物联网感知层标准体系架构研究

陈红霞，赵俊钰

（华信邮电咨询设计研究院有限公司 杭州310014）

1 引言

信息产业经过多年的高速发展，经历了计算机、互联网与移动通信网两次浪潮，2000年后步入疲软阶段，在此背景下，物联网概念的提出立即得到全球的热捧，被称为世界信息产业的第3次浪潮，代表了下一代信息发展技术。

物联网技术体系架构分为感知层、网络层、应用层3个层次。感知层由各种具有感知能力的设备组成，主要用于感知和采集物理世界中发生的物理事件和数据；网络层包括各种通信网与物联网形成的承载网络，可以将感知层感知和采集的数据信息通过现有通信网络 （如2G/3G/4G网络、互联网等）上传给应用层，完成感知层和应用层之间的信息通信；应用层包括业务支撑平台和应用，可以实现物品信息的汇总、协同、共享、互通、分析、决策等功能。

作为物联网应用的最前端，感知层的信息感知和采集效果对于物联网功能的有效实现有着决定性的作用，而标准体系架构的研究和实现是完善物联网感知层功能的基础，因此，感知层标准体系架构的研究是必要且紧迫的。物联网感知层不但包含网络、通信、信息处理、传感器、安全、服务技术、标识、定位、同步等传统技术，还涉及到协同处理等新技术，覆盖范围较宽。国际国内相关标准化组织已开始进行物联网感知层的标准架构研究，但各自的定义不统一，针对性也不同。本文通过对物联网感知层共性需求和特定应用的提炼，提出了一种物联网感知层的标准体系。

2 物联网感知层标准体系架构

物联网感知层标准体系如图1所示，分为两个层面：基础平台标准和应用层面。

基础平台标准是根据物联网感知层的共同特征和技术需求提炼出来的，包含技术术语、接口、通信与网络、协同信息处理、信息服务支持、网络安全与隐私、一致性和互用性测试等模块。应用层面中的典型应用可以通过对基础平台标准的剪裁进行定制。下面对物联网感知层标准体系的各模块分别进行说明。

2.1 技术术语

为了方便各国以及各组织在物联网感知层研究方面的交流，促进研究发展，需要对物联网感知层中的专用名词和关键技术给予明确定义，形成业界统一的技术术语。

2.2 需求分析

需求分析是对各种感知层应用、服务的特征和功能需求进行提炼，需要从以下3个方面入手。

·对感知层应用模型和应用场景进行分析。

·通过物理层、MAC层、网络层、应用层等对感知层的服务特征和功能需求进行分析。

·对感知层的发展前景和相关的标准化项目进行分析。

2.3 参考架构

由于物联网感知层的各种应用和服务利用了不同的网络协议、中间件和应用函数，对各种应用和服务的兼容性影响很大，需要建立物联网感知层的参考架构。

2.4 接口

（1）传感器接口

传感器之间存在多种不同传感器接口，这对感知层的兼容性十分不利，因此需要对市场上已有和正在研究的各种传感器接口信息进行调研和搜集，制定统一的传感器接口标准。现在比较常用的传感器模拟和数字接口包括：4～20 mA、0～5 V、SPI、RS-232 等。

（2）数据类型和格式

传感器种类和应用场景的不同会导致传感器数据类型和格式的多样化，现在比较常用的数据类型包括音频数据、视频数据、图像数据、文本数据等，编码和压缩后的数据格式包括MPEG、JPEG、ASN.1、XML等。通过对不同的数据类型和格式进行划分，制定明确的接口定义可以避免在不同传感器和应用场景中出现数据不匹配的情况，提高感知层的应用效率。

2.5 通信和网络标准

感知层的网络协议需要具备自组织、自配置、鲁棒性强、可升级等特点，一些已经应用的通信标准分别包含了以上特点。根据对已有标准的补充和剪裁，将感知层基础平台的通信和网络标准分为4层：物理层、MAC层、网络层和主干网接入层。

（1）物理层

物理层定义了感知层设备间在物理连接上进行原始数据传输的方法。根据感知层的不同应用需求，物理层包含的技术手段略有差别，一般包含发送频率、调制方法、短距离通信策略、长距离通信策略、低速率传输、高速率传输等手段。感知层设备可以通过有线或无线互连。现有的很多有线和无线通信标准已经比较成熟，包括RS-232、RS-422、RS-423、RS-485、PLC、HFC、CAN、Ethernet等有线标准和IEEE 802.15.3、IEEE 802.15.4、蓝牙、CDMA、WLAN 等无线标准。针对感知层特点的通信和网络技术不断涌现，需要把这些技术都考虑进来，根据感知层各种应用的共性需求，制定出最合适的物理层标准，实现感知层设备之间、网关之间、企业网之间的互连。

（2）MAC 层

MAC层保证了感知层设备间的逻辑连接，通过寻址和信道接入控制实现设备之间的通信。为了弥补物理层数据传输的不可靠性，MAC层还提供了流量控制、差错检测、差错控制等服务，实现了设备之间数据的可靠传输。与其他网络实体相比，物联网感知层受到能量、通信、存储、计算能力等的限制，因此MAC层标准必须实现较高的能效性和较少的数据交互。现有的一些MAC层协议并没有考虑到这些限制，所以并不能有效应用于物联网感知层中，可以通过对现有MAC层协议 (如CSMA/CA、动态TDMA、S-MAC等)的扩展性、设备休眠策略、信道接入控制技术、流量和差错控制技术、多路复用技术的研究制定适用于物联网感知层的MAC层标准。

（3）网络层

网络层位于物理层和MAC层之上，实现了流量控制、差错检测、中继和路由选择等功能。与有线传输相比，无线传输在能量、通信、存储、计算能力等方面的限制对网络层标准提出了更大的挑战，需要结合以下技术才能有效解决这些问题：网络信息的自配置、网络地址和物理地址之间的地址解析、点到点的数据单元传输协议、端到端的数据单元传输协议、感知层设备和网关的时间同步和自定位、不同协议网络的协同工作、路由策略。

（4）主干网接入层

无论是网络间的通信，还是与人的交互，物联网感知层都需要接入通信主干网实现其应用。感知层与主干网的接入可以分为有线(如 Ethernet等)和无线(如 GSM、3G、4G 等)两种接入方式。主干网接入层协议通过对网关的发送接收和应用程序接口进行定义，实现与主干网的互连，对物联网感知层各种应用的实现起到了决定性的作用。

2.6 网络管理

与现有网络相比，物联网感知层包含了新的功能单元，而现有的网络管理协议并没有对这些功能单元提供支持，可以从以下几个方面着手制定适合物联网感知层的管理协议：在现有网络管理协议(如SNMP、ZigBee等)的基础上进行拓展，研究新的网络管理协议、拓扑管理协议、不同管理协议协的同工作。

2.7 移动支持

物联网感知层的移动性可以分为4类：网关移动、设备移动、用户移动、环境移动。每种移动方式都需要提供相应的支持。

感知层内部设备与网关距离较远时，需要通过多跳实现通信，能耗很大。通过网关移动可以增加网关的覆盖面积，缩短网关与设备之间的距离，有效降低网络的通信能耗。

感知层内的设备移动可以通过设备本身的特性实现，也可以通过把设备固定在可移动的物体上实现，无论是通过何种方式实现，都可以降低网络的通信能耗，增加设备的覆盖面积，减少设备的布设数量，从而降低整个网络的布设成本。设备移动可以分为网络内移动和网络间移动。IP网络中，网内移动的设备可以根据新位置更改内网IP，实现新的对应关系；网间移动的设备需要同时更改网关IP和内网IP，建立与新网络内部设备的通信。

用户移动可以分为两种情况：用户作为终端的移动和用户作为设备的移动。用户作为终端的移动会导致与用户进行通信的网关发生变化，需要动态切换技术的支持；用户作为设备的移动与设备移动情况类似。

环境移动是指感知层周围的环境在某些情况下会发生变化，如天气、空气密度等，感知层的传输、处理等参数也需要随之动态调整。

2.8 协同信息处理

在能量、通信、存储、计算能力受限的物联网感知层中，协同信息处理对于有效实现网络应用起到了关键作用，可以通过3个方面建模：性能公告实体(CDE)、协同策略规划实体(CSPE)、通信需求定义实体(CRSE)。

性能公告实体在物联网感知层中通过广播公告感知层设备自身的性能；协同策略规划实体通过均衡资源消耗和应用效果寻求最优的协同处理方案；通信需求定义实体作为信息交换的接口，通过对网络参数、网络协议的定义实现物联网感知层中的信息共享。

2.9 信息服务支持

信息服务支持包含信息描述、信息存储、信息标识、目录服务。

（1）信息描述

对感知层中传输的信息进行明确定义和描述是感知层协同工作的基本要求，可以利用现有的一些语言和符号(如ASN.1等)描述信息。

（2）信息存储

由于感知层设备本地存储能力不足，限制了很多应用，自适应数据分解的方法可以有效解决这个问题。感知层根据特定应用的需求，动态地通过信号降采样、数据压缩、减少冗余信息等数据分解方法降低数据存储量，在数据量和数据精度之间进行折衷。

（3）信息标识

感知层的信息标识包含传感器设备标识、设备类型标识、信息标识、信息类型标识、应用类型标识等，可以通过已有的一些标准(如OID、URI等)对这些信息进行标识。

（4）目录服务

在感知层数据库中，每个感知层设备对应一个目录，通过对目录的查找可以更迅速快捷地找到感知层设备的相应信息。感知层目录服务标准的制定可以参考ISO/IEC 9594标准中的目录服务标准。

2.10 服务质量

物联网感知层的配置管理是否合理，功能实现是否有效，是否满足了应用需求，判断的依据是服务质量的衡量。制定合适的服务质量衡量方法对感知层的功能评估十分重要。

应用场景不同，使用的服务质量衡量方法也不同。根据应用服务模式，可以把感知层分为3类：时间驱动型、事件驱动型和查询驱动型。时间驱动型应用是指感知层以某一确定时间为周期完成相应的信息感知和信息提供任务，如一些环境监测物联网应用提供较为典型的时间驱动型服务；事件驱动型应用是指感知层以物理世界某一特定事件发生为触发点，完成相应的信息感知和信息提供任务，是安防物联网应用需要提供的关键服务类型之一；查询驱动型应用是指感知层以来自用户的查询为触发点，依据用户查询需求完成后续的信息感知和信息提供任务，是基于感知层的分布式数据库系统所提供的核心服务之一。

对于以上3种应用服务模式，可以从两个角度进行服务质量的衡量：通信角度和信息处理角度。由于物联网感知层不仅是一个信息传输系统，更加是一个信息获取、处理、提供系统，所以如果仅仅从传统的通信角度衡量感知层的服务质量是不够的，信息处理角度的评估也是不可或缺的。从通信角度看，可以从网络延时、网络抖动、网络带宽、丢包率等方面评估；从信息处理角度看，可以从误警率、目标分类正确率、定位误差等角度评估。图2给出了这两个角度具体的一些评估方法。

2.11 中间件功能

中间件功能表示的是物联网感知层的一个功能集，包括信息获取、信息过滤、数据比较和分析、数据挖掘、背景建模、背景感知处理、背景感知估计和决策、传感器信息综合管理等功能。

中间件功能位于应用层面和基础功能层面之间，起到了承上启下的作用，可以把中间件功能层面分为3个功能子层：支持功能子层、通用服务子层和区域特定服务子层，不同层面实现不同功能，如图3所示。在明确定义了中间件功能层面各种功能的同时，还需要对中间件功能层面、应用层面和基础层面的接口进行明确定义。

2.12 网络安全与隐私

对于物联网感知层的很多应用来说，网络安全是实现其功能的基本保障。现阶段感知层安全技术的研究主要集中在网络加密技术、分布式密钥管理、安全路由协议(如DSDV、DSR、SEAD等)、设备协作和自私机制、恶意资源消耗、入侵检测模型等几个方面。安全管理通过对现有安全技术的使用实现，需要满足部署和应用方便、减少手动操作、降低能耗等几个方面的要求。通过分析感知层采用的安全技术和安全管理手段，在选择设备、构建感知层、接入主干网之前必须对物联网感知层进行安全评估，以确定网络的安全性能。

2.13 一致性和互用性测试

物联网感知层要通过测试验证是否满足目标应用的需求。测试包括一致性测试和互用性测试，根据互操作协议制定测试用例，通过测试结果对感知层目标应用的需求满足情况进行评估。

一致性测试是对感知层在特定网络环境下接收测试用例后输出数据的一致性进行测试，根据测试结果对感知层的一致性进行评估；互用性测试是通过在网络互用环境下对感知层各执行实体间协议正确性、功能实现性、互用可行性的测试进行网络协议正确性的评估。

2.14 应用层面

由于物联网感知层的每一个实际应用都有其特殊的应用需求，所以需要对感知层的各种应用提供各自的应用层面，以对服务特征、处理函数、接口程序、运作属性等作出定义。

3 结束语

物联网感知层的研究还处于起步阶段，需要研究和解决的问题很多，感知层标准体系的搭建无疑是感知层各种技术研究的前提和基础，对感知层功能的有效实现至关重要。本文通过对物联网感知层共性需要和特定需要的总结，提出了一种物联网感知层的标准体系架构，对感知层标准体系的搭建和统一意义重大，对推动物联网产业的发展起到了积极作用。标准体系中还有一些需要深入研究和细化的问题，如协同信息处理模型的进一步细化、中间件功能的进一步明确、网络安全策略的标准化等，是下一步的研究方向。

1 韦乐平.物联网的特征、发展策略和挑战.电信科学,2011,27(5):1～5

2 杨倩.物联网关键技术及应用.电信科学,2010,26(8A):139～142

3 赵俊钰,诸旻,左建等.物联网网络服务支撑平台方案研究.电信科学,2011,27(5):126～130

4 李健.物联网关键技术和标准化分析.通信管理与技术,2010,17(3):17～20