現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)體系架構中核心技術標準及其發(fā)展應用研究

引言

物聯(lián)網(wǎng)(InternetOfThings，IOT)是當前研究的熱點，其號稱是下一個萬億級信息產(chǎn)業(yè)的引擎。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)作為一個新型產(chǎn)業(yè)，覆蓋的技術領域非常廣泛，涉及到總體架構、感知技術、通信網(wǎng)絡技術、應用技術等各個方面。在任何一個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中，標準體系的建立、完善以及協(xié)議的制定執(zhí)行都是必不可少的支撐環(huán)節(jié)，物聯(lián)網(wǎng)也不例外。

目前，國際上有關物聯(lián)網(wǎng)標準研究的組織很多，這些標準組織有的從機器對機器通信(M2M)的角度進行研究，有的從泛在網(wǎng)角度進行研究，有的從互聯(lián)網(wǎng)的角度進行研究，有的專注傳感網(wǎng)的技術研究，有的關注移動網(wǎng)絡技術研究，有的關注總體架構研究，因此，有必要對這些標準化組織以及適應領域做一個全面的分析，以期為物聯(lián)網(wǎng)的應用提供一個良好而健康的發(fā)展空間。

1物聯(lián)網(wǎng)標準化研究的主要環(huán)節(jié)

物聯(lián)網(wǎng)標準的劃分是分層次的，如傳感器的、應用的、傳輸?shù)牡?，或者細化為芯片、電路、通信接口、路由等層次。一個典型的物聯(lián)網(wǎng)體系主要由感知層、網(wǎng)絡層以及應用層組成,其中所涉及到的關鍵技術領域如圖1所示。

當然，根據(jù)應用對方和應用方式的不同，也有分為感知層、接入層、網(wǎng)絡層、中間件層以及應用層等體系架構的。本文以感知、網(wǎng)絡和應用三層體系架構來闡述需要進行標準化研究的技術領域。

感知層的標準化研究主要集中在RFID射頻感知、天線頻帶、讀寫通信協(xié)議、RFID中間件等方面。在該層進行研究的國際標準組織比較有代表性的是國際標準化組織(ISO)、美國電氣及電子工程師學會(IEEE)。

網(wǎng)絡層主要負責信息感知的接入和網(wǎng)絡通信的傳輸和交換。目前，在通信網(wǎng)絡技術方面進行研究的國際標準組織主要有3GPP和3GPP2,它們主要從M2M業(yè)務對移動網(wǎng)絡的需求方面進行研究。

應用層主要是在應用技術方面，主要是針對特定應用制訂標準。在此方面，各標準組織都有一些研究，也都比較重視應用方面的標準制訂。在智能測量、E-Health、城市自動化、汽車應用、消費電子應用等領域均有相當數(shù)量的標準正在制訂中，這與傳統(tǒng)的計算機和通信領域的標準體系有很大不同(傳統(tǒng)的計算機和通信領域的標準體系一般不涉及具體的應用標準)，這也說明了“物聯(lián)網(wǎng)是由應用主導的”觀點在國際上已成為一種共識。

總的來說，目前物聯(lián)網(wǎng)標準工作還處于起步階段，各標準組織自成體系，標準內(nèi)容涉及架構、傳感、編碼、數(shù)據(jù)處理、應用等，不盡相同。本文從國際和國內(nèi)兩個方面來對從事物聯(lián)網(wǎng)標準化研究的組織和目前發(fā)展的現(xiàn)狀進行介紹。

2國際物聯(lián)網(wǎng)標準化組織

目前介入物聯(lián)網(wǎng)領域的主要國際標準組織有IEEE、ISO、ETSI、ITU-T、3GPP、3GPP2等。圖2所示是國際上的一些

物聯(lián)網(wǎng)標準化組織。

圖2國際物聯(lián)網(wǎng)標準化組織

在針對泛在網(wǎng)總體框架方面進行系統(tǒng)研究的國際標準組織中，比較有代表性的是國際電信聯(lián)盟(ITU-T)及歐洲電信標準化協(xié)會(ETSI)M2M技術委員會。其中，ITU-T從泛在網(wǎng)角度研究總體架構，而ETSI則從M2M的角度研究總體架構。

ITU-T物聯(lián)網(wǎng)標準進展

ITU-T是最早進行物聯(lián)網(wǎng)研究的標準組織，ITU-T的研究內(nèi)容主要集中在泛在網(wǎng)總體框架、標識及應用等三方面。ITU-T在泛在網(wǎng)研究方面已經(jīng)從需求階段逐漸進入到框架研究階段，目前研究的框架模型還處在高層層面，而且，ITU-T提出的物聯(lián)網(wǎng)架構曾經(jīng)在各種場合被廣泛引用。

ITU-T在標識研究方面和ISO通力合作，主推基于對象標識(OID)的解析體系；ITU-T在泛在網(wǎng)應用方面已經(jīng)逐步展開了對健康和車載方面的研究。下面詳細介紹ITU-T各個相關研究課題組的研究情況。

首先是SG13,SG13主要從NGN角度展開泛在網(wǎng)相關研究，標準主導是韓國。目前的標準化工作集中在基于NGN的泛在網(wǎng)絡/泛在傳感器網(wǎng)絡需求及架構研究，支持標簽應用的需求和架構研究，身份管理(IDM)相關研究，以及NGN對車載通信的支持等方面。

SG16組已經(jīng)成立了專門的問題組來展開泛在網(wǎng)應用相關的研究，由日、韓共同主導，內(nèi)容集中在業(yè)務和應用、標識解析等方面。SG16組研究的具體內(nèi)容有Q.25/16泛在感測網(wǎng)絡(USN)應用和業(yè)務、Q.27/16通信/智能交通系統(tǒng)(ITS)業(yè)務/應用的車載網(wǎng)關平臺、Q.28/16電子健康(E-Health)應用的多媒體架構、Q.21和Q.22標識研究，現(xiàn)在已經(jīng)給出了針對標識應用的需求和高層架構。

SG17組成立有專門的問題組來展開泛在網(wǎng)安全、身份管理、解析的研究。SG17組研究的具體內(nèi)容有Q.6/17泛在通信業(yè)務安全，Q.10/17身份管理架構和機制，Q.12/17抽象語法標記(ASN.1)、OID及相關注冊等。

SG11組成立有專門的問題組“NID和USN測試規(guī)范”,主要研究節(jié)點標識(NID)、泛在感測網(wǎng)絡(USN)的測試架構、H.IRP測試規(guī)范以及X.oid-res測試規(guī)范。

此外，ITU-T還在智能家居、車輛管理等應用方面開展了一些標準化研究工作。

ETSI物聯(lián)網(wǎng)標準進展

ETSI主要采用M2M的概念進行總體架構方面的研究,相關工作的進展非常迅速，是在物聯(lián)網(wǎng)總體架構方面研究得比較深入和系統(tǒng)的標準組織，也是目前在總體架構方面最有影響力的標準組織。

ETSI專門成立了一個專項小組(M2MTC)，從M2M的角度進行相關標準化研究。ETSI成立M2MTC小組的主要考慮是：目前雖然已經(jīng)有一些M2M的標準存在，涉及各種無線接口、格狀網(wǎng)絡、路由和標識機制等方面，但這些標準主要是針對某種特定應用場景，彼此相互獨立，如何將這些相對分散的技術和標準放到一起并找出不足，這方面所做的工作很少。在這樣的研究背景下，ETSIM2MTC小組的主要研究目標是從端到端的全景角度研究機器對機器的通信，并與ETSI內(nèi)NGN的研究及3GPP已有的研究展開協(xié)同工作。

M2MTC小組的職責是從利益相關方收集和制訂M2M業(yè)務及運營需求，建立一個端到端的M2M高層體系架構(如果需要，也會制訂詳細的體系結構)，找出現(xiàn)有標準不能滿足需求的地方并制訂相應的具體標準，以將現(xiàn)有的組件或子系統(tǒng)映射到M2M體系結構中。在M2M解決方案間的互操作性(制訂測試標準)和硬件接口標準化方面，考慮與其他標準化組織進行交流及合作。

3GPP/3GPP2物聯(lián)網(wǎng)標準進展

3GPP和3GPP2也采用M2M的概念進行研究。作為移動網(wǎng)絡技術的主要標準組織，3GPP和3GPP2關注的重點在于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡能力的增強方面，是在網(wǎng)絡層方面開展研究的主要標準組織。

3GPP針對M2M的研究主要從移動網(wǎng)絡出發(fā)，研究M2M應用對網(wǎng)絡的影響，包括網(wǎng)絡優(yōu)化技術等。3GPP的研究范圍只討論移動網(wǎng)的M2M通信；它們只定義M2M業(yè)務,而不具體定義特殊的M2M應用。Verizon、Vodafone等移動運營商在M2M的應用中發(fā)現(xiàn)了很多問題，例如大量M2M終端對網(wǎng)絡的沖擊，系統(tǒng)控制面容量的不足等。因此，在Verizon、Vodafone、三星、高通等公司的推動下，3GPP對M2M的研究在2009年開始加速，目前已經(jīng)基本完成了需求分析，轉入網(wǎng)絡架構和技術框架的研究，但核心的無線接入網(wǎng)絡(RAN)研究工作還未展開。

相比較而言，3GPP2相關研究的進展要慢一些，目前關于M2M方面的研究多處于研究報告階段。

IEEE物聯(lián)網(wǎng)標準進展

在物聯(lián)網(wǎng)的感知層研究領域，IEEE的重要地位顯然是毫無爭議的。目前，無線傳感網(wǎng)領域用得比較多的ZigBee技術就是基于IEEE802.15.4標準。

IEEE802系列標準是IEEE802LAN/MAN標準委員會制訂的局域網(wǎng)、城域網(wǎng)技術標準。1998年，IEEE802.15工作組成立，其工作是專門從事無線個人局域網(wǎng)(WPAN)標準化工作。在IEEE802.15工作組內(nèi)有5個任務組，分別制訂適合不同應用的標準。這些標準在傳輸速率、功耗和支持的服務等方面存在差異。

TG1組制訂IEEE802.15.1標準，即藍牙無線通信標準。其標準適用于手機、PDA等設備的中等速率、短距離通信。

TG2組制訂IEEE802.15.2標準，主要研究IEEE802.15.1標準與IEEE802.11標準的共存。

TG3組制訂IEEE802.15.3標準,研究超寬帶(UWB)標準。該標準適用于個域網(wǎng)中多媒體方面高速率、近距離通信的應用。

TG4組制訂IEEE802.15.4標準，主要研究低速無線個人局域網(wǎng)(WPAN)。該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)的不同設備之間提供低速互聯(lián)的統(tǒng)一標準。

TG5組制訂IEEE802.15.5標準，主要研究無線個人局域網(wǎng)(WPAN)的無線網(wǎng)狀網(wǎng)(MESH)組網(wǎng)。該標準旨在研究提供MESH組網(wǎng)的WPAN物理層與MAC層的必要機制。

傳感器網(wǎng)絡的特征與低速無線個人局域網(wǎng)(WPAN)有很多相似之處，因此，傳感器網(wǎng)絡大多采用IEEE802.15.4標準作為物理層和媒體存取控制層(MAC),其中最為著名的就是ZigBee。因此，IEEE的802.15工作組也是目前物聯(lián)網(wǎng)領域在無線傳感網(wǎng)層面的主要標準組織之一。中國也參與了IEEE802.15.4系列標準的制訂工作，其中IEEE802.15.4c和IEEE802.15.4e主要由中國起草。IEEE802.15.4c擴展了適合中國使用的頻段，IEEE802.15.4e則擴展了工業(yè)級控制部分。

3我國物聯(lián)網(wǎng)標準化研究及其技術領域

2010年6月8日，在國家標準化管理委員會、工業(yè)和信

息化部等相關部委的共同領導和直接指導下，由全國工業(yè)過程測量和控制標準化技術委員會、全國智能建筑及居住區(qū)數(shù)字化標準化技術委員會、全國智能運輸系統(tǒng)標準化技術委員會等19家現(xiàn)有標準化組織聯(lián)合倡導并發(fā)起成立物聯(lián)網(wǎng)標準聯(lián)合工作組。聯(lián)合工作組緊緊圍繞物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)與應用發(fā)展需求，統(tǒng)籌規(guī)劃，整合資源，堅持自主創(chuàng)新與開放兼容相結合的標準戰(zhàn)略，加快推進我國物聯(lián)網(wǎng)國家標準體系的建設和相關國標的制定，同時積極參與有關國際標準的制定，以掌握發(fā)展的主動權。中國物聯(lián)網(wǎng)標準聯(lián)合工作組的組成如圖3所示。

3.1電子標簽國家標準工作組

在各技術委員會以及行業(yè)協(xié)會的協(xié)同下，中國正在努力通過直接或間接的方式向世界推廣中國制定的標準。2003年1月17日，NPC(全國產(chǎn)品與服務統(tǒng)一代碼)標準被正式頒布,標準名稱為《GB18937-2003全國產(chǎn)品與服務統(tǒng)一標識代碼編制規(guī)則》，2003年4月16日實施，定位為強制性國家標準。2003年11月25日，

國標委下發(fā)高新[2003]30號文，正式批復成立電子標簽國家標準工作組，其任務是負責起草、制定中國有關電子標簽的國家標準，使其既具有中國的自主知識產(chǎn)權,同時又與目前國際的相關標準互通兼容，將中國的電子標簽發(fā)展納入標準化、規(guī)范化的軌道。

為促進我國電子標簽技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加快國家標準和行業(yè)標準的制/修訂速度，充分發(fā)揮政府、企事業(yè)、研究機構、高校的作用，經(jīng)原信息產(chǎn)業(yè)部科技司批準，2005年12月2日，電子標簽標準工作組在北京正式宣布成立。該工作組的任務是聯(lián)合社會各方面力量，開展電子標簽標準體系的研究,并以企業(yè)為主體進行標準的預先研究和制/修訂工作，其組織結構如圖4所示。

圖4電子標簽標準工作組

該工作組由組長、聯(lián)絡員、成員、政策，起草知識產(chǎn)權法律文件,提供知識產(chǎn)權咨詢服務；頻率與通信組的工作范圍是負責提出我國RFID頻率需求，制定RFID通信協(xié)議標準及相應的檢測方法；標簽與讀寫器組的工作范圍是負責制定標簽與讀寫器的物理特性、試驗方法等標準;數(shù)據(jù)格式組的工作范圍是負責制定基礎標準、術語、產(chǎn)品編碼、網(wǎng)絡架構等標準；信息安全組的工作范圍是負責制定RFID相關的信息安全標準，包括讀寫器與標簽之間的信息安全，讀寫器與后臺系統(tǒng)的信息安全；應用組是在國家總體電子標簽應用指南的框架下制定RFID的相關應用標準。

電子標簽標準工作組成員單位參與制定的RFID標準主專題組和秘書處構成。其中，專題組包括7個小組，分別是總體組、知識產(chǎn)權組、頻率與通信組、標簽與讀寫器組、數(shù)據(jù)格式組、信息安全組和應用組。

總體組的工作范圍是負責制定RFID標準體系框架并協(xié)調(diào)各個組的工作；知識產(chǎn)權組的工作范圍是制定RFID標準知識產(chǎn)權要有《GB18937-2003全國產(chǎn)品與服務統(tǒng)一標識代碼編制規(guī)則》、《TB/T3070-2002鐵路機車車輛自動識別設備技術條件》以及在上海市使用的《送檢動物電子標示通用技術規(guī)范》。

電子標簽標準工作組目前已經(jīng)公布的相關RFID標準主要有參照ISO/IEC15693標準的識別卡和無觸點集成電路卡標準，即《GB/T22351.1—2008識別卡無觸點的集成電路卡鄰近式卡第1部分：物理特性》和《GB/T22351.3—2008識別卡無觸點的集成電路卡鄰近式卡第3部分：防沖突和傳輸協(xié)議》。

電子標簽標準工作組的總體目標是努力建立一套基本完備的、能為我國RFID產(chǎn)業(yè)提供支撐的RFID標準體系；積極參與國際標準化工作，爭取使具有自主知識產(chǎn)權的我國RFID標準成為國際標準;完成基礎技術標準，包括電子標簽、讀寫器、RFID中間件、數(shù)據(jù)內(nèi)容、空間接口、一致性測試等方面的標準;完成主要行業(yè)的應用標準，包括物流、生產(chǎn)制造、交通、安全防偽等方面的標準，積極推動我國RFID技術的發(fā)展與應用。3.2傳感器網(wǎng)絡標準工作組

2009年9月11日，傳感器網(wǎng)絡標準工作組成立大會暨“感知中國”高峰論壇在北京舉行。傳感器網(wǎng)絡標準工作組是由國家標準化管理委員會批準籌建，全國信息技術標準化技術委員會批準成立并領導，從事傳感器網(wǎng)絡（簡稱傳感網(wǎng)）標準化工作的全國性技術組織。

傳感器網(wǎng)絡標準工作組的主要任務是根據(jù)國家標準化工作的方針政策，研究并提出有關傳感網(wǎng)絡標準化工作方針、政策和技術措施的建議；按照國家標準制/修訂原則，積極采用國際標準和國外先進標準的方針，制訂和完善傳感網(wǎng)的標準體系表，提出制/修訂傳感網(wǎng)國家標準的長遠規(guī)劃和年度計劃的建議；根據(jù)批準的計劃，組織傳感網(wǎng)國家標準的制/修訂工作及其它與標準化有關的工作。傳感器網(wǎng)絡標準工作是由PG1（國際標準化）、PG2（標準體系與系統(tǒng)架構）、PG3（通信與信息交互）、PG4（協(xié)同信息處理）、PG5（標識）、PG6（安全）、PG7（接口）和PG8（電力行業(yè)應用調(diào)研）等8個專項組構成,開展具體的國家標準的制定工作，其組成結構如圖5所示。

圖5傳感器網(wǎng)絡標準化組織圖

傳感器網(wǎng)絡標準工作組已經(jīng)立項的國家標準和行業(yè)標準見表1所列。2009年12月，該工作組完成了6項國家標準和2項行業(yè)標準的立項工作。6項國家標準包括總則、術語、通信和信息交互、接口、安全、標識，2項電子行業(yè)標準是機場傳感器網(wǎng)絡防入侵系統(tǒng)技術要求和面向大型建筑節(jié)能監(jiān)控的傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)技術要求。這6項國家標準和2項行業(yè)標準已在2010年底完成。

表1傳感器網(wǎng)絡標準化組織已經(jīng)立項的國家和行業(yè)標準

表2傳感器網(wǎng)絡標準化組織已經(jīng)立項的國際標準

3.3泛在網(wǎng)技術工作委員會

2010年2月2日，中國通信標準化協(xié)會（CCSA）泛在網(wǎng)技術工作委員會（TC10）成立大會暨第一次全會在北京召開。TC10的成立，標志著CCSA今后泛在網(wǎng)技術與標準化的研究將更加專業(yè)化、系統(tǒng)化、深入化，必將進一步促進電信運營商在泛在網(wǎng)領域進行積極探索和有益實踐，不斷優(yōu)化設備制造商的技術研發(fā)方案，推動泛在網(wǎng)產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展。

4結語

一個新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，最重要的是掌握標準。誰掌握了標準，誰就能站在這個產(chǎn)業(yè)的制高點，成為弓I領這個產(chǎn)業(yè)的主導。目前，我國物聯(lián)網(wǎng)技術的研發(fā)水平已位于世界前列，在一些關鍵技術上處于國際領先地位，與德國、美國、日本等國一起，成為國際標準制定的主要國家，逐步成為全球物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中重要的一環(huán)。然而，在產(chǎn)業(yè)領域卻仍存在較多問題，目前不僅缺乏傳感網(wǎng)本身的標準，也缺乏傳感網(wǎng)和其他網(wǎng)絡互聯(lián)互通的標準，這將成為阻礙傳感網(wǎng)大規(guī)模應用推廣的關鍵。

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