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物联网下无线传感器网络分布式通信的研究【国研网】

(2017-09-13 14:27:46)
物联网下无线传感器网络分布式通信的研究 
 
北京工业大学信息学部软件学院 王进  
发布时间:2017-09-13 
 
摘要:物联网四大关键技术的应用非常广泛的,这四个技术主要是RFID,WSN,M2M,还有两化融合。RFID可以使用matlab,NS2,Anroid实现,WSN可以使用NS2,OMNET++实现,M2M可以使用JAVA开发。物联网和互联网是父与子的关系,无线网络和无线wsn网络一样,只不过无线节点固定和移动的变为了传感器而已。物联网包括互联网技术,也包括有线和无线网络。

关键词:物联网,RFID,WSN,M2M

一、物联网定义与意义

物联网的现状和研究进展分析:从美国物联网发展历程图中可得,美国在世界领先的研发实力的支撑下,采用了从基础研究、应用研究到市场开发的“长线”信息技术发展模式,不仅抢得了信息技术发展的先机,而且,还不断地实现了新的技术飞跃,引领着信息技术革命的潮流和发展方向,掌控着信息技术国际标准制定权。这对于我国物联网的发展可以借鉴两点:第一,在加大物联网应用的同时,丝毫不能放松物联网基础研究,第二,抓住新一轮新兴科技的先发优势,参与国际标准的制定。欧洲的信息科技建设和经济发展一直不甘落后于美国,虽然近期欧洲地区正面临整体经济衰退、人口严重老龄化、气候变暖问题等诸多问题,但欧盟一直致力于推动欧洲共同体的统一发展。

二、物联网技术

最近,越来越多的文献谈论物联网的事情,所以我们列出了一些如下。

文献[1]提出了物联网的定义是,通过无线射频识别(射频识别)、红外传感器、全球定位系统、激光扫描仪等信息传感设备,根据合同协议,将任何商品与互联网连接,进行信息的交流和沟通,目的是实现智能识别、定位、跟踪和监控和管理。

文献[2]提出的互联网的定义,是一种基于网络的协议标准和交互交流的动态的全球网络基础设施能力的自我配置,在事物的物理和虚拟的范围之内物体的特性有如身份特点、互联网的物理特性,拟人化的特性,他们可以通过综合信息网络连接。

文献[3]提出物联网的定义是,通过信息传感设备,按照约定的协议,把任何物品与互联网进行信息交换和通信,这个网络的目的是实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。

文献[4]提出的物联网的特点是可以针对每个对象,每个对象网络都可以被控制,每一个空间网络都可以沟通。

文献[5]提出了物联网是刚刚过去的大量的网络和互联网连接更进一步深入,是他们具体应用的区域划,是很多增值服务的新一代在广阔的网络平台的集合。在技术方面,它是传感器,传感器网络和RFID等感知技术、通信网络技术、智能计算技术等的集成,实现全面感知、可靠传输,聪明的理察,是一个网络连接的物理世界,智能化、高清,将成为物联网关键词。

文献[6]提出近年来物联网技术受到人们广泛的关注,我国“十二五”规划中已明确将物联网作为战略性新兴产业来培育发展。作为物联网核心技术之一的RFID技术,将决定着物联网的发展程度。

文献[7]深入分析MES重构需求和监控需求,提出以模块粒度维和信息粒度维为主线的可重构制造执行系统体系结构(Reconfigurable Manufacturing Execution System Architecture,RMESA),系统研究了MES实现快速重构和实时监控的理论和方法。

文献[8]主要从路径检查、所有权转让、标签群组证明以及中继攻击四个方面对基于RFID技术的供应链系统的安全和隐私问题进行了初步的探索,从而提出了两个新的供应链路径检查协议PSAM和PCOMS,并且提出了一个基于可信第三方的所有权转移方案FIT,以及提出了两个新的标签群组证明协议GPO和GPI。

文献[9]中无线Ad Hoc网络以其无中心、自组织、多跳路由的特点在众多无线网络中独树一帜,并且在军事和民用等领域得到了广泛的应用。然而,事物总是具有两面性。无线Ad Hoc网络研究中,面临着网络拓扑动态变化、节点能量有限、信道带宽有限等诸多挑战。

文献[10]提出无线传感器网络本质上是一类资源受限的网络。通常情况下,无线传感器网络节点采用电池供电,有限的能量限制了网络生存期。作为一个嵌入式系统,节点的计算能力和存储能力都较小;节点间通信带宽也比较低。

文献[11]中无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)的能量严重受限。对WSN进行剩余能量实时监测(Residual Energy Real-time Monitoring,RERM),是了解WSN生命周期情况的根本途径。RERM对设计和检验节能算法/协议具有重要意义。针对现有RERM研究中常见的脱离实际问题,对面向应用的RERM进行了系统、深入的研究。

文献[12]中在移动多媒体应用驱动下,以高速无线个域网为背景,从媒体访问控制(MAC)层协议优化、通信协议的高层次设计以及系统级的低功耗设计方法等方面,对无线个域网多媒体片上系统(SoC)进行了深入研究。

文献[13]提出在无线通信,特别是卫星通信和下一代移动通信系统(3G)中,数据传输占有越来越重要的地位。反观无线信道,由于大气环境、地形和移动的多重影响,信道的状态极其不稳定,这给数据传输的可靠性带来了极大挑战。自动请求重传(ARQ)技术,特别是混合ARQ(HARQ),在提高传输的可靠性方面发挥了巨大的作用。

文献[14]提出网络编码通过将多个数据包组合在一起,并利用数据包之间的相关性来解码,网络编码巧妙解决了有向网络中组播最大流等经典的理论难题,大大提高了网络容量和资源的利用效率,并在优化网络管理和提高网络的安全性等诸多方面都具有重要价值。无线信道的广播特性使得网络编码在无线网络中有很大的应用潜力。

文献[15]研究无线网络中的公平性调度问题,针对三种典型的网络结构,分别研究在无线衰落信道下,如何在保证公平性的前提下高效率的利用有限的系统资源。面向不同设计目标,设计了不同的公平性调度策略。

文献[16]提出无线网络编码是网络编码技术研究的一个重要方向,而具有本地化特性的机会网络编码则是无线网络编码技术领域中一个简单实用的分支。针对无线机会网络编码吞吐性能优化的基础性问题,从理论框架、调度算法和应用改良三个层次系统性地展开了理论和应用研究,从而提出了一套理论框架,提出了一个有常数界保障的近似算法,提出了一套实用的译码缓存机制。

文献[17]提出在无反馈信道的条件下,基于数据分割和不等错误保护,提出一种在无线网络中可靠传输H.264/AVC码流的联合信源信道方法。根据C型数据对错误传播影响的程度将其分为若干子型,对A、B和C型数据提供不等重错误保护,并采用基于迭代改进的双向局部搜索算法。随着丢包率增加,可提供更平稳的重建视频质量。

文献[18]围绕着RFID读写器中一个重要部件-功率放大器(PA)的关键技术及应用展开讨论。首先对CMOS功放技术进行了总结,着重分析了CMOS PA应用于RFID中的关键技术。在此基础上,以一个单片CMOS功放的实现为起点,围绕两个常用的RFID通信协议,就相应的读写器中发射机前端关键电路的实现展开了研究。另一方面,将RFID技术进一步推广到零待机功耗无线开关的设计中,最后还研究了便携式读写器中的功率控制技术。

文献[19]提出无线传感器网络是物联网的基础和主要组成部分。

文献[10]对无线传感器网络分布式调度方法进行研究。本文对无线传感器网络分布式调度方法进行了深入的研究,并针对无线传感器网络能量受限的特点,提出了四个分布式调度方法。首先,提出了一类实用的、协作分布式的调度方法。其次,提出了一种WSN分布式自学习调度方法。最后,提出了一种WSN分布式进化自学习调度方法。

物联网前沿技术主要包括RFID(射频识别技术),WSN(无线传感器网络),ITS(智能交通系统),GPS(全球定位系统),Lorawan技术(低功耗广域网规范),云计算技术,物联网感知层IPV6技术,嵌入式技术。

中国物联网100个前沿技术报告汇编指出的内容主要包括如下方面:智能机器人在物流方面的应用情况和前景,物联网技术框架,物联网体系结构,智能农业,智能健康医疗监护,物联网助力煤矿行业,数字化油田,智能楼宇,智能网络夜视,物联网技术框架与标准体系,智能机器人在物流行业的应用,物联网安全性能分析,MEMS(微机电系统)传感器,TCP/IP的智能家居系统,RFID标准,智能安防,智能RFID在工业控制住的应用,智能建筑中的消防自动报警系统,基于GPS技术的冷链物流解决方案,浅析ABB智能照明系统在智能建筑中的应用,LTE(长期技术演进,4G LTE)承载解决方案及分析,5G关键技术,ZigBee组网技术在电力SCADA中的应用,虚拟化技术能否开启云计算之门,物联网技术发展与低碳经济,三网融合,物联网技术之GPS导航仪分类及说明,试论物联网发展对C网演进路线与策略的影响,无线传感器网络的建模分析,无线传感器网络技术及其仿真平台分析,红外传感技术面面观,数字化、网络化、智能化—DVR发展趋势,物联网时代车载信息系统技术发展方向,南京新建地铁售检票系统后台维护用上物联网技术,光纤宽带推广中的困局与解困之道分析,航空领域RFID技术应用与分析,无所不在的无线网络无所不能的智慧城市,电容式触摸传感器的技术与应用,手机视频监控技术应用,机动车超速检测系统,采用LabVIEW和NI无线传感器网络监测名胜古迹。由此,我们知道物联网的关键技术有RFID技术,传感器技术,无线传感器网络技术,LoraWAN技术等等,主要应用在医疗方面,交通方面,家居方面,环能方面,机器人方面等等。

三、物联网的实际应用

物联网主要包括组播网,ZIGBEE网络,WSN网络,LORAWAN网络,蓝牙网络,红外网络等等。群体软件工程是实现云计算,物联网,大数据的途径。云计算源于大数据,物联网可以通过云计算来实现。群体软件工程是实现大数据的重要途径,尤其数据分析,数据仿真和数据挖掘技术。大数据促进了科研第四范式的出现和发展。在科学发现领域,第一范式,是指以实验为基础的科学研究模式。第二范式,即理论研究为基础的科学研究模式。第三范式,即利用电子计算机对科学实验进行模拟仿真的模式。第四范式,主要针对非结构化数据。

数据密集型科学发现(Data-Intensive Scientific Discovery),也就是现在所称的“大数据”。物联网标准化工作非常重要,物联网标准化是规范物联网应用的重要手段和必要条件。

群体软件工程的群体特性可以促进物联网标准化问题的解决。2005年,国际电信联盟(ITU)在《The Internet of Things》报告中对物联网概念进行扩展,提出任何时刻、任何地点、任何物体之间的互联,无所不在的网络和无所不在计算的发展愿景,除RFID技术外、传感器技术、纳米技术、智能终端等技术将得到更加广泛的应用。物联网实际上是指面向一个特定领域或者行业的、拥有超量数据的一个复杂信息系统,比如智能交通、智能电网、现代物流、医疗健康、信息栅格都是物联网的典型应用。

物联网的这些典型应用决定了必须使用群体软件工程的方法去实现物联网。首先,可行性研究和需求分析。其次,概要设计。然后,详细设计。最后,编码和测试维护。由精英进行上层规划,再众包给大众完成。群体软件工程普遍应用于智慧城市,智慧医疗,现代国防,智能交通,智慧森林,智慧农业,智能家居,航天等等之中,由上层精英规划和执行较难部分,其他部分由大众一起完成,设计者就是使用者,运用大众的力量,将软件工程普及推广[20]。

致谢:

感谢北京工业大学和软件学院博士奖助学金的资助和培育。首先,感谢导师侯义斌学习科研生活各个方面的帮助和指导关心!无论是课程选择和课程授课,还是开题报告撰写,侯老师都倾注了大量的心血,也给予了很耐心的指导和帮助,并提供良好的学习和科研环境,使我在愉悦的学习科研中授人以渔的学会了科研的方法。同时,感谢提供和搭建的自我实现价值的平台。侯老师智慧敏锐,洞察力超前超高,他渊博的专业知识,丰富的科研经验,严谨的治学态度,精益求精和不辞辛苦的工作作风,诲人不倦的高尚师德,严于律己,宽以待人的崇高风范,朴实无华,平易近人的人格魅力深深感染我并使我由衷的敬佩!不仅在专业方面教导我如何去做科学研究,还让我知道了许多待人接物和做人做事的道理。在此,向侯老师及其家人表示感谢。同时,感谢所有鼓励我的小学到博士的老师们和同学们和朋友们,感谢工大和软件学院和8楼和我所在的实验室的老师们和同学们,感谢软件学院专家教授对我的各种宝贵建议,感谢我所在的校院级研会和班级宿舍以及党总支等组织。然后,感谢实习单位北京海军总医院等等。其次,感谢家人王印付,王桂芬等等,感谢石家庄铁道大学,燕京理工学院,迁安一中等等。最后,感谢文后所有参考文献的作者。

参考文献:

[1]ITU Internet Reports 2005: The Internet of things [EB/OL]. (2005-10-05) [2009-10-27]. http://www.itu.int/dms_pub/itu-s/opb/pol/S-POL-IR.IT-2005-SUM-PDF-E.Pdf, 2009-12-27.

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[12]俞伟.无线个域网多媒体SoC高层次设计与优化[D].清华大学,2006.

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[14]张婧垚.无线网络编码的关键问题与技术研究[D].清华大学,2010.

[15]周辉.无线网络的公平性资源调度研究[D].清华大学,2011.

[16]周进怡.无线网络中的机会网络编码技术研究[D].清华大学,2013.

[17]李平.无线网络中的视频抗差错与码率控制技术研究[D].北京:清华大学,2007.

[18]高同强.用于射频识别读写器的CMOS功率放大器关键技术研究[D].北京:清华大学,2008.

[19]张文铸.无线传感网络拓扑控制关键问题[D].清华大学,2010.

[20]何克清,李兵,马于涛,黄贻望.大数据时代的软件工程关键技术[J].中国计算机学会通讯,2014.

作者简介:王进(1989-),女,博士研究生,研究方向为物联网,软件工程。
 
《中国新通信》2017年第11期  

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