無線傳感器網絡通信技術與標準化分析

林鑫海++李樹磊++趙研++李威

1 引言

通信技術的飛速發展和日益完善，推動了新型無線通信網絡的建設，其中物聯網發展最為迅速。早在2014年初的ITU-T SG17（國際電信聯盟遠程通信標準化組織數據網絡和電信軟件研究組）全會上，我國代表團提出的“OID（對象標識）在物聯網中應用指南”國際標準成功立項[1-2]，并提交了第一版國際標準草案，該標準表明我國在國際物聯網標準化方面向前邁出了重要一步。目前，各大技術聯盟都在積極推出自己的標準協議，競爭日益激烈，這是因為物聯網整體架構涉及的層面和技術較多，相關的技術組織和標準也非常繁雜[3-4]。但從近幾年的標準進展來看，國際上各標準組織之間的研究缺乏統一的協調和協作[5-6]，其中以微型傳感器構成的傳感器網絡的標準研究工作最為明顯。

2 無線傳感器網絡通信技術

無線傳感器網絡包括物理層、協議層和應用層。針對感知層目前有多種常用的無線技術，如圖1所示。本文主要對3種最常用標準：ZigBee、藍牙（Bluetooth）以及Wi-Fi展開分析，并比較各自的優缺點。

圖1 常用的無線通信技術標準

2.1 ZigBee

ZigBee是IEEE 802.15.4協議的代名詞，是一種近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率的雙向無線通信系統[7-8]，主要應用在物聯網產業鏈中的M2M行業。ZigBee憑借其獨特的優勢，在無線傳感器網絡中的應用得到廣泛的推廣。

（1）ZigBee技術優勢

ZigBee技術優勢主要包括以下方面：

◆低功耗：在低功耗模式下，僅需2節五號電池就能使用六個月到兩年左右的時間。

◆低成本：ZigBee協議簡單，降低了對通信控制器的要求，可大大降低成本且免收專利費。

◆近距離：傳輸范圍一般為10～100m，在提高RF發射功率后可增加至1～3km，使得覆蓋范圍更廣。

◆網絡容量大：ZigBee具有大規模的組網能力，可采用星狀、樹狀和網狀結構，一個主節點可管理若干子節點，最多一個網絡可支持65 535個節點。

◆安全保密：ZigBee采用三級安全模式，提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，并且融入了IEEE 802.15.4的安全協議。

（2）ZigBee技術的不足

ZigBee技術在設計之初就是為了解決近距離、低速率通信，隨著需求增加也暴露出一些問題。在沒有功率放大器的情況下ZigBee節點傳輸距離受限，且對障礙物的厚度影響大，覆蓋范圍也會隨之變小。在2.4GHz頻段下最大的傳輸速率只有250kbps，僅能傳輸簡單數據。在與鄰近節點共用或者同一節點多個應用時，速率也將被瓜分。

2.2 藍牙

藍牙（Bluetooth）是由多家跨國公司聯合開展推廣的短程無線通信技術，并且推出了藍牙技術標準，以使藍牙技術能夠在全球范圍內廣泛使用。藍牙體系結構中的協議模型可分為：物理層、核心協議、應用協議（可選協議）、射頻通信、電話傳送控制協議。

目前，藍牙推出集IEEE 802.15.1、IEEE 802.11物理層和MAC層以及Wibree標準“三合一”的4.0版本，將傳統藍牙技術、高速技術和低功耗技術融為一體。

（1）藍牙4.0版本技術優勢

◆低功耗：在應用模式上采用NOKIA開發的Wibree技術，這是一種專門為移動設備開發的極低功耗的通信技術。

◆覆蓋范圍：相比較于傳統藍牙10m的傳輸距離，藍牙4.0的有效傳輸距離已達到100m。

◆高速率：通過集成“802.11 PAL”（協議適應層），數據傳輸率提高到了大約24Mbps，是藍牙2.0的8倍，能快速經過認證連接。

藍牙4.0標準依舊向下兼容，包含了經典藍牙技術規范和最高速率24Mbps的藍牙高速技術規范，可單獨使用，也可同時運行。低功耗藍牙的網絡拓撲簡單，傳輸距離超過NFC，憑借在手機領域的巨大優勢，將對ZigBee、NFC等技術產生沖擊，未來會有良好的發展前景。

（2）藍牙4.0版本技術的不足

藍牙技術也存在一些不足，比如不需要口令直接訪問，存在安全漏洞，用戶個人信息存在泄漏危險。技術進展緩慢與其他無線技術重疊，并且藍牙芯片價格較高，增加了硬件成本。同時，藍牙傳輸過程中數據包不可能太大。

2.3 Wi-Fi技術

Wi-Fi即IEEE 802.11協議，可以將個人電腦、手機等終端設備以無線方式互相連接，同藍牙、ZigBee技術一樣實現短距離通信，是目前最為流行的一種無線網絡技術。

（1）Wi-Fi技術優勢

◆覆蓋范圍廣：Wi-Fi的覆蓋半徑在室外最大可達300m，在室內有障礙物的情況下最大可達100m，使用交換機可以覆蓋整棟大樓。

◆傳輸速率快：根據不同的標準傳輸速率有所不同，最高可達300Mbps。

◆可靠性高：帶寬根據信號強度、干擾強度等自動調整，以保證網絡通暢。

◆健康安全：IEEE 802.11規定的發射功率不會超過100mW，實際發射功率為60～70mW。

◆門檻低：用戶只需設置熱點，通過高速線路將因特網接入，在該區域的設備都可高速接入，無需耗費資金進行網絡布線，可節省大量成本。

（2）Wi-Fi技術的不足

Wi-Fi的信號工作在2.4GHz的IMS頻段，容易受到干擾，并且隨著節點距離增加而減弱，傳輸速度也隨之降低。在安全性方面，缺少有線網絡的物理結構的保護，不需要申請就可使用無線網絡的頻率。網絡易受到攻擊，安全性有待提高。除此之外，缺乏完善的QoS與商業模式，無線網絡系統對上層業務不開放。同時，功耗大也一直是Wi-Fi技術相對于其他無線通信技術最明顯的劣勢。endprint

3 無線傳感器網絡通信技術標準化現狀

3.1 標準化的進程

各類標準在制定之初協議簡單、功能單一，隨著需求的增加和應用場景的多樣，傳統協議內逐漸增加新的內容。以ZigBee為例，它定義了網絡互連、傳輸和應用規范，然而隨著應用的推廣和產業發展，基本協議已經不能適應需求。為此，不同國家、不同應用以ZigBee協議為基礎推出更多版本，使不同制造商的便捷式設備具有近距離互通的能力，并且具備一定的組網能力。

我國對傳感器發展高度重視，在全國信息技術標準化技術委員會推動下，國內傳感器網絡標準化的工作取得很大進展，新一代寬帶移動無線通信網和《國家中長期科學和技術發展規劃（2006—2020）》都把傳感網列入重點研究領域。目前我國傳感網標準體系已形成初步框架，向國際標準化組織提交的多項標準提案被采納，傳感網標準化工作已經取得積極進展。未來更多地參與國際標準的制定，將會對我國產品的競爭力和技術水平的提升至關重要。

3.2 標準化的挑戰

盡管上述3種無線技術ZigBee、Bluetooth以及Wi-Fi在傳感器網絡中都被廣泛使用，但無線傳感器網絡技術標準所面臨的現狀卻較為困難。大型制造商只采用本陣營的標準，其他標準協議拒絕支持，那么智能生活所體現的智能性將遠低于預期。

造成這種尷尬局面有多種原因：一方面，各種無線技術都有各自的特點、產品應用及適用范圍，從短期來看，技術替代或技術兼容都不現實；另一方面，從市場角度來看，各大設備供應商、系統開發商之間，特別是處于競爭狀態下的產品供應商的標準化問題，將觸及各方的經濟利益，從而使得無線傳感器網絡技術的標準化變得復雜而困難。未來的無線傳感器網絡技術真正需要的是：所有設備都使用同一個標準來通信。這個標準之于智能家電就如同Wi-Fi之于筆記本電腦，但是創建這個標準需要多方面因素促成。

3.3 標準化的方向

現有無線通信標準各自推廣、布局的情況下，各大制造商并未達成一致，無線傳感器設備的互連更加困難，其中智能家居領域受到的影響最大。在目前標準無法統一的情況下，開發商提出了一些比較成熟的解決方案，主要包括以下2種模式：

（1）居間服務

智能家居系統需要在不同廠家的設備之間實現互連，以方便對其有效的控制，實現不同程度的自動化。系統集成商們提供了很多服務案例，比如把多種電器捆綁在一起，實現全面的互連性。這種通過居間服務的形式實現無線傳感器網絡設備之間的通信將是一種雙贏的模式。

如今，供應商在家居自動化方面做出了很多大膽的嘗試，比如出售預制的燈、溫濕度控制器和門禁攝像頭等，將它們整合出售，實現相互通信協作。SmartThings的解決方案是通過一個控制中心和不同類型的傳感器，在家居生活中追蹤及控制各類數字設備，也可以跟使用Z-Wave、ZigBee、Wi-Fi的家電通信。一旦這些家電以無線方式連接在一起，SmartThings就可以實現它們之間的互操作，用戶也可以通過一個智能手機應用訪問它們。其優勢就是不需要用戶關注各種復雜的標準，提升用戶體驗。Arrayent也提供了另一種整合服務：可以幫助零售商組裝希望打包出售的設備，讓這些設備跟連接到互聯網的控制系統同步，以便互相通信。

（2）云服務

云服務的蓬勃發展為無線傳感器網絡提供數據的接入、存儲和處理業務，用戶把終端嵌入到生活場景之后，各類設備將數據上傳到云上，通過調用云端數據并發送指令，在業務和管理方面實現“物與人”相互通信。目前這種技術融合互聯網、廣電網、傳感網等多網資源，各大制造商都在積極打造自己的云服務平臺，已有比較成熟的解決方案，真正實現跨平臺智能控制。未來隨著對智能需求的高漲，能夠實現各標準互連的云平臺運營商的地位將占據核心的位置。

4 結束語

以ZigBee、藍牙和Wi-Fi技術為主的無線傳感器網絡的發展，使得無線傳感器網絡設備產品陸續融入日常生活。目前，各種無線技術都有各自的技術特點、產品應用及適用范圍，從這個角度來看，采用多標準的觀念可能是正確的方向：針對不同用戶群體推出不同標準的產品，便于新技術的普及。然而，隨著人們對智能需求的越來越高，各類設備之間互通顯得尤為重要。目前的解決方案只能針對特定的場景提供有限的服務，一個主流的、開放的通信協議將是解決互聯互通的關鍵技術，設備制造商和應用開發商都在統一、開放的平臺上推廣應用，設備的互聯互通將會變得如同上網一般方便。

參考文獻：

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