物联网系统设计第三章

物联网系统设计

第3章

物联网系统感知层设计

第3章物联网系统感知层设计3.1感知层的基本拓扑结构3.2感知层的信息读写与传输3.3感知层的频谱规划与使用3.4感知层的安全设计3.1感知层的基本拓扑结构3.1.1感知层涉及的主要技术3.1.2感知层拓扑结构的类型3.1.3感知层拓扑结构的形成3.1.1感知层涉及的主要技术感知层涉及的主要技术包括无线射频识别（RFID）近距离无线通信（NFC）ZigBee和无线传感器网络（WSN）3.1.2感知层拓扑结构的类型星状、簇状、网状网络拓扑3.1.3感知层拓扑结构的形成星状网络结构的形成当一个具有完整功能的设备（FFD）第一次被激活后，它就会建立一个自己的网络，将自身作为一个PAN主协调器。所有星状网络的操作独立于当前其他星状网络的操作，这就说明了在星状网络结构中只有一个唯一的PAN主协调器，通过选择一个PAN标识符确保网络的唯一性。目前，其他无线通信技术的星状网络没有用这种方式，因此，一旦选定了一个PAN标识符，PAN主协调器就会允许其他从设备加入到它的网络中，无论是具有完整功能的设备，还是简化功能的设备都可以加入到这个网络中。

网状网络的形成在网状拓扑结构中，每一个设备都可以与在无线通信范围内的其他任何设备进行通信。任何一个设备都可定义为PAN主协调器。簇状拓扑结构是网状网络拓扑结构的一种应用形式，在网状网络中的设备可以为完整功能设备，也可以为简化功能设备。而在树簇状中的大部分设备为FFD，精简功能设备（RFD）只能作为树枝末尾处的叶节点上，这主要是由于RFD一次只能连接一个FFD。任何一个FFD都可以作为主协调器，并且，为其他从设备或主设备提供同步服务。3.2感知层的信息读写与传输

3.2.1RFID分类与工作原理

3.2.2RFID标签的冲突概念以及避免算法3.2.1RFID分类与工作原理RFID技术分类

类型1包括更简单、更廉价的射频识别标签（RFIDtags）。这类标签属于被动标签，即只能被射频识别阅读器（RFIDreaders）读取，而不主动向其发送信息，因此可以称之为只读被动标签。只读被动标签仅能编码一次，因此，编好的信息不会再改变，但嵌入此类标签的物体无须提供电源

类型2嵌入标签中的已编码信息在必要时可以被阅读器修改，其他特征与类型1相同，因此可以称此类标签为读写被动标签

类型3包括一种特殊的射频识别标签，此类型能使用被嵌入的专用电池提供的能量来向标签写入数据，称之为半主动标签。而被动标签只能在处于阅读器工作范围内才能获得其工作所需能量供应，并且离阅读器越远，被动标签收到的能量越小

类型4此类属于主动标签，其特征是基于被嵌入电池提供的能量可以实现向另外的主动标签或阅读器发送数据。因此，一组主动标签可以组成无线传感器网络来相互通信。如何节省通信能量以延长此类标签的寿命是一种挑战

类型5包括称为阅读器的智能设备，用于检索类型1、2、3标签中的数据类型越高，功能越多，同时成本也越高。类型1、2、3需要阅读器提供能量，主要用于相同类型的应用领域。尽管类型4，即主动标签比较昂贵，但能同时适应不同的应用需求下面先具体介绍被动标签，然后给出对主动标签的详细阐述。

被动标签需要阅读器的电磁场产生动力以用于发送自身保存的数据，由芯片和天线组成。天线具有双重作用允许标签发送和接收数据当位于阅读器的电磁场内时，天线将产生电流为芯片提供动力，因而具备数据传输能力用于被动标签的频率主要有三种：低频、高频、超高频

被动标签的优点：可以起电子条码作用以避免对物品繁琐的逐一处理。没有视距的限制，即在非视距情况下也可以操作，越来越多的数据可以储存在标签中，对此类标签的读取速度快被动标签的缺点电磁场易受液态或金属物质的干扰，干扰的强弱与阅读器使用的频率有关系

被动标签面临的挑战包括硬件和软件。在硬件上，研究者们注重探讨如何减小标签尺寸，以及如何提高单位成本或单位芯片尺寸下的数据存储量的方法在软件上，需要处理的问题有当两个及以上位于相同阅读器感知范围标签同时应答阅读器时，应如何避免冲突？当两个及以上阅读器的感知区域重叠时，重叠区域的标签如何应答阅读器？关于前者，已有文献给出一个较好的解决方法，而后者尚需进一步探讨安全和隐私。即使数据能被密码或口令保护，但现实中并非总是这种情况。因此，若每个物品配置RFID标签，则有可能被随时随地读取，但物主将遭遇隐私泄露问题中间件的设计问题。尽管EPCglobal完成了UHF标签的标准化，但尚未定义关于中间件的设计标准

主动RFID标签是自治的（Autonomous），这类标签嵌入了电池，能够用来发送数据或接收来自其他主动标签的数据主动RFID标签的工作原理：随机抛洒在一个区域，个体间自组成网，相互通信，可以使用的通信频率范围为900MHz～2.4GHz3.2.2RFID标签的冲突概念以及避免算法基于ALOHA的方法典型的协议有ALOHA、SlottedALOHA，FrameSlottedALOHA等此类协议不能完全防止冲突，存在某标签长期不被识别的情况，导致标签“标签饿死”的问题基于树的方法二叉树协议（BinaryTreeProtocol）和查询树协议（QueryTreeProtocol）这类协议不断地将一组标签划分成两组，直至每组仅包含一个标签为止。尽管存在相对较长的识别延时，但不会产生标签“标签饿死”的问题

一个好的RFID被动标签冲突仲裁协议应具有如下一些特征。阅读器应该能够识别其阅读区域内所有标签。“标签饿死”问题导致物体追踪与监控无法进行。阅读器必须能快速识别标签。因为带有标签的物体可能是移动的，标签识别必须能跟上物体的移动速度。标签应能被识别而消耗的资源要小。因为被动标签要从阅读器无线电波中获得能量补充，故其可用能量有限。基于ALOHA的方法基于ALOHA方法的工作过程示例

ALOHA协议的基本工作原理，见图(a)无论何时网络中有节点需要发送数据，就可以随时发送，发送后通过侦听广播信息可以知道是发送成功还是发生冲突，若发生冲突则发送者随机等待一个时间片断后重发数据。这个协议使得阅读器的设计变得最简单，阅读器只是侦听而已。标签使用随机的等待期周期性地发送数据。此协议能很快适应不同数量的标签，理论证明协议的最大效率是18.4%（假设数据发送时刻服从泊松分布）

分时隙ALOHA协议是对ALOHA协议改进（图(b)）在此协议中，时间被划分成离散的时间间隔，而数据仅能在时间间隔的起始处发送，一旦错过一个时间间隙，则要等到下一个时间间隙的到来才能发送，这样能够减小冲突概率即此协议的最大效率被证明能够达到36.8%（假设数据发送时刻服从泊松分布）

基于时间帧的分时隙ALOHA协议在一个时间帧内进一步划分时间间隔，即每帧N个时隙（Slots）（图(c)）在一个时间帧内，标签至多在一个随机选择的时隙上发送一次数据。因此，每个标签的发送信息在一个给定时间帧内至多出现一次冲突。最初，时间帧大小是一致的，具有相同数量的时隙，后来被改进以增加灵活性，即阅读器可以自适应地扩展或压缩被用于下一轮的每帧时隙数。

基于时间帧的分时隙ALOHA协议是为减轻多RFID标签同时出现在一个阅读器感知区而引发的冲突问题的。这类方法大多假定阅读器首先发送它的帧大小给标签，然后标签随机选择一个时隙，并在此时隙上响应阅读器。从阅读器这边看，在任何给定时隙上，它没有接收到信号，接收来自一个标签的信号，或接收到来自多于一个标签的信号。第一种情况下的时隙被浪费了，因为没有被用来传输信息第二种情况下的时隙被成功利用，因为来自标签的信息被阅读器成功接收在第三种情况下，冲突发生了，涉及冲突事件的标签数目通常是不知道的。估计阅读器感知区存在的初始标签数是困难的，帧的长度取决于标签数量，多数研究采用均衡分布确定响应时隙。帧时隙ALOHA（FSA）一幅帧被划分为多个具有同样长度的时隙，每个标签在帧中随机选择一个时隙并发送数据，若接收到标签发送的数据且无冲突发生，阅读器将会成功识别此标签。在此算法中，阅读器使用固定的帧大小，即在标签识别过程中，阅读器不改变帧大小。只要具有支持发送的能量，标签就会在遭遇冲突后随机选择一个时隙重发数据。数据将以循环顺序被发送直至标签被识别。FSA的工作过程示例动态帧时隙ALOHA（DFSA）若标签数量大，小的初始化帧大小会导致大量冲突并产生更多读周期若标签数量小，大的初始化帧大小将导致更多空闲时隙和增加信道带宽的浪费因此，阅读器应该具备根据系统中未识别标签的当前数量动态调节帧大小的能力DFSA算法比FSA算法更适合改善RFID系统性能原因在于DFSA能够根据通信负荷动态地调整帧大小以提高系统性能DFSA的工作过程示例DFSA的工作过程示例首先，阅读器发送带有参数5的请求命令以指出帧大小。在第1个读周期中，标签1、3和4同时在时隙1中发射。由于这些发射发生在同一个时隙中，因此导致了冲突。标签2和5分别在时隙2和5中发送其UID，因此能够被阅读器成功识别。由于在第1个阅读周期中识别了两个标签，因此，还剩下3个标签需要被继续识别。在第2个周期中，阅读器采用了大小为3的帧。此过程继续直至所有标签被识别或在读周期中不再出现冲突二叉树协议（BT）BT使用由冲突标签产生的随机二进制数码进行分组操作。在帧的起始处，标签初始化计数器为0，标签在其计数器的值为0时发送自身ID，因此在帧的起始处，阅读器阅读范围内的所有标签将形成一个组，并同时发送。当阅读器发送反馈信息通知所有标签出现了标签冲突事件时，根据阅读器反馈的标签冲突信息，所有标签改变自身的计数器值。

改变的方式是随机选择一位二进制数，并将其加到原来的计数器值上。这样，原来的一个标签数较多的组就被分成两个标签数更少的组。当出现标签冲突事件时，未参与此次冲突的标签将其计数器值增1；当阅读器的反馈信息指示没有冲突时，所有标签将其计数器值减1；在标签发送自身ID后，从紧接着的指示无冲突的反馈中可得知发送成功了。

在当前帧中，已被阅读器识别的标签不再发送任何信号。为了终止一帧，阅读器也需要维持一个计数器。在每帧开始，计数器初始化为0，然后用于记录尚未被识别的标签集的数目。若标签冲突发生，阅读器将其计数器值增1，因为阅读器应该识别的标签集将会增加一个；若标签冲突未发生，阅读器将其计数器值减1。当计数器小于0，阅读器结束此帧。查询树协议（QT）查询树协议使用标签ID来分割标签集。阅读器发送包含一个比特串的查询，若ID的起始若干比特等于查询比特串的标签，则通过发送其ID进行响应。例如，针对查询串{q1q2…qx}（qx

{0,1}），若标签响应冲突了，在紧接着的询问周期（InterrogationCycle）中，阅读将使用两个各长为1比特的查询串{q1q2…qx}0和查询串{q1q2…qx}1。与匹配{q1q2…qx}的标签集被分成了两个，一个是匹配{q1q2…qx}0的标签集，另一个是匹配{q1q2…qx}1的标签集。阅读器为查询比特串维持一个队列Q。在每帧的开始，一帧被初始化为两个长度为1的比特串，分别为0和1。阅读器每次从队列Q中弹出一个比特串并发送一次查询。若标签响应冲突了，阅读器将两个长1比特的查询串压入到队列Q中。通过不断扩展这个查询直到已获得响应或者响应发生为止。至此，所有标签都被识别了。

QT也称为无记忆协议，因为它除了ID外无须额外存储一些信息来作为识别时使用识别延时将受到标签ID分布的影响，当标签的ID很相似时，延时会增加自适应标签防冲突协议自适应标签防冲突协议能够消除停留标签之间的冲突空闲周期：没有标签尝试发射可读周期：仅一个标签尝试发射冲突周期：多个标签尝试发射下图表示冲突周期的节点仅有两个子节点，因为标签集合仅在冲突周期被分成两个子集，因此树上的所有中间节点对应于冲突周期，而所有叶子节点要么对应可读周期要么对应空闲周期

标签识别与树搜索一致，都是从树根开始寻找可读周期节点的跳过冲突周期可减少标签识别延时BT和QT的树搜索就从树根或树的第1层节点出发，并检查所有的中间节点总之，不合理的出发点会增加识别延时

自适应标签防冲突协议具有快速标签识别特征，它可分为两种自适应查询分割（AdaptiveQuerySplitting，AQS）协议，是基于采用确定性方法的查询树协议的改进方法自适应二元分割（AdaptiveBinarySplitting，ABS）协议，是建立在采用概率方法的二叉树协议之上的方法自适应查询分割（AQS）协议算法：AQS标签操作/*响应阅读器的询问查询串q为q1q2…qx（qi为一个二进制值，x为查询串长度）标签ID为t1t2…tb（ti为一个二进制值，b为ID串长度）isResponsible

是一个标记，它决定标签是否发射它的ID*/1从阅读器接收开始一帧的命令2从阅读器接收消息m3whilem!=帧结束命令do4q=m5isResponsible=16for

（i=1;i<x;i++）do7if

qi

!=

ti

then8isResponsible=09break10endif11endfor12if

isResponsible==1then13发送自身ID14endif15从阅读器接收消息m16endwhile

算法：AQS阅读器操作/*发送询问和接收标签的响应1/*初始化队列Q和CQ*/2Q=CQ3CQ=NULL4ifQ==NULLthen5Push（Q，0）/*将0推入队列Q*/6Push（Q，1）/*将1推入队列Q*/7endif8/*识别标签并形成CQ*/9发送启动一个帧的命令

10while

Q!=NULLdo11q=Pop（Q）/*从队列Q中弹出一个串并赋值给q*/12发送包含q的查询13接收标签响应并检测冲突14if

标签冲突then15/*将查询串增长1比特压入队列Q*/16Push（Q，q0）/*将q0推入队列Q*/17Push（Q，q1）/*将q1推入队列Q*/18elseif

只有一个标签响应then19存储标签ID20Push（CQ，q）/*将q推入队列CQ*/21elseif

没有标签响应then22Push（CQ，q）/*将q推入队列CQ*/23endif24endwhile25QueryDeletion（CQ）/*删除不需要的查询串*/26发送帧结束命令自适应二元分割（ABS）协议ABS的标签操作算法：/*通过控制PSC和ASC发射ID，f是阅读器的反馈，用于指示可读、空闲、冲突*/1接收带有阅读器TSC的帧启动命令2/*初始化PSC和ASC*/3PSC=04ifASC==NULLorASC>TSCthen5ASC被赋值为0与TSC之间的随机数6endif7/*为发射而处理PSC和ASC*/

8whilePSC≤ASCdo9ifPSC==ASCthen10发射ID11从阅读器接收反馈f12if

反馈f

指示为冲突then13随机选择一个二进制值i14ASC=ASC+i15else16PSC=PSC+117endif18elseifPSC<ASCthen19从阅读器接收反馈f20if

反馈f

指示为冲突then21ASC=ASC+122elseif反馈f

指示为可读then23PSC=PSC+124elseif反馈f指示为空闲then25ASC=ASC-126endif27endif28endwhile

ABS的阅读器操作算法：/*根据接收到的标签响应数，发射反馈信息f是一个标记，用于指示可读、空闲、冲突*/1PSC=02ifTSC==NULLthen3TSC=04endif5发射带有阅读器TSC的帧启动命令

6whilePSC≤TSCdo7接收标签响应并检测冲突8if标签冲突then9TSC＝TSC＋110将f赋值为冲突11elseif仅有一个标签响应then12保存标签ID13PSC=PSC+114将f赋值为可读15elseif没有标签响应then16TSC＝TSC-117将f赋值为空闲18endif19发射反馈f20endwhile21发射帧终止命令ABS中的标签识别示例图（a）表示在冲突周期中的操作，图3（b）表示在空闲中的操作3.3感知层的频谱规划与使用3.3.1感知层对频谱的需求3.3.2频谱的科学规范3.3.3频谱感知的基本方法3.3.4可用带宽感知技术3.3.5使用认知频谱的MAC协议3.3.1感知层对频谱的需求物联网的快速发展离不开多样化的无线技术支持，无线技术的广泛应用将会对频谱资源管理利用提出新的挑战物联网未来将应用于无法准确估量的行业和场景，必然产生海量终端，形成远远大于人与人通信互连的移动通信与无线接入的数据量

未来频谱资源的短缺将成为物联网发展难以克服的瓶颈。物联网的业务规模远远大于移动通信虽然目前物联网应用一般是小流量的M2M，但也有大量占用高带宽的应用，比如公共交通等以视频图像为主的监控业务物联网的识别层将信息传感设备，如RFID装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等与网络连接在一起，方便识别和管理，而这种连接将采用低功率技术，其中最被推崇的是Wi-Fi技术。如果将Wi-Fi用于物联网，Wi-Fi的频谱需求将大大超过目前已分配的频谱总量物联网的流量模型至今并没有权威研究结果，它肯定既不同于互联网流量模型，也不会等同于移动通信的流量模型移动蜂窝网络着重考虑用户数量