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大数据与移动互联网、物联网以及传统互联网
《物联网关键技术》
——物联网技术概论
老子曰:“不出户知天下,不窥牗见天道。其出弥远,其知弥少。是以圣人不行而知,不见而名,不为而成。”物联网正是可以实现这种境界。
物联网的本事是互联网的落地,即进一步实现物物相连。
在平安、健康、能源、效率、环境等等方面照旧存在着巨大的隐患问题。物联网的进展,能大大促进当前以效率、节能、环保、平安、健康为可信的全球信息化进展,例如智能交通、电子医疗、智能电网等等技术应用的成熟。
物联网(IOT,InternetofThings)。也是“传感网”在国际上的通称。通俗地讲,物联网就是万物都可以上网,物体通过装入射频识别设备、红外感应器、全球定位系统或其他方式进行连接,然后接入到互联网或移动通信网络,最终形成智能网络,通过电脑或手机实现对物体的智能化管理。
PS:美国IBM公司“才智地球”,日本和韩国分别提出“U-JAPAN”和“U-KOREA”战略。中国提出“感知中国”的进展策略。
从技术的角度讲,物联网应当具备3个特征,一是全面感知,即利用RFID、传感器、二维码等随时随地猎取物体的信息;二是牢靠传递,通过各种电信网络与互联网的融合,将物体的信息实时、精确 的传递出去;三是智能处理,利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术,对海量数据和信息进行分析和处理,对物体实施智能化把握。这三个特征也供应了物联网体系结构划分的基础。
物联网体系结构
感知层————网络层————应用层
感知层:智能终端和智能小物体(传感器)。
网络层:编码寻址(IPV4,IPV6)和统一管理(针对多样格式的数据)。
应用层:应用支撑平台子层和应用服务子层。“三网结合”即传感网、互联网和通信网相互结合=物联网。
物联网总体架构
在感知层:物联网终端形态包括一般物联网终端、M2M终端、感知接入网关、感知子网节点、终端外设及卡识读物。
在网络层:主要包括接入网、传输网、核心网、业务网、网管系统和业务支撑系统。
在应用层:要求应用系统通过统一接口来实现与感知层的通信。
物联网核心技术
物联网的结构大致可以分为三个层次:首先是传感网络,以二维码、RFID(射频识别技术)、传感器为主,实现“物”的识别;其次是传输网络,通过现有的互联网,广电网络、通信网络或者将来的NGN(下一代网络),实现数据的传输与计算;第三是应用网络,即输入/输出把握终端,可基于现有的手机、PC等终端进行。
物联网与泛在网概念的差异
泛在网(UbiquitousNetwork)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猎取、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,为个人和社会供应凡在的、无所不含的信息服务和应用。泛在网具有比物联网更广泛的内涵。
表1传感网、物联网及泛在网三者的比较
定义
终端
基础网络
通信对象
标准化组织
传感网
实现传感器的互联和信息收集
传感器
物对物
ISO/IEC
物联网
将各种信息传感设备如RFID、红外感应器、GPS、激光扫描器等与互联网结合,实现对全部物品的智能化识别与管理
传感器、RFID、二维码、内置移动通信的各种模块
一个或多个基础网络
物对物、物对人
IEEE
ETSI
EPCGlobal
泛在网
通过网络的泛在互联、实现物与物、物与人、人与人之间按需的信息猎取、传递、储存、认知、分析、使用等服务,强调人机自然交互、异构网络融合和智能应用
传感器、RFID、二维码、内置移动通信的各种模块、手机、上网卡等
全部的网络
物对物、物对人、人对人
ITU
3GPP
GSMA
OMA
物联网的行业应用
应用场景:城市平安管控、城市环境管控、城市能源管控(楼宇设施能源管理和IT设施能源管理)、家庭数字生活等。
影响物联网进展的因素
物联网协议问题:在物联网核心层面是基于TCP/IP,但在接入层面,协议类别繁多,GPRS、短信、传感器、TD-SCDMA、WCDMA、有线等等多种通道。物联网需要一个同意的协议基础。
个人隐私与数据平安
网关形态
产业链简单,需要整合
公众信任
标准化
系统开放
争辩进展
物联网进展步骤
估计物联网的进展状况将会分为以下几个阶段:
1、2009~2012:物联网市场规模小,主要以M2M的形态消灭
2、2013~2015:M2M开头有肯定规模,物联网有了肯定规模的企业应用。承载网络也需要肯定升级以适应大量的M2M及物联网应用,市场需求增加。
3、2016往后,物联网行业应用数量激增,已广泛渗透到大中企业,家庭应用。
——无线传感器网络
无线传感器网络(WSN,WirelessSensorNetworks)综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等,能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时检测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,这些信息通过无线方式被发送,并以自组织多跳中继中继:中继是两点间的一条传输信道,这两点通常是交换中心。中继线是承载多条规律链路的一条物理连接。随着科技进展,中继的概念不仅应用于无线通信中,网络通信交换机的trunk也可以称之为一种中继。
方式传送到用户终端,从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。
无线传感器网络的进展历史
简洁传感器网络:20世纪70年月,使用具有简洁信息信号猎取力量的传统传感器,接受点对点传输,与传感把握器连接构成传感器网络。
智能传感器:将计算力量嵌入到传感器中,使得传感器节点不仅具有数据采集力量,而且具有滤波和信息处理力量。
无线传感器网络:20世纪90年月,将网络和无线通信技术引入到传感器节点中,降低了网络部署成本,使得传感器节点不仅仅是感知单元,而变成了可交换信息、协同工作的网络有机体。
无线传感器网络体系结构
从器件上来看,这种节点集成了传感单元(由传感器和模/数转换功能模块组成)、处理单元(由嵌入式系统构成,包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块、收发器等组成)以及电源等部分,有些节点还具有定位系统和移动系统。
图2-1无线传感器网络节点结构
sink
在传感器网络中,节点通过各种方式大量部署在被感知对象内部或四周。这些节点通过自组织方式构成无线网络,以协作的方式感知、采集和处理网络掩盖区域中特定的信息,可以实现对任意地点信息在任意时间的采集,处理和分析。一个典型的传感器网络的结构包括分布式传感器节点(群)、sink节点Sink节点: 在无线传感器网络指汇聚结点,主要负责传感器网与外网(eg:gprs,internet等)的连接,可看作网关节点。
、互联网和用户界面等。传感节点之间可以相互通信,自己组织成网并通过多跳的方式连接至Sink(基站节点),Sink节点收到数据后,通过网关(Gateway)完成和公用Internet网络的连接。整个系统通过任务管理器来管理和把握。
无线传感器网络的特点
总的来说:分布式把握、无中心和多跳多跳:由发站到收站的传输,需经过多次卫星转发的方式。
传输
主要体现:1、节点数量浩大
2、节点密集部署
3、节点易于破坏(所处环境通常恶劣)
4、网络拓扑结构网络拓扑结构:网络拓扑是网络外形,它的结构主要有星型结构、环形结构、总线结构、分布式结构、网状结构、蜂窝结构、树形结构等等。
变化猛烈
5、节点资源受限(为了降低成本导致的)
6、节点不必具有全局ID(不用关怀单个节点信息)
7、以数据为中心(节点可随机部署,节点部署位置信息不是很重要)
其典型应用有:军事应用、抢险救灾、环境监测、医疗保健等
无线传感器网络协议栈
网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合,是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。该网络体系结构由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术部分组成,如下表所示:
表1无线传感器网络协议
分层的网络通信协议
物理层数据链路层网络层传输层应用层
传感器网络管理
能量管理拓扑管理QOS支持网络管理网络平安移动把握远程管理
应用支撑技术
时间同步节点定位分布式协同应用服务接口
分层的网络通信协议之物理层协议
传输媒体:
光通信
红外通信
:无线电是指在自由空间(包括空气和真空)传播的电磁波,是其中的一个有限频带,上限频率在300GHz(吉赫兹),下限频率较不统一
通信:使用ISM(工业、科学、医学)频段,其中某些部分已经用于无绳电话和无线局域网无线局域网:,以无线方式构成的局域网。利用RF射频技术,
(WLAN)。两大难点:一是天线尺寸应为左右,尺寸越小价格约昂贵,使用的频段越高;二是讲笑调制、滤波、解调的能耗。四种工作状态:放射、接收、空闲、休眠。
分层的网络通信协议之MAC协议
MAC协议Mac协议:MAC协议的主要作用是保证公正性和有效的资源共享。MAC机制主要分为两类:1基于竞争的协议2无竞争的信道协议。
,即媒体访问把握子层协议。在网络协议中,数据链路层的媒体接入把握协议(MAC)协议直接把握无线通信模块的工作,建立点到点或者点到多点的通信链路,与传统的无线网络MAC协议不同,无线传感器网络的MAC协议要考虑节点功耗问题。传感器无线通信模块四种工作状态中,发送、接收和空闲这三个状态的节点功耗都很大,其中空闲侦听是无线传感器网络中最主要的无效功耗来源。
表1MAC协议性能评价指标
传统无线网络
公正性传输延迟等
无线传感器网络
能量高效性可扩展性(针对不同应用环境)自适应性(针对可变的网络拓扑结构)