物联网与传感网工程实践
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1.2 物联网与相关技术标准

在标准方面,与物联网相关的标准化组织较多。物联网涉及极为广泛的技术种类,包括总体构架、传感技术、通信网络技术、应用技术等很多方面。很多标准组织从不同的角度对物联网进行研究工作,比如从机器到机器通信(M2M)的角度,从泛在网的角度,从互联网的角度,或从传感网和传感技术的角度,有的则关注于总体架构,等等。目前介入物联网领域的标准组织主要有IEEE、ISO、ETSI、ITU-T、3GPP、3GPP2等,下面我们会一一做介绍。

国际电信联盟(ITU-T)及欧洲电信标准化协会(ETSI)M2M技术委员会主要从总体架构方面对物联网进行研究,两者研究的角度不同:ITU-T从泛在网角度研究,而ETSI则从M2M的角度来研究总体架构。

国际标准化组织(ISO)、美国电气及电子工程师学会(IEEE)则专注于研究传感技术和器件方面的标准,主要涉及无线传感网。

第三代合作伙伴计划(The 3rd Generation Partnership Project,3GPP)和第三代合作伙伴计划2(3rd Generation Partnership Project 2,3GPP2)主要研究物联网所应用到的通信网络技术,只限定在移动网络层面。

总的来说,目前为止,物联网的唯一标准在国际上尚未建立,已有的各标准组织自成体系,标准内容涉及架构、通信、传感、编码、数据处理、应用等多方面。

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标准体系一般不涉及具体的应用标准)的是,物联网相关的标准组织都比较重视应用方面的标准制定。在电子检测、家居智能化、交通运输、电子消费应用等领域都有相当数量的标准正在制定中,这也说明了“由应用主导物联网”的观点在国际上已经达成了共识。

图1-4是不同领域的物联网相关主要标准组织的分布情况。本节选择一些在物联网领域重要的有一定影响力的标准组织进行介绍。

图1-4 物联网在不同领域的主要标准组织分布情况

1.2.1 ITU-T物联网标准

国际电信联盟远程通信标准化组织(ITU-T for ITU Telecommunication Standardization Sector),它是国际电信联盟管理下的专门制定远程通信相关国际标准的组织。国际电联作为世界最为普遍认可的信息通信标准制定者的角色,可以追溯到机构的创立之初。国际电联自1865年成立以来,一直在为行业的技术与服务达成共识而奔走,因为它们构成了世界上规模最大且互联最为紧密的人为体系的中坚力量。仅2007年,国际电联电信标准化部门(ITU-T)就制定了160多项新的和经修订的标准(ITU-T建议书),涵盖了从核心网络功能与宽带到IPTV等下一代业务的各个方面。ITU-T早在2005就开始进行泛在网的研究,可以说是最早进行物联网研究的标准组织。

ITU-T主要研究泛在网总体框架、标识及应用方面。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。图1-5为ITU-T提出的物联网架构。在标识研究方面,ITU-T与ISO进行合作,关注于基于对象标识(OID)的解析体系;在健康和交通运输方面ITU-T也展开了研究。

图1-5 ITU-T提出的物联网架构

ITU-T相关研究课题组的研究情况如下。

SG13主要从NGN(Next Generation Network,下一代网络,又称为次世代网络)角度进行泛在网络相关的标准研究,韩国是标准研究的主导国家。目前标准化工作集中在基于泛在网络/无线传感器网络的需求和框架方面,支持标签应用和结构框架的研究,身份管理(IDM),还包括NGN的车载通信支持方面的研究等。

SG16专门成立了一个小组进行泛在网络应用的研究,日、韩是研究共同主导,研究内容侧重于业务和应用,标识解析等方面。SG16组研究的具体内容包括:Q.25/16泛在传感器网络(USN)的应用和服务,Q.27/16通信/智能交通系统(ITS)服务/应用的网关平台,Q.28/16电子健康的多媒体框架,Q.21和Q.22标记研究(主要是提出了标识应用需求和架构)。

SG17设立了一个特别的问题小组展开泛在网络安全、身份管理的分析研究。SG17组研究的具体内容包括:Q.6/17泛在网络的通信安全,Q.10/17身份管理框架和机制,Q.12/17抽象语法标识(ASN.1)、OID及相关注册。

SG11成立了一个特殊的问题小组专门研究“NID和USN测试规范”,主要研究结点标识(NID)和泛在传感器网络(USN)的测试构架,以及H.IRP和X.oid-re测试规范。

ITU-T还在智能家居、车辆管理等应用方面开展了一些研究工作。

1.2.2 ETSI物联网标准

欧洲电信标准化协会(European Telecommunications Standards Institute,ETSI)是由欧共体委员会1988年批准建立的一个非营利性的电信标准化组织,总部设在法国南部的尼斯。ETSI的标准化领域主要是电信业,并涉及与其他组织合作的信息及广播技术领域。ETSI作为一个被CEN(欧洲标准化协会)和CEPT(欧洲邮电主管部门会议)认可的电信标准协会,其制定的推荐性标准常被欧共体作为欧洲法规的技术基础而采用并被要求执行。

ETSI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成立了一个特别小组(M2M TC),从M2M的视角进行相关标准的研究。ETSI成立这样一个小组主要是因为:目前为止尽管存在很多M2M相关标准,涉及多种无线接口、格状网络、路由和标识机制等,但这些标准主要是针对一个特定的应用场景,是相互独立的,如何找出已有的相对分散的技术和标准中的不足,所做的工作却很少。在这样的研究背景下,相关的技术小组的主要研究对象是从端到端的全景视角研究机器对机器通信,并与相关技术的研究进行合作研究工作。

M2M TC组的工作是:从利益相关者的收集和发展M2M的业务需要出发,建立一个端到端的高层体系结构,找出已有标准不能满足需求的地方并制定新的具体标准,将现有的组件或子系统映射到高层体系构架中,并解决方案之间的互操作性(测试标准)、硬件接口标准化以及与其他标准组织进行沟通与合作。

1.2.3 3GPP/3GPP2物联网标准

The 3rd Generation Partnership Project(3GPP)是领先的3G技术规范机构,是由欧洲的ETSI,日本的ARIB和TTC,韩国的TTA以及美国的T1在1998年年底发起成立的,旨在研究制定并推广基于演进的GSM核心网络的3G标准,即WCDMA、TD-SCDMA、EDGE等。中国无线通信标准组(CWTS)于1999年加入3GPP。

3GPP和3GPP2也从M2M的角度进行标准研究。作为移动网络技术的主要标准组织,3GPP和3GPP2侧重于互联网网络能力的提高,是网络层相关方面研究的主要标准组织。

3GPP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。它的主要研究领域包括:移动网络的M2M通信;定义M2M服务,而不包括具体的M2M应用的定义。Verizon、Vodafone和其他的许多移动运营商在M2M的应用中发现了很多问题,如大量M2M终端对网络的冲击,系统控制能力不足等。因此,在高通、Vodafone、Verizon、三星等公司的推动下,3GPP加速了M2M的研究,基本完成了需求分析、网络体系结构和技术框架研究,但核心的无线接入网络(RAN)的研究还没有开展。

相比之下,3GPP2的相关性研究进展较慢。

1.2.4 IEEE物联网标准

美国电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)是1963年1月1日由美国无线电工程师协会(IRE,创立于1912年)和美国电气工程师协会(AIEE,创建于1884年)合并而成,它是一个区域和技术互为补充的组织结构,以地理位置或者技术中心作为组织单位(如IEEE费城分会和IEEE计算机协会)。它管理着推荐规则和执行计划的分散组织(如IEEE-USA明确服务于美国的成员、专业人士和公众)。总部设在美国纽约。IEEE在150多个国家中拥有300多个地方分会。透过多元化的会员,该组织在太空、计算机、电信、生物医学、电力及消费性电子产品等领域中都是主要的权威。专业上,它有35个专业学会和两个联合会。IEEE发表多种杂志、学报、书籍和每年组织300多次专业会议。IEEE定义的标准在工业界有极大的影响。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技术就基于IEEE 802.15.4标准。

IEEE 802系列标准是IEEE 802局域网/城域网标准委员会制定的LAN/MAN技术标准。IEEE 802.15工作组成立于1998年,专门从事无线个人局域网络(WPAN)的标准化工作。在IEEE 802.15工作组内有5个工作组,分别制定适合不同应用的标准。这些标准的传输速度,功耗和支持服务等方面都存在差异。

TG1工作组制定IEEE 802.15.1标准,即蓝牙无线通信标准。该标准适用于移动电话,掌上计算机和其他设备中的中、短距离通信。

TG2工作组制定IEEE 802.15.2标准。

TG3工作组制定IEEE 802.15.3标准,研究超宽带(UWB)标准。本标准适用于网络多媒体中的高速、短距离通信中的应用。

TG4工作组制定IEEE 802.15.4标准,研究低速率无线个人局域网(WPAN)。该标准力图实现低能耗,低比特率传输和低成本,专为个人或家庭在不同的设备之间提供了一个统一的标准低速网络标准。

TG5工作组制定IEEE 802.15.5标准,研究无线个人局域网(WPAN)的无线网状网络(MESH)。该标准的目的是研究MESH组网的个人局域网的物理层和链路层的必要机制。

传感器网络的特点与低速率无线个人局域网(WPAN)有很多相似之处,因此,传感器网络的物理层和媒体访问控制层(MAC)是基于IEEE 802.15.4标准的,其中最著名的是ZigBee。因此,IEEE 802.15工作组也是物联网领域的无线传感器网络的一个主要标准组织之一。我国也参与了一系列IEEE 802.15标准的开展工作,包括IEEE 802.15.4c和IEEE 802.15.4e的起草工作等。IEEE 802.15.4c扩展了适合我国使用的频段,IEEE 802.15.4e则扩展了工业级控制部分。

1.2.5 中国物联网标准

总的来说,我国物联网标准的制定工作还处于起步阶段,但发展迅速。目前我国已有涉及物联网总体架构、无线传感网、物联网应用层面的众多标准正在制定中,并且有相当一部分的标准项目已在相关国际标准组织立项。我国研究物联网的标准组织主要有传感器网络标准工作组(WGSN)和中国通信标准化协会(CCSA)。

WGSN是由中国国家标准化管理委员会批准筹建,中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。WGSN于2009年9月正式成立,由中国科学院上海微系统与信息技术研究所任组长单位,中国电子技术标准化研究所任秘书处单位,成员单位包括中国三大运营商、主要科研院校、主流设备厂商等。传感器网络标准工作组将“适应中国社会主义市场经济建设的需要,促进中国传感器网络的技术研究和产业化的迅速发展,加快开展标准化工作,认真研究国际标准和国际上的先进标准,积极参与国际标准化工作,并把中国和国际标准化工作结合起来,加速传感网标准的修订工作,建立和不断完善传感网标准化体系,进一步提高中国传感网技术水平”作为其宗旨。目前WGSN已有一些标准正在制定中,并代表中国积极参加ISO、IEEE等国际标准组织的标准制定工作。由于成立时间尚短,目前WGSN还没有形成可发布的标准文稿。

CCSA于2002年12月18日在北京正式成立。协会的主要任务是为提供更好的通信标准开展研究工作,将通信企业、制造企业、研究机构、大学和其他有关的企业和机构组织起来,按照公平、公正、公开的原则制定标准,对标准进行的协调和控制,并把高技术、高水平、高质量的标准推荐给政府机关等,将具有中国自主知识产权的标准推向世界。2009年11月,CCSA建立了一个新的泛在网络技术委员会(TC10),开展具体的物联网相关研究工作。虽然TC10刚成立不久,但在之前CCSA对物联网上的相关领域也做了一些研究。目前,CCSA有多个与网络相关的标准正在制定,但没有发布。

在2009年4月成立的RFID标准工作组也是与物联网相关的标准研究组织。该工作组在工信部的领导下,开展科学和技术工作,致力于中国的RFID技术领域的标准研究和制定工作,取得了一定的成绩。

RFID和CCSA标准组织都独立开展工作,每一组织的研究工作各有侧重。WGSN侧重于传感器网络,CCSA TC10强调网络通信和应用研究,RFID标准工作组则关注RFID相关领域。同时,标准工作组的研究领域也有很多交集,如WGSN也涉及传感器网络的通信部分和应用部分内容,CCSA也涉及一些传感器网络方面的工作内容。对于这些交集领域,每一个标准之间必须保持良好的横向沟通与协调,基于此目的,国家正在筹备成立“网络标准联合工作组”。联合工作组旨在整合中国物联网相关标准资源,共同发展网络技术研究,积极推进物联网的标准化工作,加快发展物联网技术标准的步伐,需要政府部门对物联网产业发展决策提供全面的技术支持和服务支持。