代是其区别于移动计算、网格计算的主要特征物理世界与虚拟世界的无缝融合“就如同人们在森林中散步般清馨自然”计算设备的全面互联与自发交互ad

hoc网络，sensornetwork…普适计算的特征15以人为中心组织信息资源，消除形形色色信息空间通信、硬件、软件壁垒，构筑自动适应用户及其任务需要的计算体系16普适计算原型系统在DARPA资助下，2000年,MIT开始实施Oxygen计划,其目标是让人们像呼吸空气一样自由地使用计算和通信资源2005年,Oxygen第一个原型完成，潜在的应用领域包括旅游、会议和老年人守护等/17什么是可穿戴计算？可穿戴计算是一种将计算机“穿戴”在人体上进行各种应用的国际性前沿计算机技术，是智能环境的一个主要研究课题。近年来，随着谷歌增强现实眼镜GoogleGlass、GoogleTalkingShoe、JawboneUP智能手环、Nike+芯片智能鞋、苹果iWatch智能手表等技术的发展，国内也相继推出了诸多如智能手表等终端设备，引发了业界热评和消费者的浓厚兴趣。分析师预期，可穿戴设备市场规模将突破500亿美元，出货量将在2018年接近或超过5亿台。可穿戴计算终端正朝着更微型化、个性化、人性化方向发展，不仅具备了更强的计算能力，而且可以随时、随地进行通信和接入互联网。(许多有趣的应用可以参考Ubicomp)18泛在网络主要内容123•泛在网的概念、特征和架构体系•泛在网的关键技术、发展现状•泛在网的发展趋势19泛在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１，因此，“物联网”被称为是下一个万亿级的通信业务。“物联网是泛在网的一个大子集”“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。20泛在网概念的提出UbiquitousComputingIn1991,“The

methodofenhancingcomputerusebymakingmanycomputersavailablethroughoutthephysicalenvironment,butmakingthemeffectivelyinvisibletotheuser”

MarkWeiserUbiquitous

Network日本:u-Japan韩国:IT839意大利:UbiquitousITUSociety21U-Japan22U-Korea23ITU研究制定了多个泛在网络标准泛在网络概述Tag应用功能模型USN的应用需求Tag触发多媒体信息功 能模型智能交通智能家居USN安全体系架构

SG2SG11SG13SG16SG17

需求 体系架构 应用 安全编号\命名 和寻址24泛在网络的概念—ITU-TY.2002UbiquitousNetworkTheabilityforpersonsand/ordevicestoaccessservicesandcommunicatewhileminimizingtechnicalrestrictionsregardingwhere,whenandhowtheseservicesareaccessed,inthecontextoftheservice(s)subscribedto.25在预订服务的情况下，个人和/或设备无论何时、何地、何种方式以最少的技术限制接入到服务和通信的能力。泛在网络的概念泛在网络将是由智能网络、最先进的计算技术以及其他领先的数字技术基础设施武装而成技术社会形态泛在网基本特征：无所不在，无所不包，无所不能，4A化的通信模式（Anytime，Anywhere，Anyone，Anything）26。泛在网的概念

泛在网UbiquitousNetwork

物联网

InternetofThings

传感器网络

SensorNetwork是指基于个人和社会的需求，实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务，网络具有超强的环境感知、内容感知及其智能性，为个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用。是指在物理世界的实体中部署具有一定感知能力、计算能力或执行能力的各种信息传感设备，通过网络设施实现信息传输、协同和处理，从而实现广域或大范围的人与物、物与物之间信息交换需求的互联。其中末端网包括各种实现与物互联的技术，如传感器网络、RFID、二维码、短距离无线通信技术、移动通信模块等。是继电信网和互联网实现人与人通信之后，着重连接物理世界的应用及相关产业，因此是走向泛在网的重要一步。

是利用各种传感器（光、电、温度、湿度、压力等）加上中低速的近距离无 线通信技术构成一个独立的网络,是由多个具有有线/无线通信与计算能力的 低功耗、小体积的微小传感器节点构成的网络系统，它一般提供局域或小范 围物与物之间的信息交换。是物联网末端采用的关键技术之一。感知/延伸层关键设备和技术对象传感器网络传感器、近距离无线通信---传感器网络物联网泛在网物联网传感器、条形码、RFID、二维码、NFC、摄像头、近距离无线通信物-物物-人泛在网PC、手机、传感器、条形码、RFID、二维码、NFC、摄像头、近距离无线通信

物-物 物-人人与人27泛在网体系架构—ITU-TY.2221Logistics,SCMStructuralmonitoringAgricultural control

DisasterSurveillanceMilitaryFieldU-Healthcare应用层

UbiquitouswebservicesUNApplicationsUNMiddleware

UNDirectoryserviceManagementContextmodelingandmanagement

Contentsmanagement

SpatialinfomanagementUNcoreNetwork网络层

AccessNetwork

AccessNetwork

AccessNetwork

AccessNetwork

AccessNetworkAccessGatewayUNAccessNetwork感知/延伸层Mobile RFIDReader

RFIDReaderSNGatewaySNGateway SensornodeSNGateway

EndDevices/ Networks28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；29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三层结构30感知层介绍公共感知层31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32应用层介绍33

ADVANCEDKOREATheFIRSTu-SocietyontheBESTu-Infrastructure

The“FIRST”Strategy

F

FriendlyGovernment

IIntelligent

Land

RRegenerative

Economy

SSecure&Safe SocialEnvironment

TTailored

u-LifeServiceThe“BEST”Strategy

BBalancedGlobal Leadership

E

EcologicalIndustrialInfra

SStreamliningSocialInfra

TTransparentTechnological InfraU-JapanU-Korea感知中国智慧地球I-Europe泛在网是感知中国的基础设施感知中国是泛在网的重要体现34泛在网络主要内容123•泛在网的概念、特征和架构体系•泛在网的关键技术、发展现状•泛在网的发展趋势35泛在网关键技术识别技术发现技术泛在网传感技术计算技术关键技术

嵌入式智能技术架构技术网络通信 技术纳米技术软件技术 其它行业 技术36/泛在网技术体系应用层

环境监测公共中间件

应用智能电力......智能交通 应用支撑子层 信息开放平台通信环境平台

工业监控服务支撑平台公共技术

业务 需求 网络 架构网络层异构网融合 下一代承载网资源和存储管理云计算电信网增强

M2M无线接入移动通信网 网络层与感知/延伸层互通

远程控制互联网标识解析安全技术感知延伸层无线/有线 传输 传感器组网技术 数据采集 二维条码信息处理

RFID

中间件多媒体信息QoS管理网络管理371.泛在网架构技术2.统一标识技术3.通信技术4.组网技术

松散视角：泛在网络关键技术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38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泛在网络架构技术

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39谁控制唯一识别符？统一标识技术

标识概述标识的必要性?银行卡会员卡交通卡社保卡公园门票小额支付卡单位门禁卡40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，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41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统一标识技术

需求与研究内容42通信技术

通信技术现状分析高层通信协议多样性SensorML（传感器建模语言）；TransducerML（转换器标记语言）；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43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通信技术

需求与研究内容44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组网技术

感知层组网技术现状分析45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芯片通信结构中参数动态配置减小开销并为物体提供有效连接的解决方案通信基础设施随网络负荷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的通信组网技术

需求与研究内容46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软件服务与算法

参考结构47TinyOS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6LoWPANMANTIS

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：SOS,TinyDB,MagnetOS、SenOS、PEEROS、AmbitentRT、Bertha等48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硬件

需求与研究内容49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泛在网络能量技术

需求与研究内容50太阳能电池泛在网络能量技术

相关的已有产品51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泛在网络安全和隐私技术

需求与研究内容52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泛在网络标准

需求和研究内容53泛在网络标准

现有的国际相关标准工作OverallFrameworkTelecommunicationsNetworkITU-TUbiquitousNetworks(UN)USNnetworksrequirementsandarchdesignETSIM2MTCM2MRequirementsandfunctionalstructureISO/IECJTC1SC6SGSNSNresearchreport3GPPSA1/SA2/RAN2M2MoptimizationdemandM2MoptimizationtechnologyofnetworkandwirelessaccessGSMA/SCAG:smartSIMcardOMADMSmartGrid/MeasurementNIST:U.S.smartgridstandardsIEEEP2030:smartgridguide802.15.4g:smartgridshort-rangewirelessstandardCEN/CENELEC/ETSIEuropeansmartmeteringstandardWSN/RFIDNIST:IEEE1451IEEE802.15Low-speedshortdistancewirelesscomm.technologystandardIETF6LoWPANROLLBasedonIPv6ofIEEE802.15.4Routingoverlow-PowerandlossynetworksEPCGlobalGS1:RFIDstandard54IEEE802.15.4c（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