现代物联网体系架构中核心技术标准及其发展应用研究

《物联网技术》杂志
2021-10-14 23:48
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引言

物联网(InternetOfThings,IOT)是当前研究的热点,其号称是下一个万亿级信息产业的引擎。物联网产业作为一个新型产业,覆盖的技术领域非常广泛,涉及到总体架构、感知技术、通信网络技术、应用技术等各个方面。在任何一个产业的发展过程中,标准体系的建立、完善以及协议的制定执行都是必不可少的支撑环节,物联网也不例外。

目前,国际上有关物联网标准研究的组织很多,这些标准组织有的从机器对机器通信(M2M)的角度进行研究,有的从泛在网角度进行研究,有的从互联网的角度进行研究,有的专注传感网的技术研究,有的关注移动网络技术研究,有的关注总体架构研究,因此,有必要对这些标准化组织以及适应领域做一个全面的分析,以期为物联网的应用提供一个良好而健康的发展空间。

1物联网标准化研究的主要环节

物联网标准的划分是分层次的,如传感器的、应用的、传输的等,或者细化为芯片、电路、通信接口、路由等层次。一个典型的物联网体系主要由感知层、网络层以及应用层组成,其中所涉及到的关键技术领域如图1所示。

当然,根据应用对方和应用方式的不同,也有分为感知层、接入层、网络层、中间件层以及应用层等体系架构的。本文以感知、网络和应用三层体系架构来阐述需要进行标准化研究的技术领域。

感知层的标准化研究主要集中在RFID射频感知、天线频带、读写通信协议、RFID中间件等方面。在该层进行研究的国际标准组织比较有代表性的是国际标准化组织(ISO)、美国电气及电子工程师学会(IEEE)。

网络层主要负责信息感知的接入和网络通信的传输和交换。目前,在通信网络技术方面进行研究的国际标准组织主要有3GPP和3GPP2,它们主要从M2M业务对移动网络的需求方面进行研究。

应用层主要是在应用技术方面,主要是针对特定应用制订标准。在此方面,各标准组织都有一些研究,也都比较重视应用方面的标准制订。在智能测量、E-Health、城市自动化、汽车应用、消费电子应用等领域均有相当数量的标准正在制订中,这与传统的计算机和通信领域的标准体系有很大不同(传统的计算机和通信领域的标准体系一般不涉及具体的应用标准),这也说明了“物联网是由应用主导的”观点在国际上已成为一种共识。

总的来说,目前物联网标准工作还处于起步阶段,各标准组织自成体系,标准内容涉及架构、传感、编码、数据处理、应用等,不尽相同。本文从国际和国内两个方面来对从事物联网标准化研究的组织和目前发展的现状进行介绍。

2国际物联网标准化组织

目前介入物联网领域的主要国际标准组织有IEEE、ISO、ETSI、ITU-T、3GPP、3GPP2等。图2所示是国际上的一些

物联网标准化组织。

图2国际物联网标准化组织

在针对泛在网总体框架方面进行系统研究的国际标准组织中,比较有代表性的是国际电信联盟(ITU-T)及欧洲电信标准化协会(ETSI)M2M技术委员会。其中,ITU-T从泛在网角度研究总体架构,而ETSI则从M2M的角度研究总体架构。

ITU-T物联网标准进展

ITU-T是最早进行物联网研究的标准组织,ITU-T的研究内容主要集中在泛在网总体框架、标识及应用等三方面。ITU-T在泛在网研究方面已经从需求阶段逐渐进入到框架研究阶段,目前研究的框架模型还处在高层层面,而且,ITU-T提出的物联网架构曾经在各种场合被广泛引用。

ITU-T在标识研究方面和ISO通力合作,主推基于对象标识(OID)的解析体系;ITU-T在泛在网应用方面已经逐步展开了对健康和车载方面的研究。下面详细介绍ITU-T各个相关研究课题组的研究情况。

首先是SG13,SG13主要从NGN角度展开泛在网相关研究,标准主导是韩国。目前的标准化工作集中在基于NGN的泛在网络/泛在传感器网络需求及架构研究,支持标签应用的需求和架构研究,身份管理(IDM)相关研究,以及NGN对车载通信的支持等方面。

SG16组已经成立了专门的问题组来展开泛在网应用相关的研究,由日、韩共同主导,内容集中在业务和应用、标识解析等方面。SG16组研究的具体内容有Q.25/16泛在感测网络(USN)应用和业务、Q.27/16通信/智能交通系统(ITS)业务/应用的车载网关平台、Q.28/16电子健康(E-Health)应用的多媒体架构、Q.21和Q.22标识研究,现在已经给出了针对标识应用的需求和高层架构。

SG17组成立有专门的问题组来展开泛在网安全、身份管理、解析的研究。SG17组研究的具体内容有Q.6/17泛在通信业务安全,Q.10/17身份管理架构和机制,Q.12/17抽象语法标记(ASN.1)、OID及相关注册等。

SG11组成立有专门的问题组“NID和USN测试规范”,主要研究节点标识(NID)、泛在感测网络(USN)的测试架构、H.IRP测试规范以及X.oid-res测试规范。

此外,ITU-T还在智能家居、车辆管理等应用方面开展了一些标准化研究工作。

ETSI物联网标准进展

ETSI主要采用M2M的概念进行总体架构方面的研究,相关工作的进展非常迅速,是在物联网总体架构方面研究得比较深入和系统的标准组织,也是目前在总体架构方面最有影响力的标准组织。

ETSI专门成立了一个专项小组(M2MTC),从M2M的角度进行相关标准化研究。ETSI成立M2MTC小组的主要考虑是:目前虽然已经有一些M2M的标准存在,涉及各种无线接口、格状网络、路由和标识机制等方面,但这些标准主要是针对某种特定应用场景,彼此相互独立,如何将这些相对分散的技术和标准放到一起并找出不足,这方面所做的工作很少。在这样的研究背景下,ETSIM2MTC小组的主要研究目标是从端到端的全景角度研究机器对机器的通信,并与ETSI内NGN的研究及3GPP已有的研究展开协同工作。

M2MTC小组的职责是从利益相关方收集和制订M2M业务及运营需求,建立一个端到端的M2M高层体系架构(如果需要,也会制订详细的体系结构),找出现有标准不能满足需求的地方并制订相应的具体标准,以将现有的组件或子系统映射到M2M体系结构中。在M2M解决方案间的互操作性(制订测试标准)和硬件接口标准化方面,考虑与其他标准化组织进行交流及合作。

3GPP/3GPP2物联网标准进展

3GPP和3GPP2也采用M2M的概念进行研究。作为移动网络技术的主要标准组织,3GPP和3GPP2关注的重点在于物联网网络能力的增强方面,是在网络层方面开展研究的主要标准组织。

3GPP针对M2M的研究主要从移动网络出发,研究M2M应用对网络的影响,包括网络优化技术等。3GPP的研究范围只讨论移动网的M2M通信;它们只定义M2M业务,而不具体定义特殊的M2M应用。Verizon、Vodafone等移动运营商在M2M的应用中发现了很多问题,例如大量M2M终端对网络的冲击,系统控制面容量的不足等。因此,在Verizon、Vodafone、三星、高通等公司的推动下,3GPP对M2M的研究在2009年开始加速,目前已经基本完成了需求分析,转入网络架构和技术框架的研究,但核心的无线接入网络(RAN)研究工作还未展开。

相比较而言,3GPP2相关研究的进展要慢一些,目前关于M2M方面的研究多处于研究报告阶段。

IEEE物联网标准进展

在物联网的感知层研究领域,IEEE的重要地位显然是毫无争议的。目前,无线传感网领域用得比较多的ZigBee技术就是基于IEEE802.15.4标准。

IEEE802系列标准是IEEE802LAN/MAN标准委员会制订的局域网、城域网技术标准。1998年,IEEE802.15工作组成立,其工作是专门从事无线个人局域网(WPAN)标准化工作。在IEEE802.15工作组内有5个任务组,分别制订适合不同应用的标准。这些标准在传输速率、功耗和支持的服务等方面存在差异。

TG1组制订IEEE802.15.1标准,即蓝牙无线通信标准。其标准适用于手机、PDA等设备的中等速率、短距离通信。

TG2组制订IEEE802.15.2标准,主要研究IEEE802.15.1标准与IEEE802.11标准的共存。

TG3组制订IEEE802.15.3标准,研究超宽带(UWB)标准。该标准适用于个域网中多媒体方面高速率、近距离通信的应用。

TG4组制订IEEE802.15.4标准,主要研究低速无线个人局域网(WPAN)。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标,旨在为个人或者家庭范围内的不同设备之间提供低速互联的统一标准。

TG5组制订IEEE802.15.5标准,主要研究无线个人局域网(WPAN)的无线网状网(MESH)组网。该标准旨在研究提供MESH组网的WPAN物理层与MAC层的必要机制。

传感器网络的特征与低速无线个人局域网(WPAN)有很多相似之处,因此,传感器网络大多采用IEEE802.15.4标准作为物理层和媒体存取控制层(MAC),其中最为著名的就是ZigBee。因此,IEEE的802.15工作组也是目前物联网领域在无线传感网层面的主要标准组织之一。中国也参与了IEEE802.15.4系列标准的制订工作,其中IEEE802.15.4c和IEEE802.15.4e主要由中国起草。IEEE802.15.4c扩展了适合中国使用的频段,IEEE802.15.4e则扩展了工业级控制部分。

3我国物联网标准化研究及其技术领域

2010年6月8日,在国家标准化管理委员会、工业和信

息化部等相关部委的共同领导和直接指导下,由全国工业过程测量和控制标准化技术委员会、全国智能建筑及居住区数字化标准化技术委员会、全国智能运输系统标准化技术委员会等19家现有标准化组织联合倡导并发起成立物联网标准联合工作组。联合工作组紧紧围绕物联网产业与应用发展需求,统筹规划,整合资源,坚持自主创新与开放兼容相结合的标准战略,加快推进我国物联网国家标准体系的建设和相关国标的制定,同时积极参与有关国际标准的制定,以掌握发展的主动权。中国物联网标准联合工作组的组成如图3所示。

3.1电子标签国家标准工作组

在各技术委员会以及行业协会的协同下,中国正在努力通过直接或间接的方式向世界推广中国制定的标准。2003年1月17日,NPC(全国产品与服务统一代码)标准被正式颁布,标准名称为《GB18937-2003全国产品与服务统一标识代码编制规则》,2003年4月16日实施,定位为强制性国家标准。2003年11月25日,

国标委下发高新[2003]30号文,正式批复成立电子标签国家标准工作组,其任务是负责起草、制定中国有关电子标签的国家标准,使其既具有中国的自主知识产权,同时又与目前国际的相关标准互通兼容,将中国的电子标签发展纳入标准化、规范化的轨道。

为促进我国电子标签技术和产业的发展,加快国家标准和行业标准的制/修订速度,充分发挥政府、企事业、研究机构、高校的作用,经原信息产业部科技司批准,2005年12月2日,电子标签标准工作组在北京正式宣布成立。该工作组的任务是联合社会各方面力量,开展电子标签标准体系的研究,并以企业为主体进行标准的预先研究和制/修订工作,其组织结构如图4所示。

图4电子标签标准工作组

该工作组由组长、联络员、成员、政策,起草知识产权法律文件,提供知识产权咨询服务;频率与通信组的工作范围是负责提出我国RFID频率需求,制定RFID通信协议标准及相应的检测方法;标签与读写器组的工作范围是负责制定标签与读写器的物理特性、试验方法等标准;数据格式组的工作范围是负责制定基础标准、术语、产品编码、网络架构等标准;信息安全组的工作范围是负责制定RFID相关的信息安全标准,包括读写器与标签之间的信息安全,读写器与后台系统的信息安全;应用组是在国家总体电子标签应用指南的框架下制定RFID的相关应用标准。

电子标签标准工作组成员单位参与制定的RFID标准主专题组和秘书处构成。其中,专题组包括7个小组,分别是总体组、知识产权组、频率与通信组、标签与读写器组、数据格式组、信息安全组和应用组。

总体组的工作范围是负责制定RFID标准体系框架并协调各个组的工作;知识产权组的工作范围是制定RFID标准知识产权要有《GB18937-2003全国产品与服务统一标识代码编制规则》、《TB/T3070-2002铁路机车车辆自动识别设备技术条件》以及在上海市使用的《送检动物电子标示通用技术规范》。

电子标签标准工作组目前已经公布的相关RFID标准主要有参照ISO/IEC15693标准的识别卡和无触点集成电路卡标准,即《GB/T22351.1—2008识别卡无触点的集成电路卡邻近式卡第1部分:物理特性》和《GB/T22351.3—2008识别卡无触点的集成电路卡邻近式卡第3部分:防冲突和传输协议》。

电子标签标准工作组的总体目标是努力建立一套基本完备的、能为我国RFID产业提供支撑的RFID标准体系;积极参与国际标准化工作,争取使具有自主知识产权的我国RFID标准成为国际标准;完成基础技术标准,包括电子标签、读写器、RFID中间件、数据内容、空间接口、一致性测试等方面的标准;完成主要行业的应用标准,包括物流、生产制造、交通、安全防伪等方面的标准,积极推动我国RFID技术的发展与应用。3.2传感器网络标准工作组

2009年9月11日,传感器网络标准工作组成立大会暨“感知中国”高峰论坛在北京举行。传感器网络标准工作组是由国家标准化管理委员会批准筹建,全国信息技术标准化技术委员会批准成立并领导,从事传感器网络(简称传感网)标准化工作的全国性技术组织。

传感器网络标准工作组的主要任务是根据国家标准化工作的方针政策,研究并提出有关传感网络标准化工作方针、政策和技术措施的建议;按照国家标准制/修订原则,积极采用国际标准和国外先进标准的方针,制订和完善传感网的标准体系表,提出制/修订传感网国家标准的长远规划和年度计划的建议;根据批准的计划,组织传感网国家标准的制/修订工作及其它与标准化有关的工作。传感器网络标准工作是由PG1(国际标准化)、PG2(标准体系与系统架构)、PG3(通信与信息交互)、PG4(协同信息处理)、PG5(标识)、PG6(安全)、PG7(接口)和PG8(电力行业应用调研)等8个专项组构成,开展具体的国家标准的制定工作,其组成结构如图5所示。

图5传感器网络标准化组织图

传感器网络标准工作组已经立项的国家标准和行业标准见表1所列。2009年12月,该工作组完成了6项国家标准和2项行业标准的立项工作。6项国家标准包括总则、术语、通信和信息交互、接口、安全、标识,2项电子行业标准是机场传感器网络防入侵系统技术要求和面向大型建筑节能监控的传感器网络系统技术要求。这6项国家标准和2项行业标准已在2010年底完成。

表1传感器网络标准化组织已经立项的国家和行业标准

编号
标准名称
标准性质完成年限
1
传感器网络第1部分:总则
推荐
2010
2
传感器网络第2部分:术语
推荐
2010
3
传感器网络第3部分:通信与信息交互
推荐
2010
4
传感器网络第4部分:接口
推荐
2010
5
传感器网络第5部分:安全
推荐
2010
6
传感器网络第6部分:标识
推荐
2010
7
机场围界传感器网络防入侵系统技术要求
推荐
2010
8
面向大型建筑节能监控的传感器网络系统技术要求
推荐
2010

除了 2009 年 12 月立项的 6 项国家标准,2010 年 1 月,工作组又申报了4项国家标准的立项,即传感器网络网关技术要求、传感器网络协同信息处理支撑服务与接口、传感器网络节点中间件数据交互规范和传感器网络数据描述规范,表2所列就是传感器网络标准化组织2010年已经立项的国际标准。其中,协同信息处理支撑服务及接口在国际标准化组织中推动了目前一个新的工作项目,2010年3月,这项标准已经通过了新工作项目的投票,即将启动国际标准化的制定工作。

表2传感器网络标准化组织已经立项的国际标准

编号
标准名称
标准性质完成年限
1
传感器网络网关技术要求
推荐
2010
2
传感器网络协同信息处理支撑服务及接口
推荐
2010
3
传感器网络节点中间件数据交互规范
推荐
2010
4
传感器网络数据描述规范
推荐
2010

3.3泛在网技术工作委员会

2010年2月2日,中国通信标准化协会(CCSA)泛在网技术工作委员会(TC10)成立大会暨第一次全会在北京召开。TC10的成立,标志着CCSA今后泛在网技术与标准化的研究将更加专业化、系统化、深入化,必将进一步促进电信运营商在泛在网领域进行积极探索和有益实践,不断优化设备制造商的技术研发方案,推动泛在网产业健康快速发展。

4结语

一个新兴产业的发展,最重要的是掌握标准。谁掌握了标准,谁就能站在这个产业的制高点,成为弓I领这个产业的主导。目前,我国物联网技术的研发水平已位于世界前列,在一些关键技术上处于国际领先地位,与德国、美国、日本等国一起,成为国际标准制定的主要国家,逐步成为全球物联网产业链中重要的一环。然而,在产业领域却仍存在较多问题,目前不仅缺乏传感网本身的标准,也缺乏传感网和其他网络互联互通的标准,这将成为阻碍传感网大规模应用推广的关键。

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