無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化分析

林鑫海++李樹磊++趙研++李威

1 引言

通信技術(shù)的飛速發(fā)展和日益完善，推動(dòng)了新型無線通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，其中物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展最為迅速。早在2014年初的ITU-T SG17（國際電信聯(lián)盟遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)化組織數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和電信軟件研究組）全會(huì)上，我國代表團(tuán)提出的“OID（對(duì)象標(biāo)識(shí)）在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用指南”國際標(biāo)準(zhǔn)成功立項(xiàng)[1-2]，并提交了第一版國際標(biāo)準(zhǔn)草案，該標(biāo)準(zhǔn)表明我國在國際物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化方面向前邁出了重要一步。目前，各大技術(shù)聯(lián)盟都在積極推出自己的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，這是因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)整體架構(gòu)涉及的層面和技術(shù)較多，相關(guān)的技術(shù)組織和標(biāo)準(zhǔn)也非常繁雜[3-4]。但從近幾年的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展來看，國際上各標(biāo)準(zhǔn)組織之間的研究缺乏統(tǒng)一的協(xié)調(diào)和協(xié)作[5-6]，其中以微型傳感器構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)研究工作最為明顯。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括物理層、協(xié)議層和應(yīng)用層。針對(duì)感知層目前有多種常用的無線技術(shù)，如圖1所示。本文主要對(duì)3種最常用標(biāo)準(zhǔn)：ZigBee、藍(lán)牙（Bluetooth）以及Wi-Fi展開分析，并比較各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1 常用的無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 ZigBee

ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞，是一種近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的雙向無線通信系統(tǒng)[7-8]，主要應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中的M2M行業(yè)。ZigBee憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用得到廣泛的推廣。

（1）ZigBee技術(shù)優(yōu)勢(shì)

ZigBee技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要包括以下方面：

◆低功耗：在低功耗模式下，僅需2節(jié)五號(hào)電池就能使用六個(gè)月到兩年左右的時(shí)間。

◆低成本：ZigBee協(xié)議簡(jiǎn)單，降低了對(duì)通信控制器的要求，可大大降低成本且免收專利費(fèi)。

◆近距離：傳輸范圍一般為10～100m，在提高RF發(fā)射功率后可增加至1～3km，使得覆蓋范圍更廣。

◆網(wǎng)絡(luò)容量大：ZigBee具有大規(guī)模的組網(wǎng)能力，可采用星狀、樹狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可支持65 535個(gè)節(jié)點(diǎn)。

◆安全保密：ZigBee采用三級(jí)安全模式，提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，并且融入了IEEE 802.15.4的安全協(xié)議。

（2）ZigBee技術(shù)的不足

ZigBee技術(shù)在設(shè)計(jì)之初就是為了解決近距離、低速率通信，隨著需求增加也暴露出一些問題。在沒有功率放大器的情況下ZigBee節(jié)點(diǎn)傳輸距離受限，且對(duì)障礙物的厚度影響大，覆蓋范圍也會(huì)隨之變小。在2.4GHz頻段下最大的傳輸速率只有250kbps，僅能傳輸簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)。在與鄰近節(jié)點(diǎn)共用或者同一節(jié)點(diǎn)多個(gè)應(yīng)用時(shí)，速率也將被瓜分。

2.2 藍(lán)牙

藍(lán)牙（Bluetooth）是由多家跨國公司聯(lián)合開展推廣的短程無線通信技術(shù)，并且推出了藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以使藍(lán)牙技術(shù)能夠在全球范圍內(nèi)廣泛使用。藍(lán)牙體系結(jié)構(gòu)中的協(xié)議模型可分為：物理層、核心協(xié)議、應(yīng)用協(xié)議（可選協(xié)議）、射頻通信、電話傳送控制協(xié)議。

目前，藍(lán)牙推出集IEEE 802.15.1、IEEE 802.11物理層和MAC層以及Wibree標(biāo)準(zhǔn)“三合一”的4.0版本，將傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)、高速技術(shù)和低功耗技術(shù)融為一體。

（1）藍(lán)牙4.0版本技術(shù)優(yōu)勢(shì)

◆低功耗：在應(yīng)用模式上采用NOKIA開發(fā)的Wibree技術(shù)，這是一種專門為移動(dòng)設(shè)備開發(fā)的極低功耗的通信技術(shù)。

◆覆蓋范圍：相比較于傳統(tǒng)藍(lán)牙10m的傳輸距離，藍(lán)牙4.0的有效傳輸距離已達(dá)到100m。

◆高速率：通過集成“802.11 PAL”（協(xié)議適應(yīng)層），數(shù)據(jù)傳輸率提高到了大約24Mbps，是藍(lán)牙2.0的8倍，能快速經(jīng)過認(rèn)證連接。

藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)依舊向下兼容，包含了經(jīng)典藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范和最高速率24Mbps的藍(lán)牙高速技術(shù)規(guī)范，可單獨(dú)使用，也可同時(shí)運(yùn)行。低功耗藍(lán)牙的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜?jiǎn)單，傳輸距離超過NFC，憑借在手機(jī)領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢(shì)，將對(duì)ZigBee、NFC等技術(shù)產(chǎn)生沖擊，未來會(huì)有良好的發(fā)展前景。

（2）藍(lán)牙4.0版本技術(shù)的不足

藍(lán)牙技術(shù)也存在一些不足，比如不需要口令直接訪問，存在安全漏洞，用戶個(gè)人信息存在泄漏危險(xiǎn)。技術(shù)進(jìn)展緩慢與其他無線技術(shù)重疊，并且藍(lán)牙芯片價(jià)格較高，增加了硬件成本。同時(shí)，藍(lán)牙傳輸過程中數(shù)據(jù)包不可能太大。

2.3 Wi-Fi技術(shù)

Wi-Fi即IEEE 802.11協(xié)議，可以將個(gè)人電腦、手機(jī)等終端設(shè)備以無線方式互相連接，同藍(lán)牙、ZigBee技術(shù)一樣實(shí)現(xiàn)短距離通信，是目前最為流行的一種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

（1）Wi-Fi技術(shù)優(yōu)勢(shì)

◆覆蓋范圍廣：Wi-Fi的覆蓋半徑在室外最大可達(dá)300m，在室內(nèi)有障礙物的情況下最大可達(dá)100m，使用交換機(jī)可以覆蓋整棟大樓。

◆傳輸速率快：根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率有所不同，最高可達(dá)300Mbps。

◆可靠性高：帶寬根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度、干擾強(qiáng)度等自動(dòng)調(diào)整，以保證網(wǎng)絡(luò)通暢。

◆健康安全：IEEE 802.11規(guī)定的發(fā)射功率不會(huì)超過100mW，實(shí)際發(fā)射功率為60～70mW。

◆門檻低：用戶只需設(shè)置熱點(diǎn)，通過高速線路將因特網(wǎng)接入，在該區(qū)域的設(shè)備都可高速接入，無需耗費(fèi)資金進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布線，可節(jié)省大量成本。

（2）Wi-Fi技術(shù)的不足

Wi-Fi的信號(hào)工作在2.4GHz的IMS頻段，容易受到干擾，并且隨著節(jié)點(diǎn)距離增加而減弱，傳輸速度也隨之降低。在安全性方面，缺少有線網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)的保護(hù)，不需要申請(qǐng)就可使用無線網(wǎng)絡(luò)的頻率。網(wǎng)絡(luò)易受到攻擊，安全性有待提高。除此之外，缺乏完善的QoS與商業(yè)模式，無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)上層業(yè)務(wù)不開放。同時(shí)，功耗大也一直是Wi-Fi技術(shù)相對(duì)于其他無線通信技術(shù)最明顯的劣勢(shì)。endprint

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程

各類標(biāo)準(zhǔn)在制定之初協(xié)議簡(jiǎn)單、功能單一，隨著需求的增加和應(yīng)用場(chǎng)景的多樣，傳統(tǒng)協(xié)議內(nèi)逐漸增加新的內(nèi)容。以ZigBee為例，它定義了網(wǎng)絡(luò)互連、傳輸和應(yīng)用規(guī)范，然而隨著應(yīng)用的推廣和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，基本協(xié)議已經(jīng)不能適應(yīng)需求。為此，不同國家、不同應(yīng)用以ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)推出更多版本，使不同制造商的便捷式設(shè)備具有近距離互通的能力，并且具備一定的組網(wǎng)能力。

我國對(duì)傳感器發(fā)展高度重視，在全國信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)推動(dòng)下，國內(nèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化的工作取得很大進(jìn)展，新一代寬帶移動(dòng)無線通信網(wǎng)和《國家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2006—2020）》都把傳感網(wǎng)列入重點(diǎn)研究領(lǐng)域。目前我國傳感網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系已形成初步框架，向國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提交的多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)提案被采納，傳感網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)取得積極進(jìn)展。未來更多地參與國際標(biāo)準(zhǔn)的制定，將會(huì)對(duì)我國產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力和技術(shù)水平的提升至關(guān)重要。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)化的挑戰(zhàn)

盡管上述3種無線技術(shù)ZigBee、Bluetooth以及Wi-Fi在傳感器網(wǎng)絡(luò)中都被廣泛使用，但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所面臨的現(xiàn)狀卻較為困難。大型制造商只采用本陣營的標(biāo)準(zhǔn)，其他標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議拒絕支持，那么智能生活所體現(xiàn)的智能性將遠(yuǎn)低于預(yù)期。

造成這種尷尬局面有多種原因：一方面，各種無線技術(shù)都有各自的特點(diǎn)、產(chǎn)品應(yīng)用及適用范圍，從短期來看，技術(shù)替代或技術(shù)兼容都不現(xiàn)實(shí)；另一方面，從市場(chǎng)角度來看，各大設(shè)備供應(yīng)商、系統(tǒng)開發(fā)商之間，特別是處于競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)下的產(chǎn)品供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)化問題，將觸及各方的經(jīng)濟(jì)利益，從而使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化變得復(fù)雜而困難。未來的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)真正需要的是：所有設(shè)備都使用同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來通信。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之于智能家電就如同Wi-Fi之于筆記本電腦，但是創(chuàng)建這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)需要多方面因素促成。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)化的方向

現(xiàn)有無線通信標(biāo)準(zhǔn)各自推廣、布局的情況下，各大制造商并未達(dá)成一致，無線傳感器設(shè)備的互連更加困難，其中智能家居領(lǐng)域受到的影響最大。在目前標(biāo)準(zhǔn)無法統(tǒng)一的情況下，開發(fā)商提出了一些比較成熟的解決方案，主要包括以下2種模式：

（1）居間服務(wù)

智能家居系統(tǒng)需要在不同廠家的設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)互連，以方便對(duì)其有效的控制，實(shí)現(xiàn)不同程度的自動(dòng)化。系統(tǒng)集成商們提供了很多服務(wù)案例，比如把多種電器捆綁在一起，實(shí)現(xiàn)全面的互連性。這種通過居間服務(wù)的形式實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信將是一種雙贏的模式。

如今，供應(yīng)商在家居自動(dòng)化方面做出了很多大膽的嘗試，比如出售預(yù)制的燈、溫濕度控制器和門禁攝像頭等，將它們整合出售，實(shí)現(xiàn)相互通信協(xié)作。SmartThings的解決方案是通過一個(gè)控制中心和不同類型的傳感器，在家居生活中追蹤及控制各類數(shù)字設(shè)備，也可以跟使用Z-Wave、ZigBee、Wi-Fi的家電通信。一旦這些家電以無線方式連接在一起，SmartThings就可以實(shí)現(xiàn)它們之間的互操作，用戶也可以通過一個(gè)智能手機(jī)應(yīng)用訪問它們。其優(yōu)勢(shì)就是不需要用戶關(guān)注各種復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)，提升用戶體驗(yàn)。Arrayent也提供了另一種整合服務(wù)：可以幫助零售商組裝希望打包出售的設(shè)備，讓這些設(shè)備跟連接到互聯(lián)網(wǎng)的控制系統(tǒng)同步，以便互相通信。

（2）云服務(wù)

云服務(wù)的蓬勃發(fā)展為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)的接入、存儲(chǔ)和處理業(yè)務(wù)，用戶把終端嵌入到生活場(chǎng)景之后，各類設(shè)備將數(shù)據(jù)上傳到云上，通過調(diào)用云端數(shù)據(jù)并發(fā)送指令，在業(yè)務(wù)和管理方面實(shí)現(xiàn)“物與人”相互通信。目前這種技術(shù)融合互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、傳感網(wǎng)等多網(wǎng)資源，各大制造商都在積極打造自己的云服務(wù)平臺(tái)，已有比較成熟的解決方案，真正實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)智能控制。未來隨著對(duì)智能需求的高漲，能夠?qū)崿F(xiàn)各標(biāo)準(zhǔn)互連的云平臺(tái)運(yùn)營商的地位將占據(jù)核心的位置。

4 結(jié)束語

以ZigBee、藍(lán)牙和Wi-Fi技術(shù)為主的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)品陸續(xù)融入日常生活。目前，各種無線技術(shù)都有各自的技術(shù)特點(diǎn)、產(chǎn)品應(yīng)用及適用范圍，從這個(gè)角度來看，采用多標(biāo)準(zhǔn)的觀念可能是正確的方向：針對(duì)不同用戶群體推出不同標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，便于新技術(shù)的普及。然而，隨著人們對(duì)智能需求的越來越高，各類設(shè)備之間互通顯得尤為重要。目前的解決方案只能針對(duì)特定的場(chǎng)景提供有限的服務(wù)，一個(gè)主流的、開放的通信協(xié)議將是解決互聯(lián)互通的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)備制造商和應(yīng)用開發(fā)商都在統(tǒng)一、開放的平臺(tái)上推廣應(yīng)用，設(shè)備的互聯(lián)互通將會(huì)變得如同上網(wǎng)一般方便。

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