物联网及近距离无线通信技术.doc

物联网和近距离无线通信技术2010 年 10 月 21 日 05:19物联网和近距离无线通信技术福富软件公司首席架构师/卢捍华1概述物联网是从英语“The Internet of Things”翻译而来的，它是一个很大的概念当前的电 信网、Internet等网络连接的主要是人与人、计算机与人、计算机和计算机，而物联网意 味着更加广泛的互联，包括人、计算机和其他物体正因为这种广泛的互联，将使物联网需 要很多新的技术，也有很多个性和特点这些都使得其在网络的组织、应用和市场模式等方 面将与传统网络有很多不同之处自去年下半年以来，物联网这个话题为人们所热议有人估计，物联网产业的经济规模将是 现有Internet的30倍无论从历史的发展，还是从网络的现实来看，笔者觉得这一估计一 点都不过分从历史上来看，从18世纪的工业革命，到21世纪的美国信息高速公路，技术发展推动经济 发展和社会进步的例子俯拾皆是；从现实来看，In ternet的出现已经极大地改变了人们的 生活方式如果把网络比作人类的血液循环系统，那么，物联网中的传感网相当于毛细血管 的网络末梢，这个末梢目前还基本上是空白正如人的毛细血管的长度占了整个血管长度的 90%以上，物联网末梢的规模同样是惊人的，例如，有人估计，一个家庭大约需要200个左 右的传感和控制节点。

广泛的互联伴随智能化的发展，将给社会和人们的生活带来革命性的变化今天，我们可以 足不出户了解整个世界发生的大事，未来我们可以足不出户了解世界任意角落发生的我们想 知道的事情通过迅速部署和广泛安装的传感网，救灾人员可以了解灾区的各种信息，以保 证及时救灾；煤矿管理者可以了解矿井安全情况，防止矿难的发生；农民可以及时了解气候 和土地墒情，适时灌溉并节约用水；家庭成员可以随时了解冰箱中的储物情况，避免变质而 浪费；我们甚至可以像孙悟空那样，画地为牢，建立没有围墙又严密防范的重要区域…总 之物联网将渗透各行各业和人们的生活，带来巨大的经济效益和社会效益任何技术的发展除了带来好处以外，必然会产生各种各样的问题丨nternet的发展为我们 带来通信的便利，但也带来网络攻击，网络犯罪等一系列难以预料的问题由于物联网涉及 更为广泛的连接和更为复杂的功能，它所产生的问题会更为棘手当然，我们不会为此因噎 废食，而是应当积极应对，或防患于未然，或亡羊补牢，因为社会和技术的发展就是在这种 循环中进行的，试想，如果如今仍然过着日出而作，日落而息，自给自足的农耕日子，我们 能知道网络防火墙是何物吗？ 物联网是社会需求和技术两方面发展的结果，社会需求促使人们去努力发展技术，而技术的 成熟使物联网逐步成为现实。

物联网将建立更广泛的连接，更到位的感知和更深入的智能 有鉴于此，在物联网关键技术中，无线传感网技术无疑占有非常重要的地位，它可以实现广 泛的连接和传感，为智能化奠定坚实的基础无线传感网的主要内容是传感和无线传输，在 无线传感网中，由于需要在很小的范围内布置大量的无线节点，近距离无线通信技术在其中 占有非常重要的地位2技术概要近距离无线电通信没有一定的定义，属于这个范畴的可以有通信距离为5~100米的无线个域 网（WPAN）技术，也可以有射频标签（RFID）、近场通信（NFC）等一些非常短距离的通信 技术，有时红外通信也被划在这一范畴这些技术的共同之处是点到点的通信距离非常短， 一般不超过100米，有的甚至短到微米级（例如，采用UWB技术进行集成电路内部的连接） 近距离通信的速率差别也很大，每秒数百bit直至每秒数百Mbit甚至每秒Gbit的数量级 下面的图给出了一些典型近距离无线通信的通信距离、通信速率和应用的情况，以及它们与 WLAN、蜂窝通信的对比典型近距离无线通信技术的概况由于近距离无线电通信的应用非常多样化，要求各不相同，所以，多种标准和技术并存 的现象会长期存在例如，需要宽带传输的视频、高速数据可以采用UWB技术；对速率要求 不高的，但对功耗、成本等有较高要求的无线传感网可以采用ZigBee、Z-Wave及与其相似 的技术；对于非常近距离的标签无线识别应用，则可以采用NFC、RFID等无线通信技术。

从使用的频率上来看，多数近距离无线通信使用的是ISM （工业、科学、医疗）频段，在限 制功率的前提下，对频率的使用不需要许可遗憾的是除了 2.4G这个频段以外，其他频段 各国的规定各不相同，因此，有些标准会给出多个频段UWB和NFC、RFID使用频段的情况 有所不同，前者由于近似白噪声通信，平均功率密度非常低，使用高频率（例如， 3.1GHz~10.6GHz）的频段和非常宽带宽（例如4~7GHz）;后二者由于通信距离非常短，发 射功率极低，所以使用的频段限制相对较为宽泛例如，RFID就有使用低频（125KHz、134KHz）、 高频（13MHz）、超高频（868~956 MHz）、和微波（2.4GHz）等不同频率的产品在标准方面，当前无论在哪种应用领域，都是一种群雄蜂起的战国局面，有多个组织和多种 标准存在，例如，IEEE、ISO/IEC以及一些民间组织，如ZigBee联盟、Z-Wave联盟等有 些技术的标准往往是一些组织之间的分工合作的结果，例如，ZigBee技术标准就是由IEEE 和ZigBee联盟合作的产物在近距离无线通信方面，IEEE的工作比较令人瞩目，IEEE802.15工作组分设了七个任务组 （TG），在以下几个方面对近距离无线通信技术和标准进行研究：TG1从事蓝牙标准的制定、口TG2口协调ISM频段WLAN和WPAN的共存、TG3高速多媒体标准的制定（UWB、WiMedia）口TG4口低速WPAN标准的制定（ZigBee）TG5无线网状网技术在WPAN中的应用、口TG6口人体内部无线通信标准的制定、SGrfid RFID技术在WPAN的应用。

口下面我们介绍两种典型的近距离无线通信技术一ZigBee和UWB技术ZigBee标准的主要制定组织是IEEE和ZigBee联盟，前者工作重点在协议底层（IEEE802.15.4），后者在于高层ZigBee标准于2004年开始推出，后来又发布了 ZigBee2006、 ZigBee2007两个版本ZigBee技术具有以下特点：近距离（口＜100米）和低速率（＜250kbps）；极低功耗，电池供电可以维持数年甚至20年；口多种拓扑结构；口支持不同的网络规模（最大可达6万节点）；口高层节点数可达1000以上（2007版）；口自组织网络支持节点的灵活加入和退出口由于具备这些特点，所以它特别适合无线传感网的应用ZigBee的工作频段有三个，分别是868MHz、915MHz和2.4GHz868MHz频段主要用于欧洲， 有一个信道，传输速率为20kbps； 915MHz （902~928MHz）频段用于美国，有10个信道， 每信道传输速率为40kbps； 2.4GHz有40个信道，每信道传输速率可达250bpsZigBee的网络拓扑结构可以是星形、网状或混合结构，如下图所示ZigBee的网络拓扑结构ZigBee的节点有两种，一种是全功能节点（FFD，图中绿色和红色的节点），另一种是 限制功能节点（RFD,图中的蓝色节点）。

RFD结构比较简单，但只能与FFD通信，用于终 端节点；FFD则可以用于终端节点和中继节点每个ZigBee网络需要有一个协调节点（图中的红色节点），必须由FFD承担ZigBee可以广泛用于各种传感网和监控系统，近几年来发展十分迅速已经生产的芯片主 要是集成无线收发器和用于协议栈和应用处理的微处理器的片上系统（SoC）芯片成本较 低，目前为2~3美元，据称最终可达一美元以下ZigBee的一个有力竞争对手是Z-Wave，由丹麦Zensys公司开发，后来成立Z-Wave联盟， 2007年以后，该联盟得到Microsoft、Cisco等通信和计算机大公司的支持和ZigBee不 同，Z-Wave从开发伊始就紧盯家庭自动化应用，从技术的角度来看，它没有特别的优势， 其工作速率低于ZigBee，组网方式和网络规模也不如ZigBee，但由于其针对性强，协议更 加简单，便于实现，成本有望更低、更易于普及，所以近年来，Z-Wave在家庭自动化方面 得到广泛的应用笔者在美国市场上就看到多款基于Z-Wave家庭电气控制产品，但没有见 到基于ZigBee的类似产品和ZigBee不同，UWB （超宽带无线通信技术）的主要应用是短距离的宽带传输。

UWB的概念 出现得很早，过去主要用于军事通信，2002年，美国联邦通信委员会批准作为个域网技术 开放使用，从那以后，在民用领域得到很快的发展根据美国FCC的要求，用于无线个域网 的UWB技术应当具有以下特性：使用FCC开放的3.1~10.6GHz频段；口功率密度低于-口 41.3dbm/MHz;传输速率为：10m距离上110Mbit/s; 4m距离上200Mbit/s; 1m距离上480Mbit/s; 口同一空间支持4个微微网同时工作口由于占用极宽的带宽和非常低的功率密度，UWB具有以下可贵的特性：占用频带极宽，达4~7.5GHz，而移动通信不过几百kHz~几十MHz； 口传输速率高，有望达到千兆bit/s的速率；口空间容量大，可达1Mbit/s/m2，相比之下，802.11b仅为1kbit/s/m2口 ；蓝牙仅为30kbit/s/m2 ；穿透能力强，极宽的带宽有助于微波信号的穿透；口抗干扰性能好，因为信号的频谱类似白噪声，对其他类型的无线通信来说，容易滤除，又 由于有极宽的带宽，也不易受其他信号的干扰口 当前UWB技术主要分两大阵营，即DS-UWB和MB-0FDMDS-UWB方案使用的是脉冲无线电技术，提交给IEEE802.15工作组的是一些掌握大量脉冲无 线电专利的小公司。

这是一种无载波技术，发送的是极窄的脉冲信号由于没有载波，不需 要调制解调，所以实现简单，平均功率低，成本也相对较低MB-OFDM方案则是用多波段OFDM复用实现数据的传输，其频谱特性也符合对UWB的要求 提交这一方案的是一些大的通信和计算机公司，如IBM、微软、惠普、诺基亚、索尼等 两种方案各有千秋，DS-UWB商用较早，但MB-OFDM有后来居上之势特别是MB-OFDM已经 被USB联盟采纳，作为无线USB底层的传输手段，使其前景更加光明3应用作为一个体系，物联网的实现还有很长的路要走在物联网时代，可以将当前遍布世界的 Internet看做是整个网络的骨干部分，末梢部分将是由各种不同的局部网络和节点组成由于需要广泛的部署和分布，这些节点和今天的网络节点会有很大的不同不同的应用会有 不同的要求，为了适应不同的要求，这些节点应当做到：能够在较小的空间里密集分布；口长寿命、低功耗、低成本、小型化；口能够在恶劣环境下长期工作口整个物联网必须实现个域网、局域网、广域网的有效互联，在此基础上，开发各种应用，最 终实现各方面的自动化和智能化当前，物联网在工业、能源、交通运输、医疗、农业、气象、环保等领域的应用已经开始起 步，但还是一些局部的应用，例如，有资料称，上海浦东机场防入侵系统铺设了3万多个传 感节点，覆盖了地面、栅栏和低空探测。

多种传感手段组成一个协同系统后，可以防止人员 的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵即使这样，也只是一个局部的应用系统，物联网就 是要将千千万万个这样的系统连接起来，为社会和大众提供更为智能化的服务，方便人们的 生活，也为社会经济的可持续发展提供更有效的保障如何着手进行物联网的普及是一个十分重要的问题，末梢网络及其应用的建立是物联网发展 的关键，而近距离无线通信技术在末梢网络中起着至关重要的作用。