物聯網系統設計

第3章

物聯網系統感知層設計

第3章物聯網系統感知層設計3.1感知層的基本拓撲結構3.2感知層的信息讀寫與傳輸3.3感知層的頻譜規劃與使用3.4感知層的安全設計3.1感知層的基本拓撲結構3.1.1感知層涉及的主要技術3.1.2感知層拓撲結構的類型3.1.3感知層拓撲結構的形成3.1.1感知層涉及的主要技術感知層涉及的主要技術包括無線射頻識別（RFID）近距離無線通信（NFC）ZigBee和無線傳感器網絡（WSN）3.1.2感知層拓撲結構的類型星狀、簇狀、網狀網絡拓撲3.1.3感知層拓撲結構的形成星狀網絡結構的形成當一個具有完整功能的設備（FFD）第一次被激活后，它就會建立一個自己的網絡，將自身作為一個PAN主協調器。所有星狀網絡的操作獨立于當前其他星狀網絡的操作，這就說明了在星狀網絡結構中只有一個唯一的PAN主協調器，通過選擇一個PAN標識符確保網絡的唯一性。目前，其他無線通信技術的星狀網絡沒有用這種方式，因此，一旦選定了一個PAN標識符，PAN主協調器就會允許其他從設備加入到它的網絡中，無論是具有完整功能的設備，還是簡化功能的設備都可以加入到這個網絡中。

網狀網絡的形成在網狀拓撲結構中，每一個設備都可以與在無線通信范圍內的其他任何設備進行通信。任何一個設備都可定義為PAN主協調器。簇狀拓撲結構是網狀網絡拓撲結構的一種應用形式，在網狀網絡中的設備可以為完整功能設備，也可以為簡化功能設備。而在樹簇狀中的大部分設備為FFD，精簡功能設備（RFD）只能作為樹枝末尾處的葉節點上，這主要是由于RFD一次只能連接一個FFD。任何一個FFD都可以作為主協調器，并且，為其他從設備或主設備提供同步服務。3.2感知層的信息讀寫與傳輸

3.2.1RFID分類與工作原理

3.2.2RFID標簽的沖突概念以及避免算法3.2.1RFID分類與工作原理RFID技術分類

類型1包括更簡單、更廉價的射頻識別標簽（RFIDtags）。這類標簽屬于被動標簽，即只能被射頻識別閱讀器（RFIDreaders）讀取，而不主動向其發送信息，因此可以稱之為只讀被動標簽。只讀被動標簽僅能編碼一次，因此，編好的信息不會再改變，但嵌入此類標簽的物體無須提供電源

類型2嵌入標簽中的已編碼信息在必要時可以被閱讀器修改，其他特征與類型1相同，因此可以稱此類標簽為讀寫被動標簽

類型3包括一種特殊的射頻識別標簽，此類型能使用被嵌入的專用電池提供的能量來向標簽寫入數據，稱之為半主動標簽。而被動標簽只能在處于閱讀器工作范圍內才能獲得其工作所需能量供應，并且離閱讀器越遠，被動標簽收到的能量越小

類型4此類屬于主動標簽，其特征是基于被嵌入電池提供的能量可以實現向另外的主動標簽或閱讀器發送數據。因此，一組主動標簽可以組成無線傳感器網絡來相互通信。如何節省通信能量以延長此類標簽的壽命是一種挑戰

類型5包括稱為閱讀器的智能設備，用于檢索類型1、2、3標簽中的數據類型越高，功能越多，同時成本也越高。類型1、2、3需要閱讀器提供能量，主要用于相同類型的應用領域。盡管類型4，即主動標簽比較昂貴，但能同時適應不同的應用需求下面先具體介紹被動標簽，然后給出對主動標簽的詳細闡述。

被動標簽需要閱讀器的電磁場產生動力以用于發送自身保存的數據，由芯片和天線組成。天線具有雙重作用允許標簽發送和接收數據當位于閱讀器的電磁場內時，天線將產生電流為芯片提供動力，因而具備數據傳輸能力用于被動標簽的頻率主要有三種：低頻、高頻、超高頻

被動標簽的優點：可以起電子條碼作用以避免對物品繁瑣的逐一處理。沒有視距的限制，即在非視距情況下也可以操作，越來越多的數據可以儲存在標簽中，對此類標簽的讀取速度快被動標簽的缺點電磁場易受液態或金屬物質的干擾，干擾的強弱與閱讀器使用的頻率有關系

被動標簽面臨的挑戰包括硬件和軟件。在硬件上，研究者們注重探討如何減小標簽尺寸，以及如何提高單位成本或單位芯片尺寸下的數據存儲量的方法在軟件上，需要處理的問題有當兩個及以上位于相同閱讀器感知范圍標簽同時應答閱讀器時，應如何避免沖突？當兩個及以上閱讀器的感知區域重疊時，重疊區域的標簽如何應答閱讀器？關于前者，已有文獻給出一個較好的解決方法，而后者尚需進一步探討安全和隱私。即使數據能被密碼或口令保護，但現實中并非總是這種情況。因此，若每個物品配置RFID標簽，則有可能被隨時隨地讀取，但物主將遭遇隱私泄露問題中間件的設計問題。盡管EPCglobal完成了UHF標簽的標準化，但尚未定義關于中間件的設計標準

主動RFID標簽是自治的（Autonomous），這類標簽嵌入了電池，能夠用來發送數據或接收來自其他主動標簽的數據主動RFID標簽的工作原理：隨機拋灑在一個區域，個體間自組成網，相互通信，可以使用的通信頻率范圍為900MHz～2.4GHz3.2.2RFID標簽的沖突概念以及避免算法基于ALOHA的方法典型的協議有ALOHA、SlottedALOHA，FrameSlottedALOHA等此類協議不能完全防止沖突，存在某標簽長期不被識別的情況，導致標簽“標簽餓死”的問題基于樹的方法二叉樹協議（BinaryTreeProtocol）和查詢樹協議（QueryTreeProtocol）這類協議不斷地將一組標簽劃分成兩組，直至每組僅包含一個標簽為止。盡管存在相對較長的識別延時，但不會產生標簽“標簽餓死”的問題

一個好的RFID被動標簽沖突仲裁協議應具有如下一些特征。閱讀器應該能夠識別其閱讀區域內所有標簽。“標簽餓死”問題導致物體追蹤與監控無法進行。閱讀器必須能快速識別標簽。因為帶有標簽的物體可能是移動的，標簽識別必須能跟上物體的移動速度。標簽應能被識別而消耗的資源要小。因為被動標簽要從閱讀器無線電波中獲得能量補充，故其可用能量有限。基于ALOHA的方法基于ALOHA方法的工作過程示例

ALOHA協議的基本工作原理，見圖(a)無論何時網絡中有節點需要發送數據，就可以隨時發送，發送后通過偵聽廣播信息可以知道是發送成功還是發生沖突，若發生沖突則發送者隨機等待一個時間片斷后重發數據。這個協議使得閱讀器的設計變得最簡單，閱讀器只是偵聽而已。標簽使用隨機的等待期周期性地發送數據。此協議能很快適應不同數量的標簽，理論證明協議的最大效率是18.4%（假設數據發送時刻服從泊松分布）

分時隙ALOHA協議是對ALOHA協議改進（圖(b)）在此協議中，時間被劃分成離散的時間間隔，而數據僅能在時間間隔的起始處發送，一旦錯過一個時間間隙，則要等到下一個時間間隙的到來才能發送，這樣能夠減小沖突概率即此協議的最大效率被證明能夠達到36.8%（假設數據發送時刻服從泊松分布）

基于時間幀的分時隙ALOHA協議在一個時間幀內進一步劃分時間間隔，即每幀N個時隙（Slots）（圖(c)）在一個時間幀內，標簽至多在一個隨機選擇的時隙上發送一次數據。因此，每個標簽的發送信息在一個給定時間幀內至多出現一次沖突。最初，時間幀大小是一致的，具有相同數量的時隙，后來被改進以增加靈活性，即閱讀器可以自適應地擴展或壓縮被用于下一輪的每幀時隙數。

基于時間幀的分時隙ALOHA協議是為減輕多RFID標簽同時出現在一個閱讀器感知區而引發的沖突問題的。這類方法大多假定閱讀器首先發送它的幀大小給標簽，然后標簽隨機選擇一個時隙，并在此時隙上響應閱讀器。從閱讀器這邊看，在任何給定時隙上，它沒有接收到信號，接收來自一個標簽的信號，或接收到來自多于一個標簽的信號。第一種情況下的時隙被浪費了，因為沒有被用來傳輸信息第二種情況下的時隙被成功利用，因為來自標簽的信息被閱讀器成功接收在第三種情況下，沖突發生了，涉及沖突事件的標簽數目通常是不知道的。估計閱讀器感知區存在的初始標簽數是困難的，幀的長度取決于標簽數量，多數研究采用均衡分布確定響應時隙。幀時隙ALOHA（FSA）一幅幀被劃分為多個具有同樣長度的時隙，每個標簽在幀中隨機選擇一個時隙并發送數據，若接收到標簽發送的數據且無沖突發生，閱讀器將會成功識別此標簽。在此算法中，閱讀器使用固定的幀大小，即在標簽識別過程中，閱讀器不改變幀大小。只要具有支持發送的能量，標簽就會在遭遇沖突后隨機選擇一個時隙重發數據。數據將以循環順序被發送直至標簽被識別。FSA的工作過程示例動態幀時隙ALOHA（DFSA）若標簽數量大，小的初始化幀大小會導致大量沖突并產生更多讀周期若標簽數量小，大的初始化幀大小將導致更多空閑時隙和增加信道帶寬的浪費因此，閱讀器應該具備根據系統中未識別標簽的當前數量動態調節幀大小的能力DFSA算法比FSA算法更適合改善RFID系統性能原因在于DFSA能夠根據通信負荷動態地調整幀大小以提高系統性能DFSA的工作過程示例DFSA的工作過程示例首先，閱讀器發送帶有參數5的請求命令以指出幀大小。在第1個讀周期中，標簽1、3和4同時在時隙1中發射。由于這些發射發生在同一個時隙中，因此導致了沖突。標簽2和5分別在時隙2和5中發送其UID，因此能夠被閱讀器成功識別。由于在第1個閱讀周期中識別了兩個標簽，因此，還剩下3個標簽需要被繼續識別。在第2個周期中，閱讀器采用了大小為3的幀。此過程繼續直至所有標簽被識別或在讀周期中不再出現沖突二叉樹協議（BT）BT使用由沖突標簽產生的隨機二進制數碼進行分組操作。在幀的起始處，標簽初始化計數器為0，標簽在其計數器的值為0時發送自身ID，因此在幀的起始處，閱讀器閱讀范圍內的所有標簽將形成一個組，并同時發送。當閱讀器發送反饋信息通知所有標簽出現了標簽沖突事件時，根據閱讀器反饋的標簽沖突信息，所有標簽改變自身的計數器值。

改變的方式是隨機選擇一位二進制數，并將其加到原來的計數器值上。這樣，原來的一個標簽數較多的組就被分成兩個標簽數更少的組。當出現標簽沖突事件時，未參與此次沖突的標簽將其計數器值增1；當閱讀器的反饋信息指示沒有沖突時，所有標簽將其計數器值減1；在標簽發送自身ID后，從緊接著的指示無沖突的反饋中可得知發送成功了。

在當前幀中，已被閱讀器識別的標簽不再發送任何信號。為了終止一幀，閱讀器也需要維持一個計數器。在每幀開始，計數器初始化為0，然后用于記錄尚未被識別的標簽集的數目。若標簽沖突發生，閱讀器將其計數器值增1，因為閱讀器應該識別的標簽集將會增加一個；若標簽沖突未發生，閱讀器將其計數器值減1。當計數器小于0，閱讀器結束此幀。查詢樹協議（QT）查詢樹協議使用標簽ID來分割標簽集。閱讀器發送包含一個比特串的查詢，若ID的起始若干比特等于查詢比特串的標簽，則通過發送其ID進行響應。例如，針對查詢串{q1q2…qx}（qx

{0,1}），若標簽響應沖突了，在緊接著的詢問周期（InterrogationCycle）中，閱讀將使用兩個各長為1比特的查詢串{q1q2…qx}0和查詢串{q1q2…qx}1。與匹配{q1q2…qx}的標簽集被分成了兩個，一個是匹配{q1q2…qx}0的標簽集，另一個是匹配{q1q2…qx}1的標簽集。閱讀器為查詢比特串維持一個隊列Q。在每幀的開始，一幀被初始化為兩個長度為1的比特串，分別為0和1。閱讀器每次從隊列Q中彈出一個比特串并發送一次查詢。若標簽響應沖突了，閱讀器將兩個長1比特的查詢串壓入到隊列Q中。通過不斷擴展這個查詢直到已獲得響應或者響應發生為止。至此，所有標簽都被識別了。

QT也稱為無記憶協議，因為它除了ID外無須額外存儲一些信息來作為識別時使用識別延時將受到標簽ID分布的影響，當標簽的ID很相似時，延時會增加自適應標簽防沖突協議自適應標簽防沖突協議能夠消除停留標簽之間的沖突空閑周期：沒有標簽嘗試發射可讀周期：僅一個標簽嘗試發射沖突周期：多個標簽嘗試發射下圖表示沖突周期的節點僅有兩個子節點，因為標簽集合僅在沖突周期被分成兩個子集，因此樹上的所有中間節點對應于沖突周期，而所有葉子節點要么對應可讀周期要么對應空閑周期

標簽識別與樹搜索一致，都是從樹根開始尋找可讀周期節點的跳過沖突周期可減少標簽識別延時BT和QT的樹搜索就從樹根或樹的第1層節點出發，并檢查所有的中間節點總之，不合理的出發點會增加識別延時

自適應標簽防沖突協議具有快速標簽識別特征，它可分為兩種自適應查詢分割（AdaptiveQuerySplitting，AQS）協議，是基于采用確定性方法的查詢樹協議的改進方法自適應二元分割（AdaptiveBinarySplitting，ABS）協議，是建立在采用概率方法的二叉樹協議之上的方法自適應查詢分割（AQS）協議算法：AQS標簽操作/*響應閱讀器的詢問查詢串q為q1q2…qx（qi為一個二進制值，x為查詢串長度）標簽ID為t1t2…tb（ti為一個二進制值，b為ID串長度）isResponsible

是一個標記，它決定標簽是否發射它的ID*/1從閱讀器接收開始一幀的命令2從閱讀器接收消息m3whilem!=幀結束命令do4q=m5isResponsible=16for

（i=1;i<x;i++）do7if

qi

!=

ti

then8isResponsible=09break10endif11endfor12if

isResponsible==1then13發送自身ID14endif15從閱讀器接收消息m16endwhile

算法：AQS閱讀器操作/*發送詢問和接收標簽的響應1/*初始化隊列Q和CQ*/2Q=CQ3CQ=NULL4ifQ==NULLthen5Push（Q，0）/*將0推入隊列Q*/6Push（Q，1）/*將1推入隊列Q*/7endif8/*識別標簽并形成CQ*/9發送啟動一個幀的命令

10while

Q!=NULLdo11q=Pop（Q）/*從隊列Q中彈出一個串并賦值給q*/12發送包含q的查詢13接收標簽響應并檢測沖突14if

標簽沖突then15/*將查詢串增長1比特壓入隊列Q*/16Push（Q，q0）/*將q0推入隊列Q*/17Push（Q，q1）/*將q1推入隊列Q*/18elseif

只有一個標簽響應then19存儲標簽ID20Push（CQ，q）/*將q推入隊列CQ*/21elseif

沒有標簽響應then22Push（CQ，q）/*將q推入隊列CQ*/23endif24endwhile25QueryDeletion（CQ）/*刪除不需要的查詢串*/26發送幀結束命令自適應二元分割（ABS）協議ABS的標簽操作算法：/*通過控制PSC和ASC發射ID，f是閱讀器的反饋，用于指示可讀、空閑、沖突*/1接收帶有閱讀器TSC的幀啟動命令2/*初始化PSC和ASC*/3PSC=04ifASC==NULLorASC>TSCthen5ASC被賦值為0與TSC之間的隨機數6endif7/*為發射而處理PSC和ASC*/

8whilePSC≤ASCdo9ifPSC==ASCthen10發射ID11從閱讀器接收反饋f12if

反饋f

指示為沖突then13隨機選擇一個二進制值i14ASC=ASC+i15else16PSC=PSC+117endif18elseifPSC<ASCthen19從閱讀器接收反饋f20if

反饋f

指示為沖突then21ASC=ASC+122elseif反饋f

指示為可讀then23PSC=PSC+124elseif反饋f指示為空閑then25ASC=ASC-126endif27endif28endwhile

ABS的閱讀器操作算法：/*根據接收到的標簽響應數，發射反饋信息f是一個標記，用于指示可讀、空閑、沖突*/1PSC=02ifTSC==NULLthen3TSC=04endif5發射帶有閱讀器TSC的幀啟動命令

6whilePSC≤TSCdo7接收標簽響應并檢測沖突8if標簽沖突then9TSC＝TSC＋110將f賦值為沖突11elseif僅有一個標簽響應then12保存標簽ID13PSC=PSC+114將f賦值為可讀15elseif沒有標簽響應then16TSC＝TSC-117將f賦值為空閑18endif19發射反饋f20endwhile21發射幀終止命令ABS中的標簽識別示例圖（a）表示在沖突周期中的操作，圖3（b）表示在空閑中的操作3.3感知層的頻譜規劃與使用3.3.1感知層對頻譜的需求3.3.2頻譜的科學規范3.3.3頻譜感知的基本方法3.3.4可用帶寬感知技術3.3.5使用認知頻譜的MAC協議3.3.1感知層對頻譜的需求物聯網的快速發展離不開多樣化的無線技術支持，無線技術的廣泛應用將會對頻譜資源管理利用提出新的挑戰物聯網未來將應用于無法準確估量的行業和場景，必然產生海量終端，形成遠遠大于人與人通信互連的移動通信與無線接入的數據量

未來頻譜資源的短缺將成為物聯網發展難以克服的瓶頸。物聯網的業務規模遠遠大于移動通信雖然目前物聯網應用一般是小流量的M2M，但也有大量占用高帶寬的應用，比如公共交通等以視頻圖像為主的監控業務物聯網的識別層將信息傳感設備，如RFID裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等與網絡連接在一起，方便識別和管理，而這種連接將采用低功率技術，其中最被推崇的是Wi-Fi技術。如果將Wi-Fi用于物聯網，Wi-Fi的頻譜需求將大大超過目前已分配的頻譜總量物聯網的流量模型至今并沒有權威研究結果，它肯定既不同于互聯網流量模型，也不會等同于移動通信的流量模型移動蜂窩網絡著重考慮用戶數量