第2章物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)及其信息技術(shù)2.1物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

2.2支持物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)

2.3現(xiàn)代網(wǎng)絡通信與物聯(lián)網(wǎng)

2.4無線通信3G與物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展

2.5集成電路：物聯(lián)網(wǎng)的基石

2.6本章小結(jié) 2.1物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

2.1.1物聯(lián)網(wǎng)的工作原理

在物聯(lián)網(wǎng)中，通過安裝智能芯片，利用RFID技術(shù)，讓物品能“開口說話”，告知其他人或物有關(guān)的靜態(tài)、動態(tài)信息。RFID標簽中存儲著規(guī)范且具有互用性的信息(RFID標簽技術(shù)在第3章中介紹)，再通過光電式傳感器、壓電式傳感器、壓阻式傳感器、電磁式傳感器、熱電式傳感器、光導纖維傳感器等傳感裝置，借助有線、無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)自動采集到中央信息系統(tǒng)，實現(xiàn)物品(商品)的識別，進而通過開放性的計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)信息交換和共享，實現(xiàn)對物品的“透明”管理。物聯(lián)網(wǎng)中重要的技術(shù)是RFID技術(shù)，它以RFID系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合已有的網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫、中間件等技術(shù)，構(gòu)筑由大量聯(lián)網(wǎng)的讀寫器和無數(shù)移動的標簽組成的比Internet更為龐大的物聯(lián)網(wǎng)。2.1.2物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)應該具備三個特征：一是全面感知，即利用RFID、傳感器、二維碼等隨時獲取物體的信息；二是可傳遞，通過各種電信網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去；三是智能處理，利用云計算、模糊識別等各種智能計算技術(shù)，對海量數(shù)據(jù)和信息進行分析和處理，對物體實施智能化控制。

1.物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)大致被認為有三個層次：感知層、網(wǎng)絡層和應用層(如圖2-1所示)。圖2-1物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

1)感知層

感知層包括傳感器等數(shù)據(jù)采集設備，以及數(shù)據(jù)接入到網(wǎng)關(guān)之前的傳感器網(wǎng)絡。感知層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應用的基礎(chǔ)，RFID技術(shù)、傳感和控制技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)是感知層涉及的主要技術(shù)，其中又包括芯片研發(fā)、通信協(xié)議研究、RFID材料、智能節(jié)點供電等細分技術(shù)。

2)網(wǎng)絡層

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡層建立在現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上。物聯(lián)網(wǎng)通過各種接入設備與移動通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)相連。如手機付費系統(tǒng)中，由刷卡設備將手機內(nèi)置的RFID信息采集并上傳到互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡層完成后臺鑒權(quán)認證并從銀行網(wǎng)絡劃賬。網(wǎng)絡層中的感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)是實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，它包括傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲、查詢、分析、挖掘、理解及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的理論和技術(shù)。云計算平臺作為海量感知數(shù)據(jù)的存儲、分析平臺，將是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層的重要組成部分，也是應用層眾多應用的基礎(chǔ)。

通信網(wǎng)絡運營商將在物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡層占據(jù)重要地位，而正在高速發(fā)展的云計算平臺將是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)。

3)應用層

物聯(lián)網(wǎng)的應用層利用經(jīng)過分析處理的感知數(shù)據(jù)為用戶提供豐富的特定服務，可分為監(jiān)控型(物流監(jiān)控、污染監(jiān)控)、查詢型(智能檢索、遠程抄表)、控制型(智能交通、智能家居、路燈控制)、掃描型(手機錢包、高速公路不停車收費)等應用類型。

應用層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的目的，軟件開發(fā)、智能控制技術(shù)將會為用戶提供豐富多彩的物聯(lián)網(wǎng)應用。

2.物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)的另一種描述

物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)的另一種描述如圖2-2所示。圖2-2物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)的另一種描述如圖2-2所示，物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)可以分為三個層次：泛在化末端感知網(wǎng)絡(對應感知層)、融合化網(wǎng)絡通信基礎(chǔ)設施(對應網(wǎng)絡層)、普適化應用服務支撐體系(對應應用層)。

1)泛在化末端感知網(wǎng)絡(對應感知層)

泛在化末端感知網(wǎng)絡的主要任務是信息感知。理解泛在化末端感知網(wǎng)絡需要注意以下幾個問題。

(1)“泛在化”的概念。物聯(lián)網(wǎng)的一個重要特征是“泛在化”，即“無處不在”的意思。這里的“泛在化”主要是指無線網(wǎng)絡覆蓋的泛在化，以及無線傳感器網(wǎng)絡、RFID標識與其他感知手段的泛在化。“泛在化”的特征說明兩個問題：第一，全面的信息采集是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)；第二，解決低功耗、小型化與低成本問題是推動物聯(lián)網(wǎng)普及的關(guān)鍵。

(2)“末端感知網(wǎng)絡”的概念?！澳┒司W(wǎng)絡”是相對于中間網(wǎng)絡而言的。在互聯(lián)網(wǎng)中，如果我們訪問異地的另一個網(wǎng)絡時，數(shù)據(jù)需要通過多個互聯(lián)的中間網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)。“末端網(wǎng)絡”是指該網(wǎng)絡處于網(wǎng)絡的末端位置，即只產(chǎn)生數(shù)據(jù)，且通過與之互聯(lián)的網(wǎng)絡傳輸出去，自身并不承擔轉(zhuǎn)發(fā)其他網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的作用。我們可以將“末端感知網(wǎng)絡”類比為物聯(lián)網(wǎng)的末梢神經(jīng)。

(3)感知手段的“泛在化”。除了通常所說的RFID、傳感器是感知網(wǎng)絡的感知節(jié)點外，目前仍然有大量的IC卡、磁卡、一維或二維的條形碼也納入了感知網(wǎng)絡，成為感知節(jié)點。另外，世界各國正在大力研究智能機器人技術(shù)的發(fā)展，以及智能機器人在軍事、防災救災、安全保衛(wèi)、航空航天及其他特殊領(lǐng)域的應用問題。通過網(wǎng)絡來控制裝備有各種傳感器以及由大量具備協(xié)同工作能力的智能機器人節(jié)點組成的機器人集群的研究，正在一步步展示出其有效擴大人類感知世界的能力的應用前景。當智能機器人發(fā)展到廣泛應用的程度，它必然也會進入物聯(lián)網(wǎng)，成為感知網(wǎng)絡的智能感知節(jié)點。我們在理解感知手段的“泛在化”特點時，必須前瞻性地預見到這個問題。

2)融合化網(wǎng)絡通信基礎(chǔ)設施(對應網(wǎng)絡層)

融合化網(wǎng)絡通信基礎(chǔ)設施的主要功能是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。目前能夠用于物聯(lián)網(wǎng)的通信網(wǎng)絡主要有互聯(lián)網(wǎng)、無線通信網(wǎng)與衛(wèi)星通信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)。理解融合化網(wǎng)絡通信基礎(chǔ)設施需要注意以下幾個問題。

(1)三網(wǎng)融合對推進物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡通信基礎(chǔ)設施建設的作用。目前我國正在推進計算機網(wǎng)絡、電信網(wǎng)與有線電視網(wǎng)的三網(wǎng)融合。三網(wǎng)融合將會充分發(fā)揮國家在計算機網(wǎng)絡、電信網(wǎng)與有線電視網(wǎng)基礎(chǔ)設施建設上多年投入的作用，推動網(wǎng)絡應用，也為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了一個高水平的網(wǎng)絡通信基礎(chǔ)設施條件。

(2)互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)在傳輸網(wǎng)層面融合。在互聯(lián)網(wǎng)應用環(huán)境中，用戶通過計算機接入互聯(lián)網(wǎng)時是通過網(wǎng)絡層的IP地址和數(shù)據(jù)鏈路層的硬件地址(網(wǎng)卡)來標識地址的。當用戶要訪問一臺服務器時，只要輸入服務器名，DNS服務器就能夠根據(jù)服務器名找出服務器的IP地址。而在物聯(lián)網(wǎng)中，增加了末端感知網(wǎng)絡與感知節(jié)點標識，因此在互聯(lián)網(wǎng)中傳輸物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)和提供物聯(lián)網(wǎng)服務時，必須增加對應于物聯(lián)網(wǎng)的“地址管理系統(tǒng)”與“標識管理系統(tǒng)”。

(3)M2M通信業(yè)務在物聯(lián)網(wǎng)應用中的作用。中國電信預計未來用于人對人通信的終端可能僅占整個終端市場的1/3，而更大數(shù)量的通信是機器對機器(Machine-to-Machine,M2M)的通信業(yè)務，在此基礎(chǔ)上，中國電信提出了M2M的概念。目前，M2M重點在于機器對機器的無線通信，它有三種模式：機器對機器、機器對移動電話(如用戶遠程監(jiān)視)，以及移動電話對機器(如用戶遠程控制)。由于M2M是無線通信和信息技術(shù)的整合，可雙向通信，如遠距離采集信息、設置參數(shù)和發(fā)送指令，因此M2M技術(shù)可以用于安全監(jiān)測、遠程醫(yī)療、貨物跟蹤、自動售貨機等。M2M通信業(yè)務是目前物聯(lián)網(wǎng)應用中一個重要的通信模式，也是一種經(jīng)濟、可靠的組網(wǎng)方法。

3)普適化應用服務支撐體系(對應應用層)

普適化應用服務支撐體系的主要功能是物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理與應用。理解普適化應用服務支撐體系需要注意以下幾個問題。

(1)物聯(lián)網(wǎng)的智能性與普適化的關(guān)系。物聯(lián)網(wǎng)的一大特征是智能性，主要體現(xiàn)在協(xié)同處理、決策支持以及算法庫和樣本庫的支持上，而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能性必然要涉及海量數(shù)據(jù)的存儲、計算與數(shù)據(jù)挖掘問題。這對于物聯(lián)網(wǎng)應用服務的普適化是一個很大的挑戰(zhàn)。

(2)云計算對實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用服務普適化的作用(關(guān)于云計算的相關(guān)介紹參閱后面章節(jié))。IBM公司研究人員對云計算的定義是：云計算是以公開的標準和服務為基礎(chǔ)，以互聯(lián)網(wǎng)為中心，提供安全、快速、便捷的數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)絡計算服務，讓互聯(lián)網(wǎng)這片“云”成為每一個網(wǎng)民的數(shù)據(jù)中心和計算中心。網(wǎng)格計算之父IanFoster認為：云計算是一種大規(guī)模分布式計算模式，其推動力來自規(guī)?；鶐淼慕?jīng)濟性。在這種模式下，一種抽象的、虛擬化的、可動態(tài)擴展和管理的計算能力、存儲、平臺和服務匯聚成資源池，提供“互聯(lián)網(wǎng)按需交付”給外部用戶。對于云計算的特點，IanFoster總結(jié)為：大規(guī)?？蓴U展性；可以被封裝成一個抽象的實體，并提供不同的服務水平給外部用戶使用；由規(guī)?；瘞淼慕?jīng)濟性；服務可被動態(tài)配置，按需交付。云計算適合于物聯(lián)網(wǎng)的應用，由規(guī)?；瘞淼慕?jīng)濟性對實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用服務的普適化將起到重要的推動作用。

(3)物聯(lián)網(wǎng)應用服務普適化。從目前物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的類型看，大致可以分為政府應用類示范系統(tǒng)、社會應用類示范系統(tǒng)，以及行業(yè)、企業(yè)應用類示范系統(tǒng)等。物聯(lián)網(wǎng)將在公共管理和服務、企業(yè)應用、個人與家庭等三大領(lǐng)域應用，將出現(xiàn)大批應用于工業(yè)生產(chǎn)、精準農(nóng)業(yè)、公共安全監(jiān)控、城市管理、智能交通、安全生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、遠程醫(yī)療、智能家居的物聯(lián)網(wǎng)應用示范系統(tǒng)，這也正體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)應用服務普適化的特點。

3.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

圖2-3給出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2-3物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)示意圖從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)的角度解讀物聯(lián)網(wǎng)，可以將支持物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)分為四個層次：感知技術(shù)、傳輸技術(shù)、支撐技術(shù)與應用技術(shù)。

(1)感知技術(shù)。感知技術(shù)是指能夠用于物聯(lián)網(wǎng)底層感知信息的技術(shù)，它包括RFID與RFID讀寫技術(shù)、傳感器與傳感器網(wǎng)絡、機器人智能感知技術(shù)、遙測遙感技術(shù)以及IC卡與條形碼技術(shù)等。

(2)傳輸技術(shù)。傳輸技術(shù)是指能夠匯聚感知數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，它包括互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、地面無線傳輸技術(shù)以及衛(wèi)星通信技術(shù)等。

(3)支撐技術(shù)。支撐技術(shù)是指用于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理和利用的技術(shù)，它包括云計算與高性能計算技術(shù)、智能技術(shù)、數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、GIS/GPS技術(shù)、通信技術(shù)以及微電子技術(shù)等。

(4)應用技術(shù)。應用技術(shù)是指用于直接支持物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)運行的技術(shù)，它包括物聯(lián)網(wǎng)信息共享交互平臺技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲技術(shù)以及各種行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)。2.1.3物聯(lián)網(wǎng)的工作步驟

物聯(lián)網(wǎng)在實際應用上的開展需要各行各業(yè)的參與，并且需要國家政府的主導及相關(guān)法規(guī)政策的扶助。物聯(lián)網(wǎng)的開展具有規(guī)模性、廣泛參與性、管理性、技術(shù)性等特征。其中，技術(shù)上的問題是物聯(lián)網(wǎng)最關(guān)鍵的問題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一項綜合性的技術(shù)，是一個系統(tǒng)，盡管理論上的研究已經(jīng)在各行各業(yè)展開，但實際應用還僅局限于行業(yè)內(nèi)部。物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃、設計及研發(fā)關(guān)鍵在于RFID、傳感器、嵌入式軟件、數(shù)據(jù)傳輸計算等領(lǐng)域的研究。一般來講，物聯(lián)網(wǎng)的工作步驟主要如下：

(1)對物體屬性進行標識，屬性分為靜態(tài)和動態(tài)兩種，靜態(tài)屬性可以直接存儲在標簽中，動態(tài)屬性需要先由傳感器實時探測。

(2)識別設備對物體屬性進行讀取，并將信息轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式。

(3)將物體的屬性信息通過網(wǎng)絡傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行?處理中心可能是分布式的，如家里的電腦或者手機；也可能是集中式的，如中國移動的IDC)，由處理中心完成物體通信的相關(guān)計算。

2.2支持物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)

2.2.1RFID技術(shù)

RFID技術(shù)和傳感器具有不同的技術(shù)特點，傳感器可以監(jiān)測、感應到各種信息，但缺乏對物品的標識能力，而RFID技術(shù)恰恰具有強大的標識物品能力。盡管RFID也經(jīng)常被描述成一種基于標簽的、并用于識別目標的傳感器，但RFID讀寫器不能實時感應當前環(huán)境的改變，其讀寫范圍受到讀寫器與標簽之間距離的影響。因此提高RFID系統(tǒng)的感應能力，擴大RFID系統(tǒng)的覆蓋能力是亟待解決的問題，而傳感器網(wǎng)絡較長的有效距離將拓展RFID技術(shù)的應用范圍。傳感器、傳感器網(wǎng)絡和RFID技術(shù)都是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，它們的相互融合和系統(tǒng)集成將極大地推動物聯(lián)網(wǎng)的應用。2.2.2無線傳感器網(wǎng)絡

傳感器網(wǎng)絡(SensorNetwork)的概念最早由美國軍方提出，起源于1978年美國國防部高級研究計劃局(DARPA)資助卡耐基梅隆大學進行分布式傳感器網(wǎng)絡的研究項目，當時此概念僅局限于由若干具有無線通信能力的傳感器節(jié)點自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡。隨著近年來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和多種接入網(wǎng)技術(shù)以及智能計算技術(shù)的飛速發(fā)展，2008年2月，ITU-T發(fā)表了《泛在傳感器網(wǎng)絡(UbiquitousSensorNetworks)研究報告》。在報告中，ITU-T指出傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)向泛在傳感器網(wǎng)絡的方向發(fā)展，它是由智能傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡，可以以“任何地點、任何時間、任何人、任何物”的形式被部署。該技術(shù)可以在廣泛的領(lǐng)域中推動新的應用和服務，從安全保衛(wèi)和環(huán)境監(jiān)控到推動個人生產(chǎn)力發(fā)展和增強國家競爭力。由此可見，傳感器網(wǎng)絡已被視為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，如果將智能傳感器的范圍擴展到RFID等其他數(shù)據(jù)采集技術(shù)，從技術(shù)構(gòu)成和應用領(lǐng)域來看，泛在傳感器網(wǎng)絡等同于現(xiàn)在的物聯(lián)網(wǎng)。

在某些場合，無線傳感器網(wǎng)絡(WirelessSenserNetwork，WSN)也被延伸稱之為泛在傳感器網(wǎng)絡。在物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)中，RFID技術(shù)和WSN各有側(cè)重且優(yōu)勢互補。RFID側(cè)重于識別，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標的標識和管理，同時，RFID系統(tǒng)具有讀寫距離有限、抗干擾性差、實現(xiàn)成本較高等不足；WSN側(cè)重于組網(wǎng)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，具有部署簡單、實現(xiàn)成本低廉等優(yōu)點，但一般WSN并不具有節(jié)點標識功能。RFID與WSN可以在兩個不同的層面進行融合：物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下RFID與WSN的融合，如圖2-4所示；傳感器網(wǎng)絡架構(gòu)下RFID與WSN的融合，該架構(gòu)下的融合又分為智能基站、智能節(jié)點、智能傳感標簽三種情況，分別如圖2-5～圖2-7所示。

WSN除了可以與RFID技術(shù)融合外，還可以與其他無線通信技術(shù)相融合，如圖2-8所示。圖2-4物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下RFID與WSN的融合圖2-5智能基站圖2-6智能節(jié)點圖2-7智能傳感標簽圖2-8WSN與其他無線通信技術(shù)的融合2.2.3納米技術(shù)

納米技術(shù)不是物聯(lián)網(wǎng)的專有技術(shù)。目前，納米技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的應用主要體現(xiàn)在RFID設備的微小化設計、感應器設備的微小化設計、加工材料和微納米加工技術(shù)上。

納米技術(shù)是研究尺寸在0.1～100nm的物質(zhì)組成體系的運動規(guī)律和相互作用及可能的實際應用中的技術(shù)的科學，主要包括納米物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米加工學、納米力學等。其中，納米物理學和納米化學是納米科學的理論基礎(chǔ)，而納米電子學是納米科學最重要的內(nèi)容，納米電子技術(shù)也是納米技術(shù)的核心。2.2.4感知技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是將各種信息傳感設備，如RFID裝置、紅外感應器、激光掃描器等與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡，其目的是使所有物品都與網(wǎng)絡連接在一起，方便識別和管理。用一個通俗的比喻來描述物聯(lián)網(wǎng)，即人的眼睛、耳朵、鼻子等好比單個的“傳感器”，一杯牛奶擺在面前，眼睛看到的是杯子，杯子里有白色的液體，鼻子聞到有股奶香味，嘴巴嘗一下有一絲淡淡的甜味，用手再摸一下，感覺有溫度。這些感官的感知綜合在一起，人便得出關(guān)于這一杯牛奶的判斷。假如把牛奶的感知信息上傳至互聯(lián)網(wǎng)，坐在辦公室的人通過網(wǎng)絡便隨時能了解家中牛奶的情況，這就是“傳感網(wǎng)”。在物聯(lián)網(wǎng)中，RFID裝置、紅外感應器、激光掃描器等裝置就猶如人的眼睛、耳朵、鼻子等，可以分別感知外界事物的不同信息。相關(guān)的紅外感應技術(shù)、全球定位技術(shù)、遙感技術(shù)、激光掃描器等可參閱相關(guān)書籍。

2.2.5通信及計算技術(shù)

通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的通信工具，物聯(lián)網(wǎng)的一個重要特征是“泛在化”，因此實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)泛在化特征的基礎(chǔ)是移動通信與無線網(wǎng)絡。

移動通信分類方法主要有三種：按設備的使用環(huán)境分類、按服務對象分類、按移動通信系統(tǒng)分類。

1．按設備的使用環(huán)境分類

按設備的使用環(huán)境分類，移動通信主要分為三種類型：陸地移動通信、海上移動通信和航空移動通信。針對特殊使用環(huán)境還有地下隧道與礦井移動通信、水下潛艇移動通信、太空航天移動通信等。

2．按服務對象分類

按照服務對象分類，移動通信可以分為公用移動通信與專用移動通信。通常所說的手機通信就是公用移動通信。專用移動通信是為公安、消防、急救、公路管理、機場管理、海上管理與內(nèi)河航運管理等專業(yè)部門提供服務的。

3．按移動通信系統(tǒng)分類

按移動通信系統(tǒng)分類，移動通信可以分為蜂窩移動通信、專用調(diào)度電話、集群調(diào)度電話、個人無線電話、公用無線電話、移動衛(wèi)星通信等。

(1)蜂窩移動通信：蜂窩移動通信屬于公用、全球性、用戶數(shù)量最大的用戶移動電話網(wǎng)，也是移動通信的主體。

(2)專用調(diào)度電話：專用調(diào)度電話屬于專用的業(yè)務電話系統(tǒng)，可以是單信道的，也可以是多信道的，如公交管理專用調(diào)度電話系統(tǒng)。

(3)集群調(diào)度電話：集群調(diào)度電話可以是城市公安、消防等多個業(yè)務系統(tǒng)共享的一個移動通信系統(tǒng)。它可以根據(jù)各個部門的要求統(tǒng)一設計和建設，集中管理，共享頻道、線路和基站資源，從而節(jié)約了建設資金、頻段資源與維護費用，是專用調(diào)度電話系統(tǒng)發(fā)展的高級階段。

(4)個人無線電話：與蜂窩移動通信、集群調(diào)度電話相比，個人無線電話不需要中心控制設備，一家兩個人各拿一個對講機就可以在近距離范圍內(nèi)實現(xiàn)個人無線通話。

(5)公用無線電話：公用無線電話屬于公共場所(如商場、機場、火車站)使用的無線電話系統(tǒng)。它可以通過撥號接入城市電話系統(tǒng)，只支持工作人員在局部范圍內(nèi)行走過程中使用。

(6)移動衛(wèi)星通信：21世紀通信的重要突破之一是衛(wèi)星通信終端的手持化和個人通信的全球化。通信衛(wèi)星覆蓋全球，手持衛(wèi)星移動電話可以用于地面基站無法覆蓋的山區(qū)、海上，實現(xiàn)船與岸上、船與船之間的通信。這類通信的典型是國際海事衛(wèi)星電話系統(tǒng)。在遇到自然災害，常用的蜂窩移動電話基站受到破壞，普通的手機不能夠通信時，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)就顯示出它獨特的優(yōu)越性。2.2.6普適計算技術(shù)

1．普適計算的基本概念

1991年，美國XeroxPAPC實驗室的MarkWeiser在《ScientificAmerican》上發(fā)表文章《TheComputerforthe21stCentury》，正式提出了普適計算(PervasiveComputing或UbiquitousComputing)的概念。1999年，歐洲研究團體ISTAG提出了環(huán)境智能(AmbientIntelligence)的概念。環(huán)境智能與普適計算的概念類似，研究的方向也比較一致。

理解普適計算概念需要注意以下幾個問題。

(1)普適計算的重要特征是“無處不在”與“不可見”?！盁o處不在”是指隨時隨地訪問信息的能力；“不可見”是指在物理環(huán)境中提供多個傳感器、嵌入式設備、移動設備以及其他任何一種有計算能力的設備，可以在用戶不覺察的情況下進行計算、通信，提供各種服務，最大限度地減少用戶的介入。

(2)普適計算體現(xiàn)了信息空間與物理空間的融合。普適計算是一種建立在分布式計算、能信網(wǎng)絡、移動計算、嵌入式系統(tǒng)、傳感器等技術(shù)基礎(chǔ)上的新型計算模型，它反映出人類對于信息服務需求的提高，具有隨時隨地享受計算資源、信息資源與信息服務的能力，以實現(xiàn)人類生活的物理空間與計算機提供的信息空間的融合。

(3)普適計算的核心是“以人為本”，而不是以計算機為本。普適計算強調(diào)把計算機嵌入到環(huán)境與日常工具中，讓計算機本身從人們的視線中“消失”，從而將人們的注意力拉回到要完成的任務本身。人類活動是普適計算空間中實現(xiàn)信息空間與物理空間融合的紐帶，而實現(xiàn)普適計算的關(guān)鍵是“智能”。

(4)普適計算的重點在于提供面向用戶的、統(tǒng)一的、自適應的網(wǎng)絡服務。普適計算的網(wǎng)絡環(huán)境包括互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)絡、電話網(wǎng)和各種無線網(wǎng)絡；普適計算設備包括計算機、手機、傳感器、汽車、家電等能夠聯(lián)網(wǎng)的設備；普適計算服務內(nèi)容包括計算、管理、控制、信息瀏覽等。

2.普適計算研究的主要問題

普適計算最終的目標是實現(xiàn)物理空間與信息空間的完全融合，這一點和物聯(lián)網(wǎng)非常相似。因此，了解普適計算需要研究的問題，對于理解物聯(lián)網(wǎng)有很大的幫助。要實現(xiàn)普適計算的目標，必須解決以下幾個基本問題。

(1)理論建模。普適計算是建立在多個研究領(lǐng)域基礎(chǔ)上的全新計算模型，因此它具有前所未有的復雜性和多樣性。要進行普適計算系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、部署、評估，保證系統(tǒng)的可用性、可擴展性、可維護性與安全性，就必須研究適應于普適計算“無處不在”的時空特性和“自然透明”的人機交互特性的工作模型。

(2)自然透明的人機交互。普適計算設計的核心是“以人為本”，這就意味著普適計算系統(tǒng)具有人機關(guān)系的和諧性、交互途徑的隱含性、感知通道的多樣性等特點。在普適計算環(huán)境中，交互方式從原來的用戶必須面對計算機，擴展到用戶生活的三維空間。交互方式要符合人的習慣，并且要盡可能地不分散人對工作本身的注意力。

(3)無縫的應用遷移。為了在普適計算環(huán)境中為用戶提供“隨時隨地”、“透明”的數(shù)字化服務，必須解決無縫的應用遷移問題。隨著用戶的移動，一方面伴隨發(fā)生的任務計算必須保持持續(xù)進行，另一方面任務計算應可以靈活、無干擾地移動。無縫的移動即在移動計算的基礎(chǔ)上，著重從軟件體系的角度去解決計算用戶的移動所帶來的軟件流動問題。

(4)上下文感知。普適計算環(huán)境必須具有自適應、自配置、自進化能力，所提供的服務能夠和諧地輔助人的工作，盡可能地減少對用戶工作的干擾，減少用戶對自己的行為方式和對周圍環(huán)境的關(guān)注，將注意力集中于工作本身。上下文感知計算就是要根據(jù)上下文的變化自動地做出相應的改變和配置，為用戶提供適合的服務。普適計算系統(tǒng)必須能夠知道整個物理環(huán)境、計算環(huán)境、用戶狀態(tài)的靜止信息與動態(tài)信息，能夠根據(jù)具體情況采取上下文感知的方式，自主、自動地為用戶提供透明的服務。因此，上下文感知是實現(xiàn)服務自主性、自發(fā)性與無縫應用遷移的關(guān)鍵。

3.普適計算研究的發(fā)展

普適計算的研究方向主要集中在以下幾個方面。

(1)理論模型。普適計算理論模型的研究目前主要集中在兩個方面：層次結(jié)構(gòu)模型、智能影子模型。層次結(jié)構(gòu)模型主要參考計算機網(wǎng)絡的開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型，分為環(huán)境層、物理層、資源層、抽象層與意圖層。也有的學者將模型的層次分為基件層、集成層與普適世界層。智能影子模型是借鑒物理場的概念，將普適計算環(huán)境中的每一個人視為一個獨立的場源，建立對應的體驗場，從而對人與環(huán)境狀態(tài)的變化進行描述。從目前開展的研究情況看，普適計算模型研究的智能空間原型正在從開始相對封閉的一個房間向諸如一個購物中心、一個車間的開放環(huán)境發(fā)展；從對一個人日常生活中每一件事、每一個行為的記錄向大規(guī)模的個人數(shù)字化“記憶”方向發(fā)展。

(2)自然人機交互。自然人機交互的研究主要集中在筆式交互、基于語音的交互和基于視覺的交互。研究涉及用戶存在位置的判斷、用戶身份的識別、用戶視線的跟蹤，以及用戶狀態(tài)、行為、表情的識別等問題。

(3)無縫的應用遷移。無縫的應用遷移的研究主要集中在服務自主發(fā)現(xiàn)、資源動態(tài)綁定、運行現(xiàn)場重構(gòu)等方面。其中，資源動態(tài)綁定包括資源直接移動、資源復制移動、資源遠程引用、重新資源綁定等幾種情況。

(4)上下文感知。上下文感知的研究主要集中在上下文獲取、上下文建模、上下文存儲和管理、上下文推理等方面。在這些問題之中，上下文正確的獲取是基礎(chǔ)。傳感器具有分布性、異構(gòu)性、多態(tài)性等特征，這使得如何采用一種方式去獲取多種傳感器數(shù)據(jù)變得比較困難。目前，RFID已經(jīng)成為上下文感知中最重要的手段，智能手機作為普適計算的一種重要的終端，發(fā)揮著越來越重要的作用。

(5)安全性。普適計算的安全性研究是剛剛開展的研究領(lǐng)域。為了提供智能化、透明的個性化服務，普適計算必須收集大量與人活動相關(guān)的上下文。在普適計算環(huán)境中，個人信息與環(huán)境信息高度結(jié)合，智能數(shù)據(jù)感知設備所采集的數(shù)據(jù)包括環(huán)境與人的信息。人的所作所為，甚至個人感覺、感情都會被數(shù)字化之后再存儲起來。這就使得普適計算中的隱私和信息安全變得越來越重要，也越來越困難。為了適應普適計算環(huán)境隱私保護框架的建立，研究人員提出了六條指導意見：聲明原則、可選擇原則、匿名或假名機制、位置關(guān)系原則、增加安全性以及追索機制。2.2.7云計算技術(shù)

云計算(CloudComputing)是支撐物聯(lián)網(wǎng)的重要計算環(huán)境之一(云計算的相關(guān)內(nèi)容參閱第8章)。了解云計算的基本概念時，需要注意云計算以下幾個主要特點。

(1)云計算是一種新的計算模式。云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算模式，它將計算、數(shù)據(jù)、應用等資源作為服務通過互聯(lián)網(wǎng)提供給用戶。在云計算環(huán)境中，用戶不需要了解“云”中基礎(chǔ)設施的細節(jié)，不必具備相應的專業(yè)知識，也無需直接進行控制，而只需要關(guān)注自己真正需要什么樣的資源，以及如何通過網(wǎng)絡來得到相應的服務。圖2-9給出了云計算工作模式的示意圖。圖2-9云計算工作模式示意圖

(2)云計算是互聯(lián)網(wǎng)計算模式的商業(yè)實現(xiàn)方式。提供資源的網(wǎng)絡稱為“云”。在互聯(lián)網(wǎng)中，成千上萬臺計算機和服務器連接到專業(yè)網(wǎng)絡公司搭建的能進行存儲、計算的數(shù)據(jù)中心形成“云”?！霸啤笨梢岳斫獬苫ヂ?lián)網(wǎng)中的計算機群，這個群可以包括幾萬臺計算機，也可以包括上百萬臺計算機?！霸啤敝械馁Y源在用戶看來是可以無限擴展的。用戶可以使用臺式計算機、筆記本、手機等通過互聯(lián)網(wǎng)接入到數(shù)據(jù)中心，隨時獲取、實時使用、按需擴展計算和存儲資源，按實際使用的資源付費。目前微軟、雅虎、亞馬遜等公司正在建設這樣的“云”。

(3)云計算的優(yōu)點是安全、方便，共享的資源可以按需擴展。云計算提供了可靠、安全的數(shù)據(jù)存儲中心，用戶不用再擔心數(shù)據(jù)丟失、病毒入侵。這種使用方式對于用戶端的設備要求很低。用戶可以使用一臺普通的個人計算機或一部手機就能夠完成需要的訪問與計算。

(4)云計算更適合于中小企業(yè)和低端用戶。由于用戶可以根據(jù)自己的需要按需使用云計算中的存儲與計算資源，因此云計算模式更適用于中小企業(yè)，可以降低中小企業(yè)的產(chǎn)品設計、生產(chǎn)管理、電子商務的成本。

(5)云計算體現(xiàn)了軟件即服務的理念。軟件即服務(SaaS)是21世紀開始興起的、基于互聯(lián)網(wǎng)的軟件應用模式，而云計算恰恰體現(xiàn)了這一理念。云計算通過瀏覽器把程序傳給成千上萬的用戶。從用戶的角度來看，他們將省去在服務器和軟件購買授權(quán)方面的費用；從供應商的角度來看，他們只需要維持一個程序就可以了，降低了運營成本。云計算可以將開發(fā)環(huán)境作為一種服務向用戶提供，使得用戶能夠開發(fā)出更多的互聯(lián)網(wǎng)應用程序。在討論云計算時一般會涉及云計算與網(wǎng)格計算區(qū)別的問題。網(wǎng)格計算出現(xiàn)于20世紀90年代，它是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)應用的發(fā)展而出現(xiàn)的一種專門針對復雜科學計算的新型計算模式。這種計算模式利用互聯(lián)網(wǎng)將分散在不同地理位置的計算機組織成一臺“虛擬的超級計算機”，其中每一臺參與計算的計算機就是一個“節(jié)點”，而成千上萬個節(jié)點就形成了一個“網(wǎng)格”。這種“虛擬的超級計算機”的特點是：計算能力強，并能夠充分利用互聯(lián)網(wǎng)上空閑的計算資源。網(wǎng)格計算是超級計算機與計算機集群的延伸，它的應用主要是針對大型、復雜的科學計算問題，例如DNA等生物信息學的計算問題。這一點是網(wǎng)格計算與云計算的主要區(qū)別。高性能計算、普適計算、云計算與物聯(lián)網(wǎng)、智慧地球成為21世紀研究與發(fā)展的重點，它們將計算變?yōu)橐环N公共設施，以服務租用的模式向用戶提供服務，這些理念擺脫了傳統(tǒng)自建信息系統(tǒng)的模式。未來的網(wǎng)絡應用，從手機、GPS等移動裝置，到搜索引擎、網(wǎng)絡信箱等基本的網(wǎng)絡服務，以及數(shù)字地球中大數(shù)據(jù)的分析、大型物流的跟蹤與規(guī)劃、大型工程設計都可以通過云計算環(huán)境來實現(xiàn)。而高性能計算、普適計算與云計算將成為物聯(lián)網(wǎng)重要的計算環(huán)境。2.2.8數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)

1．數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展

數(shù)據(jù)庫技術(shù)經(jīng)過30余年的研究與發(fā)展，已經(jīng)形成了較為完整的理論體系和應用技術(shù)。目前，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)與其他相關(guān)技術(shù)結(jié)合，已經(jīng)出現(xiàn)了許多新型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫、分布式數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫、并行數(shù)據(jù)庫、演繹數(shù)據(jù)庫、主動數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)倉庫等，形成了許多數(shù)據(jù)庫技術(shù)新的分支和應用。

(1)面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫。面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫采用面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型，是面向?qū)ο蠹夹g(shù)與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型能夠完整地描述現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具有豐富的表達能力。目前，許多關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)已經(jīng)引入并具備了面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的某些特性。

(2)分布式數(shù)據(jù)庫。分布式數(shù)據(jù)庫(DistributedDataBase,DDB)是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)與網(wǎng)絡技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。一個分布式數(shù)據(jù)庫是物理上分散在計算機網(wǎng)絡各節(jié)點上，但邏輯上屬于同一系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集合。它具有局部自治與全局共享性、數(shù)據(jù)的冗余性、數(shù)據(jù)的獨立性、系統(tǒng)的透明性等特點。分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DDBMS)支持分布式數(shù)據(jù)庫的建立、使用與維護，負責實現(xiàn)局部數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)通信、分布式數(shù)據(jù)管理以及數(shù)據(jù)字典管理等功能。分布式數(shù)據(jù)庫在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中將有廣泛的應用前景。

(3)多媒體數(shù)據(jù)庫。多媒體數(shù)據(jù)庫(MultimediaDataBase,MDB)是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)與多媒體技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它以數(shù)據(jù)庫的方式存儲計算機中的文字、圖形、圖像、音頻和視頻等多媒體信息。多媒體數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(MDBMS)是一個支持多媒體數(shù)據(jù)庫的建立、使用與維護的軟件系統(tǒng)，負責實現(xiàn)對多媒體對象的存儲、處理、檢索和輸出等功能。多媒體數(shù)據(jù)庫研究的主要內(nèi)容包括多媒體的數(shù)據(jù)模型、MDBMS的體系結(jié)構(gòu)、多媒體數(shù)據(jù)的存取與組織技術(shù)、多媒體查詢語音、MDB的同步控制以及多媒體數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。

(4)并行數(shù)據(jù)庫。并行數(shù)據(jù)庫(ParallelDataBase，PDB)是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)與并行技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它在并行體系結(jié)構(gòu)的支持下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫操作處理的并行化，以提高數(shù)據(jù)庫的效率。

超級并行機的發(fā)展推動了并行數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展。并行數(shù)據(jù)庫的設計目標是提高大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的查詢與處理效率，而提高效率的途徑不僅是依靠軟件手段，更重要的是依靠硬件的多CPU的并行操作。并行數(shù)據(jù)庫技術(shù)主要研究的內(nèi)容包括：并行數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)、并行數(shù)據(jù)庫、并行操作算法、并行查詢優(yōu)化、并行數(shù)據(jù)庫的物理設計、并行數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)加載和再組織技術(shù)問題。

(5)演繹數(shù)據(jù)庫。演繹數(shù)據(jù)庫(DeductiveDataBase,DeDB)是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)與邏輯理論相結(jié)合的產(chǎn)物，是指具有演繹推理能力的數(shù)據(jù)庫。通常，它用一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和一個規(guī)則管理系統(tǒng)來實現(xiàn)。將推理用的事實數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫中，稱為外延數(shù)據(jù)庫；用邏輯規(guī)則定義要導出的事實，稱為內(nèi)涵數(shù)據(jù)庫。演繹數(shù)據(jù)庫關(guān)鍵要研究如何有效地計算邏輯規(guī)則推理。演繹數(shù)據(jù)庫技術(shù)的主要研究內(nèi)容包括：邏輯理論、邏輯語言、遞歸查詢處理與優(yōu)化算法、演繹數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)等。演繹數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不僅可應用于事務處理等傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫應用領(lǐng)域，而且將在科學研究、工程設計、信息管理和決策支持中表現(xiàn)出優(yōu)勢。

(6)主動數(shù)據(jù)庫。主動數(shù)據(jù)庫(ActiveDataBase，ActiveDB)是相對于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的被動性而言的，它是數(shù)據(jù)庫技術(shù)與人工智能技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)是一個被動的系統(tǒng)，它只能被動地按照用戶所給出的明確請求，執(zhí)行相應的數(shù)據(jù)庫操作，完成某個應用事務。而主動數(shù)據(jù)庫則打破了常規(guī)，它除了具有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的被動服務功能之外，還提供主動服務功能。這是因為在許多實際應用領(lǐng)域，如計算機集成制造系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)中，往往需要數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在某種情況下能夠根據(jù)當前狀態(tài)主動作出反應，執(zhí)行某些操作，向用戶提供所需的信息。主動數(shù)據(jù)庫的目標是提供對緊急情況及時反應的功能，同時又提高數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的模塊化程度。實現(xiàn)該目標的基本方法是采取在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中嵌入“事件—條件—動作”的規(guī)則。當某一事件發(fā)生后引發(fā)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)去檢測數(shù)據(jù)庫當前狀態(tài)是否滿足所設定的條件，若條件滿足則觸發(fā)規(guī)定動作的執(zhí)行。

主動數(shù)據(jù)庫研究的問題主要包括：主動數(shù)據(jù)庫中的知識模型、執(zhí)行模型、事件監(jiān)測和條件檢測方法、事務調(diào)度、安全性和可靠性、體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)效率。

2．數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)集市與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

數(shù)據(jù)倉庫(DataWarehouse，DW)這個術(shù)語是比爾·恩門(BillInmon)在1991年出版的《BuildingtheData’Warehouse》一書中所提出和定義的。目前工商企業(yè)、科研機構(gòu)、政府部門都已積累了海量的、以不同形式存儲的數(shù)據(jù)，要從中發(fā)現(xiàn)有價值的信息、規(guī)律、模式或知識，達到為決策服務的目的，成為十分艱巨的任務。數(shù)據(jù)倉庫是一個在企業(yè)管理和決策中面向主題的、集成的、相對穩(wěn)定的、動態(tài)更新的數(shù)據(jù)集合。應用數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)使系統(tǒng)能夠面向復雜數(shù)據(jù)分析、高層決策支持，提供來自不同的應用系統(tǒng)的集成化數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，為決策者進行全局范圍內(nèi)的戰(zhàn)略決策和長期趨勢分析提供有效的支持。數(shù)據(jù)倉庫采用全新的數(shù)據(jù)組織方式，對大量的原始數(shù)據(jù)進行采集、轉(zhuǎn)換、加工，并按照主題進行重組，提取有用的信息。數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)需提供工具層，包括聯(lián)機分析處理工具、預測分析工具和數(shù)據(jù)挖掘工具。

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是人們長期對數(shù)據(jù)庫技術(shù)進行研究和開發(fā)的成果。起初各種商業(yè)數(shù)據(jù)是存儲在計算機的數(shù)據(jù)庫中的，然后發(fā)展到可對數(shù)據(jù)庫進行查詢和訪問，進而發(fā)展到對數(shù)據(jù)庫的即時遍歷。數(shù)據(jù)挖掘使數(shù)據(jù)庫技術(shù)進入了一個更高級的階段，它不僅能對過去的數(shù)據(jù)進行查詢和遍歷，并且能夠找出過去數(shù)據(jù)之間的潛在聯(lián)系，從而促進信息的傳遞。隨著海量數(shù)據(jù)搜集、大型并行計算機與數(shù)據(jù)挖掘算法的日趨成熟，數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘的研究與應用已經(jīng)成為當前計算機應用領(lǐng)域一個重要的方向。并行數(shù)據(jù)庫、演繹數(shù)據(jù)庫、主動數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)集市技術(shù)已經(jīng)進入了普適計算研究的范圍，其研究成果對于物聯(lián)網(wǎng)的應用有著重要的借鑒作用。

2.2.9人工智能技術(shù)

1．人工智能的基本概念

人工智能(ArtificialIntelligence)是計算機科學、控制論、信息論、神經(jīng)生理學、心理學、語言學等多種學科高度發(fā)展、緊密結(jié)合、互相滲透而發(fā)展起來的一門交叉學科，其誕生的時間可追溯到20世紀50年代中期。人工智能研究的目標是：如何使計算機能夠?qū)W會運用知識，像人類一樣完成具有智能的工作。

2．人工智能技術(shù)的研究與應用

當前人工智能技術(shù)的研究與應用主要集中在以下幾個方面。

(1)自然語言理解。自然語言理解的研究開始于20世紀60年代初，它是研究用計算機模擬人的語言的交互過程，使計算機能理解和運用人類社會的自然語言(如漢語、英語等)，實現(xiàn)人機之間的通信，以幫助人類查詢資料、解答問題、摘錄文獻、匯編資料，以及一切有關(guān)自然語言信息的加工處理。自然語言理解的研究涉及計算機科學、語言學、心理學、邏輯學、聲學、數(shù)學等學科。自然語言理解分為語音理解和書面理解兩個方面。語音理解是用口語語音輸入，使計算機“聽懂”人類的語言，用文字或語音合成方式輸出應答。由于理解自然語言涉及對上下文背景知識的處理，同時需要根據(jù)這些知識進行一定的推理，因此實現(xiàn)功能較強的語音理解系統(tǒng)仍是一個比較艱巨的任務。目前人工智能研究中，在理解有限范圍的自然語言對話和理解用自然語言表達的小段文章或故事方面的軟件已經(jīng)取得了較大進展。

書面語言理解是將文字輸入到計算機，使計算機“看懂”文字符號，并用文字輸出應答。書面語言理解又叫做光學字符識別(OpticalCharacterRecognition，OCR)技術(shù)。OCR技術(shù)是指用掃描儀等電子設備獲取紙上打印的字符，通過檢測和字符比對的方法，翻譯并顯示在計算機屏幕上。書面語言理解的對象可以是印刷體或手寫體，目前已經(jīng)進入廣泛應用的階段，包括手機在內(nèi)的很多電子設備都成功地使用了OCR技術(shù)。

(2)數(shù)據(jù)庫的智能檢索。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是存儲某個學科大量事實的計算機系統(tǒng)。隨著應用的進一步發(fā)展，存儲信息量越來越龐大，因此解決智能檢索的問題便具有實際意義。將人工智能技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)結(jié)合起來，建立演繹推理機制，變傳統(tǒng)的深度優(yōu)先搜索為啟發(fā)式搜索，從而有效地提高了系統(tǒng)的效率，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫智能檢索。智能信息檢索系統(tǒng)應具有如下功能：能理解自然語言，允許用自然語言提出各種詢問；具有推理能力，能根據(jù)存儲的事實演繹出所需的答案；系統(tǒng)擁有一定的常識性知識，以補充學科范圍的專業(yè)知識，系統(tǒng)根據(jù)這些常識將能演繹出一般詢問的一些答案。

(3)專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)是人工智能中最重要的，也是最活躍的一個應用領(lǐng)域，它實現(xiàn)了人工智能從理論研究走向?qū)嶋H應用，從一般推理策略探討轉(zhuǎn)向運用專門知識的重大突破。專家系統(tǒng)是一個智能計算機程序系統(tǒng)，該系統(tǒng)存儲有大量的、按某種格式表示的特定領(lǐng)域?qū)＜抑R構(gòu)成的知識庫，并且具有類似于專家解決實際問題的推理機制，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法模擬人類專家來處理該領(lǐng)域問題。同時，專家系統(tǒng)應該具有自學能力。專家系統(tǒng)的開發(fā)和研究是人工智能研究中面向?qū)嶋H應用的課題，受到極大重視，已經(jīng)開發(fā)的系統(tǒng)涉及醫(yī)療、地質(zhì)、氣象、交通、教育、軍事等領(lǐng)域。目前專家系統(tǒng)主要采用基于規(guī)則的演繹技術(shù)，開發(fā)專家系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是知識表示、應用和獲取技術(shù)，困難在于許多領(lǐng)域中專家的知識往往是瑣碎的、不精確的或不確定的，因此目前研究仍集中在這一核心課題上。此外對專家系統(tǒng)開發(fā)工具的研制發(fā)展也很迅速，這對擴大專家系統(tǒng)的應用范圍，加快專家系統(tǒng)的開發(fā)過程起到了積極的作用。

(4)定理證明。把人證明數(shù)學定理和日常生活中的演繹推理變成一系列能在計算機上自動實現(xiàn)的符號演算的過程和技術(shù)稱為機器定理證明和自動演繹。機器定理證明是人工智能的重要研究領(lǐng)域，它的成果可應用于問題求解、程序驗證和自動程序設計等方面。數(shù)學定理證明的過程盡管每一步都很嚴格，但決定采取什么樣的證明步驟，依賴于經(jīng)驗、直覺、想象力和洞察力，需要人的智能。因此，數(shù)學定理的機器證明和其他類型的問題求解，就成為人工智能研究的起點。

(5)博弈。計算機博弈(或機器博弈)是讓計算機學會人類的思考過程，能夠像人一樣下棋。計算機博弈有兩種方式：一是計算機和計算機之間對抗，二是計算機和人之間對抗。

20世紀60年代出現(xiàn)了西洋跳棋和國際象棋的程序，并達到了大師級的水平。進入20世紀90年代后，IBM公司以其雄厚的硬件基礎(chǔ)支持開發(fā)后來被稱之為“深藍”的國際象棋系統(tǒng)，并為此開發(fā)了專用的芯片，以提高計算機的搜索速度。IBM公司負責“深藍”研制開發(fā)項目的是兩位華裔科學家譚崇仁博士和許峰雄博士。1996年2月，“深藍”與國際象棋世界冠軍卡斯帕羅夫進行了第一次比賽，經(jīng)過6個回合的比賽之后，“深藍”以2∶4告負。

博弈問題也為搜索策略、機器學習等問題的研究提供了很好的實際應用背景，它所產(chǎn)生的概念和方法對人工智能其他問題的研究也有重要的借鑒意義。

(6)自動程序設計。自動程序設計是指采用自動化手段進行程序設計的技術(shù)和過程，也是實現(xiàn)軟件自動化的技術(shù)。研究自動程序設計的目的是提高軟件生產(chǎn)效率和軟件產(chǎn)品質(zhì)量。

自動程序設計的任務是設計一個程序系統(tǒng)，它接收關(guān)于所設計的程序要求實現(xiàn)某個目標的非常高級的描述作為其輸入，然后自動生成一個能完成這個目標的具體程序。自動程序設計具有多種含義。按廣義的理解，自動程序設計是盡可能借助計算機系統(tǒng)，特別是自動程序設計系統(tǒng)完成軟件開發(fā)的過程。按狹義的理解，自動程序設計是從形式的軟件功能規(guī)格說明到可執(zhí)行的程序代碼這一過程的自動化。因而自動程序設計所涉及的基本問題與定理證明和機器人學有關(guān)，要用到人工智能的方法來實現(xiàn)，它也是軟件工程和人工智能相結(jié)合的課題。

(7)組合調(diào)度問題。許多實際問題都屬于確定最佳調(diào)度或最佳組合的問題，例如互聯(lián)網(wǎng)中的路由優(yōu)化問題，物流公司要為物流確定一條最短的運輸路線等。這類問題的實質(zhì)是在由幾個節(jié)點組成的一個圖的各條邊中尋找一條最小耗費的路徑，使得這條路徑只經(jīng)過每一個節(jié)點一次。在大多數(shù)這類問題中，隨著求解節(jié)點規(guī)模的增大，求解程序面臨的困難程度按指數(shù)方式增長。人工智能研究者研究過多種組合調(diào)度方法，使“時間—問題大小”曲線的變化盡可能緩慢，為很多類似的路徑優(yōu)化問題找出最佳的解決方法。

(8)感知問題。視覺與聽覺都是感知問題。計算機對攝像機輸入的視頻信息以及話筒輸入的聲音信息的處理的最有效方法應該是建立在“理解”能力的基礎(chǔ)上，使計算機具有視覺和聽覺。其中，機器視覺的前沿研究領(lǐng)域包括實時并行處理、主動式定性視覺、動態(tài)和時變視覺、三維景物的建模與識別、實時圖像壓縮傳輸和復原、多光譜和彩色圖像的處理與解釋等。機器視覺已在機器人裝配、衛(wèi)星圖像處理、工業(yè)過程監(jiān)控、飛行器跟蹤和制導以及電視實況轉(zhuǎn)播等領(lǐng)域獲得極為廣泛的應用。2.2.10嵌入式技術(shù)

1．嵌入式技術(shù)與環(huán)境智能化

嵌入式系統(tǒng)(EmbeddedSystem)的概念在工程科學中是一個沿用了很久的概念。嵌入式系統(tǒng)也稱嵌入式計算機系統(tǒng)，它是針對特定的應用，剪裁計算機的軟件和硬件，以適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗的嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)將計算與控制的概念聯(lián)系在一起，并嵌入到物理系統(tǒng)之中，以實現(xiàn)“環(huán)境智能化”的目的。據(jù)統(tǒng)計，將有98%的計算設備工作在嵌入式系統(tǒng)中。在我們周圍的世界中，小到兒童玩具、家用電器，大到航天飛機，微處理器芯片無處不在。嵌入式系統(tǒng)通過采集和處理來自不同感知源的信息，實現(xiàn)對物理過程的控制以及與用戶的交互。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)是實現(xiàn)環(huán)境智能化的基礎(chǔ)性技術(shù)，而無線傳感器網(wǎng)絡是在嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)上實現(xiàn)環(huán)境智能化的重要研究領(lǐng)域。

2．嵌入式計算機系統(tǒng)的特點

從計算機技術(shù)發(fā)展的角度分析嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，可以看到嵌入式系統(tǒng)的有以下幾個主要特點。

(1)微型機應用和微處理器芯片技術(shù)的發(fā)展為嵌入式系統(tǒng)研究奠定了基礎(chǔ)。早期的計算機體積大、耗電多，且只能安裝在計算機機房中使用。微型機的出現(xiàn)使得計算機進入了個人計算與便攜式計算的階段。而微型機的小型化得益于微處理器芯片技術(shù)的發(fā)展。微型機應用技術(shù)的發(fā)展、微處理器芯片的可定制、軟件技術(shù)的發(fā)展都為嵌入式系統(tǒng)的誕生創(chuàng)造了條件、奠定了基礎(chǔ)。

(2)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展適應了智能控制的需求。計算機系統(tǒng)可以分為兩大并行發(fā)展的分支：通用計算機系統(tǒng)與嵌入式計算機系統(tǒng)。通用計算機系統(tǒng)的發(fā)展適應了大數(shù)據(jù)量、復雜計算的需求。而生活中的大量的電器設備，如PDA、手機、汽車控制器、工業(yè)控制器、機器人、醫(yī)療設備中的智能控制，都對作為其內(nèi)部控制部分的功能、體積、耗電有特殊的要求，這種特殊的設計要求是推動定制小型、嵌入式計算機系統(tǒng)發(fā)展的動力。

(3)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展促進了適應特殊要求的微處理器芯片、操作系統(tǒng)、軟件編程語言與體系結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展。由于嵌入式系統(tǒng)要適應PDA、手機、汽車控制器、工業(yè)控制器、物聯(lián)網(wǎng)端系統(tǒng)與醫(yī)療設備中不同的智能控制功能、性能、可靠性與體積等方面的要求，而傳統(tǒng)的通用計算機的體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編程語言都不能適應嵌入式系統(tǒng)的要求，因此研究人員必須為嵌入式系統(tǒng)研究特殊要求的微處理器芯片、嵌入式操作系統(tǒng)與嵌入式軟件編程語言。

(4)嵌入式系統(tǒng)的研究呈現(xiàn)出多學科交叉融合的特點。由于嵌入式系統(tǒng)是PDA、手機、汽車控制器、工業(yè)控制器、機器人或醫(yī)療設備中有特殊要求的定制計算機系統(tǒng)，因此如果要完成一項用于機器人控制的嵌入式計算機系統(tǒng)的開發(fā)任務，只有通用計算機的設計與編程能力是不夠的，研究開發(fā)團隊必須由計算機、機器人、電子學等多方面的技術(shù)人員參加。目前在實際工作中，從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)人員主要有兩類：一類是電子工程、通信工程專業(yè)的技術(shù)人員，他們主要完成硬件設計，開發(fā)與底層硬件關(guān)系密切的軟件；另一類是計算機與軟件專業(yè)的技術(shù)人員，主要從事嵌入式操作系統(tǒng)和應用軟件的開發(fā)。同時具備硬件設計能力、底層硬件驅(qū)動程序、嵌入式操作系統(tǒng)與應用程序開發(fā)能力的復合型人才是社會急需的人才。

3．嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的過程

嵌入式系統(tǒng)從20世紀70年代出現(xiàn)以來，發(fā)展至今已經(jīng)有30多年的歷史。嵌人式系統(tǒng)大致經(jīng)歷了四個發(fā)展階段。

(1)第一階段是以可編程控制器系統(tǒng)為核心的研究階段。嵌入式系統(tǒng)最初的應用是基于單片機的，大多以可編程控制器的形式出現(xiàn)，具有監(jiān)測、設備指示等功能，通常應用于各類工業(yè)控制和飛機、導彈等武器裝備中，一般沒有操作系統(tǒng)的支持，只能通過匯編語言對系統(tǒng)進行直接控制，運行結(jié)束后再清除內(nèi)存。這些裝置雖然已經(jīng)初步具備了嵌入式的應用特點，但僅僅只是使用8位的CPU芯片來執(zhí)行一些單線程的程序，因此嚴格地說還談不上“系統(tǒng)”的概念。

(2)第二階段是以嵌入式中央處理器CPU為基礎(chǔ)，以簡單操作系統(tǒng)為核心的階段。這一階段嵌入式系統(tǒng)的主要特點是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，幾乎沒有用戶接口。由于這種嵌入式系統(tǒng)使用簡便、價格低廉，因而曾經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了非常廣泛的應用，但卻無法滿足現(xiàn)今對執(zhí)行效率、存儲容量都有較高要求的信息家電等的需要。

(3)第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標志的階段。20世紀80年代，隨著微電子工藝水平的提高，集成電路制造商開始把嵌入式應用中所需要的微處理器、I/O接口、串行接口，以及RAM、ROM等部件統(tǒng)統(tǒng)集成到一片VLSI中，制造出面向I/O設計的微控制器，并在嵌入式系統(tǒng)中廣泛應用。與此同時，嵌入式系統(tǒng)的程序員也開始基于一些簡單的操作系統(tǒng)開發(fā)嵌入式應用軟件，大大縮短了開發(fā)周期，提高了開發(fā)效率。這一階段嵌入式系統(tǒng)的主要特點是：出現(xiàn)了大量高可靠性、低功耗的嵌入式CPU；各種簡單的嵌入式操作系統(tǒng)開始出現(xiàn)并得到迅速發(fā)展。此時的嵌入式操作系統(tǒng)雖然還比較簡單，但已經(jīng)具有了一定的兼容性和擴展性，內(nèi)核精巧且效率高，主要用來控制系統(tǒng)負載以及監(jiān)控應用程序的運行。嵌入式系統(tǒng)能夠運行在不同類型的處理器上，模塊化程度高，具有圖形窗口和應用程序接口的特點。

(4)第四階段是基于網(wǎng)絡操作的嵌入式系統(tǒng)發(fā)展階段。20世紀90年代，在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統(tǒng)進一步飛速發(fā)展，而面向?qū)崟r信號處理算法的DSP產(chǎn)品則向著高速度、高精度、低功耗的方向發(fā)展。隨著硬件實時性要求的提高，嵌入式系統(tǒng)的軟件規(guī)模也不斷擴大，逐漸形成了實時多任務操作系統(tǒng)(RTOS)，并開始成為嵌入式系統(tǒng)的主流。這一階段嵌入式系統(tǒng)的主要特點是：操作系統(tǒng)的實時性得到了很大改善，已經(jīng)能夠運行在各種不同類型的微處理器上，具有高度的模塊化和擴展性。此時的嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)具備了文件和目錄管理、設備管理、多任務、網(wǎng)絡、圖形用戶界面等功能，并提供了大量的應用程序接口，從而使得應用軟件的開發(fā)變得更加簡單。隨著互聯(lián)網(wǎng)應用的進一步發(fā)展，以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等的日益緊密結(jié)合，嵌入式設備與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合、物聯(lián)網(wǎng)終端系統(tǒng)成為嵌入式技術(shù)未來的研究與應用重點。

2.3現(xiàn)代網(wǎng)絡通信與物聯(lián)網(wǎng)

2.3.1無線網(wǎng)絡與物聯(lián)網(wǎng)

20世紀90年代末，隨著傳感器、無線通信、嵌入式計算、微機電(Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS)、集成電路、分布式信息處理與人工智能等新興技術(shù)的發(fā)展與融合，以及新材料、新工藝的出現(xiàn)，傳感器技術(shù)向微型化、無線化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化方向迅速發(fā)展。由此研制出了各種具有感知、通信與計算功能的智能微型傳感器。由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的微型傳感器節(jié)點構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡，通過無線通信方式智能組網(wǎng)，形成一個自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，具有信號采集、實時監(jiān)測、信息傳輸、協(xié)同處理、信息服務等功能，能感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的各種信息，并將處理后的信息傳遞給用戶。它可以廣泛應用于軍事、科研、環(huán)境、交通、醫(yī)療、制造、反恐、抗災、家居等領(lǐng)域。

基于射頻識別(RadioFrequencyIDentification，RFID)的無線傳感器網(wǎng)絡，是目前最主要的一種無線傳感器網(wǎng)絡類型。射頻識別是一種利用無線射頻方式在讀寫器和電子標簽之間進行非接觸的雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達到目標識別和數(shù)據(jù)交換目的的技術(shù)。它能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，將客觀世界的物理信號轉(zhuǎn)換成電信號，從而實現(xiàn)物理世界、計算機世界以及人類社會的交流。2.3.2無線局域網(wǎng)與協(xié)議

1．802.11協(xié)議

802.11是IEEE最初制定的一個無線局域網(wǎng)標準，主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶與用戶終端的無線接入，限于數(shù)據(jù)存取，其速率最高只能達到2Mb/s。由于它在速率和傳輸距離上都不能滿足人們的需要，因此，IEEE隨后又相繼推出了802.11b和802.11a兩個新標準，2001年11月，第三個新標準802.11g面世。盡管目前802.11a和802.11g倍受業(yè)界關(guān)注，但從實際應用上來講，802.11b已成為無線局域網(wǎng)的主流標準，被多數(shù)廠商所采用，并且已經(jīng)有成熟的無線產(chǎn)品推向市場。目前，802.11b無線局域網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在美國得到了廣泛的應用，并進入了寫字間、飯店、咖啡廳和候機室等場所。沒有集成無線網(wǎng)卡的筆記本電腦用戶只需插進一張PCMCIA卡或USB卡，便可通過無線局域網(wǎng)連到因特網(wǎng)。在國內(nèi)，支持802.11b無線局域網(wǎng)協(xié)議的產(chǎn)品不僅全面上市，而且像IBM還特別為用戶和專業(yè)人士搭建了“體驗中心”，讓用戶和媒體可以親身體驗無線局域網(wǎng)的便利和高效。

2．藍牙標準

藍牙技術(shù)是一種用于替代便攜或固定電子設備上使用的電纜或連線的短距離無線連接技術(shù)。其設備使用全球通行的、無需申請許可的2.45GHz頻段，可實時進行數(shù)據(jù)和語音傳輸，其傳輸速率可達到10Mb/s，在支持3個話音頻道的同時還支持高達723.2kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。如在辦公室、家庭和旅途中，無需在任何電子設備間布設專用線纜和連接器，通過藍牙遙控裝置就可以形成一點到多點的連接，即在該裝置周圍組成一個“微網(wǎng)”，網(wǎng)內(nèi)任何藍牙收發(fā)器都可與該裝置互通信號。而且，這種連接無需復雜的軟件支持。藍牙收發(fā)器的一般有效通信范圍為10m，強的可以達到100m左右。由于藍牙在無線傳輸距離上的限定，它和個人網(wǎng)絡通信用品有著不解之緣。因此，生產(chǎn)藍牙產(chǎn)品的廠商除了網(wǎng)絡集成廠商和傳統(tǒng)PC廠商以外，還包括很多移動電話廠商。近年來，隨著全球無線市場的不斷擴大，藍牙手機成為移動電話用戶的新寵。

3．HomeRF工業(yè)標準

HomeRF是由HomeRF工作組開發(fā)的，適合家庭區(qū)域范圍內(nèi)，在PC和用戶電子設備之間實現(xiàn)無線數(shù)字通信的開放性工業(yè)標準。作為無線技術(shù)方案，它代替了需要鋪設昂貴傳輸線的有線家庭網(wǎng)絡，為網(wǎng)絡中的設備(如筆記本電腦)和Internet應用提供了漫游功能。

在美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)正式批準HomeRF標準之前，HomeRF工作組已為在家庭范圍內(nèi)實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)的無線通信制定出一個規(guī)范，這就是共享無線訪問協(xié)議(SWAP)。

SWAP規(guī)范定義了一個新的通用空中接口，此接口支持家庭范圍內(nèi)語音、數(shù)據(jù)的無線通信。用戶使用符合SWAP規(guī)范的電子產(chǎn)品可實現(xiàn)如下功能：在PC的外設、無繩電話等設備之間建立一個無線網(wǎng)絡，以共享語音和數(shù)據(jù)；在家庭區(qū)域范圍內(nèi)的任何地方，可以利用便攜式微型顯示設備瀏覽Internet；在PC和其他設備之間共享同一個ISP連接；家庭中的多個PC可共享文件、調(diào)制解調(diào)器和打印機；前端智能導入電話機可呼叫多個無繩電話聽筒、傳真機和語音信箱；從無繩電話聽筒可以再現(xiàn)導入的語音、傳真和E-mail信息；將一條簡單的語音命令輸入PC無繩電話聽筒，便可以啟動其他家庭電子系統(tǒng)；可實現(xiàn)基于PC或Internet的“多玩家”游戲等。

SWAP規(guī)范問世以后，除了擴展高性能、多波段無繩電話技術(shù)以外，還極大地促進了低成本無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展。但是，HomeRF占據(jù)了與802.11b和Bluetooth相同的2.4?G頻率段，并且在功能上過于局限家庭應用，再考慮到802.11b在辦公領(lǐng)域已取得的地位，今后的發(fā)展還未可知。

2.3.3IPv6技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)豐富的應用和龐大的節(jié)點規(guī)模既帶來了商業(yè)上的巨大潛力，同時也帶來了技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

首先，物聯(lián)網(wǎng)由眾多節(jié)點連接構(gòu)成，無論是采用自組織方式，還是采用現(xiàn)有的公眾網(wǎng)進行連接，這些節(jié)點之間的通信必然牽涉到尋址問題。目前，物聯(lián)網(wǎng)的尋址系統(tǒng)可以采用兩種方式：一種方式是采用基于E.164電話號碼編址的尋址方式，但由于目前大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應用的網(wǎng)絡通信協(xié)議是TCP/IP協(xié)議，電話號碼編址的方式必然需要對電話號碼和IP地址進行轉(zhuǎn)換，這既增加了技術(shù)實現(xiàn)的難度，也增加了成本，同時由于E.164編址體系本身的地址空間較小，無法滿足大量節(jié)點的地址需求；另一種方式是直接采用IPv4地址的尋址體系來進行物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的尋址，但隨著互聯(lián)網(wǎng)本身的快速發(fā)展，IPv4的地址已經(jīng)日漸匱乏，從目前的地址消耗速度來看，IPv4地址空間已經(jīng)很難再滿足物聯(lián)網(wǎng)對網(wǎng)絡地址的龐大需求。而且物聯(lián)網(wǎng)對海量地址的需求，也對地址分配方式提出了要求。海量地址的分配無法使用手工分配，而使用傳統(tǒng)的DHCP分配方式對網(wǎng)絡中的DHCP服務器又提出了極高的性能和可靠性要求，可能造成DHCP服務器性能不足，成為網(wǎng)絡應用的一個瓶頸。其次，目前互聯(lián)網(wǎng)的移動性不足也造成了移動能力的瓶頸。IPv4協(xié)議在設計之初并沒有充分考慮到節(jié)點移動性帶來的路由問題，即當一個節(jié)點離開了它原有的網(wǎng)絡，如何再保證這個節(jié)點訪問可達性的問題。由于IP網(wǎng)絡路由的聚合特性，在網(wǎng)絡路由器中，路由條目都是按子網(wǎng)進行匯聚的，當節(jié)點離開原有網(wǎng)絡，其原來的IP地址離開了該子網(wǎng)，當節(jié)點移動到目的子網(wǎng)后，網(wǎng)絡路由器設備的路由表中并沒有該節(jié)點的路由信息(為了不破壞全網(wǎng)路由的匯聚，也不允許目的子網(wǎng)中存在移動節(jié)點的路由)，會導致外部節(jié)點無法找到移動后的節(jié)點。因此，如何支持節(jié)點的移動能力是需要通過特殊機制實現(xiàn)的。在IPv4中，IETF(互聯(lián)網(wǎng)工程任務組)提出了通過MIPv4移動IP機制來支持節(jié)點的移動，但這樣的機制引入了著名的三角路由問題，對于少量節(jié)點的移動，該問題引起的網(wǎng)絡資源損耗較小，而對于大量節(jié)點的移動，特別是物聯(lián)網(wǎng)中特有的節(jié)點群移動和層移動，會導致網(wǎng)絡資源被迅速耗盡，使網(wǎng)絡處于癱瘓的狀態(tài)。

再次，網(wǎng)絡質(zhì)量保證也是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中必須解決的問題。目前，IPv4網(wǎng)絡中實現(xiàn)QoS有兩種技術(shù)：一是采用資源預留的方式，利用RSVP等協(xié)議為數(shù)據(jù)流保留一定的網(wǎng)絡資源，在數(shù)據(jù)包傳送過程中保證其傳輸?shù)馁|(zhì)量；二是采用Diffserv技術(shù)，由IP包自身攜帶優(yōu)先級標記，網(wǎng)絡設備根據(jù)這些優(yōu)先級標記來決定包的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先策略。目前，IPv4網(wǎng)絡中QoS的劃分基本是從流的類型出發(fā)，使用Diffserv來實現(xiàn)端到端的QoS保證。例如，視頻業(yè)務有低丟包、時延、抖動的要求，就給它分配較高的QoS等級；數(shù)據(jù)業(yè)務對丟包、時延、抖動不敏感，就分配較低的QoS等級。這樣的分配方式僅考慮了業(yè)務的網(wǎng)絡層質(zhì)量需求，沒有考慮業(yè)務的應用層的質(zhì)量需求。例如，一個普通視頻業(yè)務對QoS的需求可能比一個基于物聯(lián)網(wǎng)傳感的手術(shù)應用對QoS的需求要低。因此，物聯(lián)網(wǎng)中的QoS保障必須與具體的應用相結(jié)合。最后，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的安全性和可靠性也需要重新考慮。由于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點限于成本約束，很多都是基于簡單硬件，不可能處理復雜的應用層加密算法，同時，單節(jié)點的可靠性也不可能做得很高，其可靠性主要還是依靠多節(jié)點冗余來保證。因此，靠傳統(tǒng)的應用層加密技術(shù)和網(wǎng)絡冗余技術(shù)很難滿足物聯(lián)網(wǎng)的需求。

為了走出以上物聯(lián)網(wǎng)的各種網(wǎng)絡困境，研究者提出了基于IPv6技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決方案，該方案包括IPv6地址技術(shù)、IPv6移動性技術(shù)、IPv6服務質(zhì)量(QoS)技術(shù)、IPv6安全性與可靠性技術(shù)。

(1)IPv6地址技術(shù)。IPv6擁有巨大的地址空間，同時，128位的IPv6地址被劃分成兩部分，即地址前綴和接口地址。與IPv4地址劃分不同的是，IPv6地址的劃分嚴格按照地址的位數(shù)來進行，而不采用IPv4中的子網(wǎng)掩碼來區(qū)分網(wǎng)絡號和主機號。IPv6地址的前64位被定義為地址前綴，地址前綴用來表示該地址所屬的子網(wǎng)絡，即地址前綴用來在整個IPv6網(wǎng)中進行路由，而地址的后64位被定義為接口地址，接口地址用來在子網(wǎng)絡中標識節(jié)點。在物聯(lián)網(wǎng)應用中，可以使用IPv6地址中的接口地址來標識節(jié)點，在同一子網(wǎng)絡下，可以標識264個節(jié)點，這個標識空間約有185億億個地址空間，這樣的地址空間完全可以滿足節(jié)點標識的需要。

IPv6采用無狀態(tài)地址分配的方案來解決高效率海量地址分配的問題。其基本思想是：網(wǎng)絡層不管IPv6地址的狀態(tài)，包括節(jié)點應該使用什么樣的地址、地址的有效期有多長，且基本不參與地址的分配過程。節(jié)點設備連接到網(wǎng)絡中后，將自動選擇接口地址(通過算法生成IPv6地址的后64位)，并加上前綴地址FE80，作為節(jié)點的本地鏈路地址，本地鏈路地址只在節(jié)點與鄰居之間的通信中有效，路由器設備將不路由以該地址為源地址的數(shù)據(jù)包。在生成本地鏈路地址后，節(jié)點將進行地址沖突檢測(DAD)，檢測該接口地址是否有鄰居節(jié)點已經(jīng)使用，如果節(jié)點發(fā)現(xiàn)地址沖突，則無狀態(tài)地址分配過程終止，節(jié)點將等待手工配置IPv6地址；如果在檢測定時器超時后仍沒有發(fā)現(xiàn)地址沖突，則節(jié)點認為該接口地址可以使用，此時，終端將發(fā)送路由器前綴通告請求，尋找網(wǎng)絡中的路由設備，當網(wǎng)絡中配置的路由設備接收到該請求，則發(fā)送地址前綴通告響應，將節(jié)點應該配置的IPv6地址前64位的地址前綴通告給網(wǎng)絡節(jié)點，網(wǎng)絡節(jié)點將地址前綴與接口地址組合，構(gòu)成節(jié)點自身的全球IPv6地址。

采用無狀態(tài)地址分配之后，在網(wǎng)絡層不再需要保存節(jié)點的地址狀態(tài)，這大大簡化了地址分配的過程，因此，網(wǎng)絡可以以很低的資源消耗來達到海量地址分配的目的。

(2)?IPv6移動性技術(shù)。IPv6協(xié)議設計之初就充分考慮了對移動性的支持。針對移動IPv4網(wǎng)絡中的三角路由問題，移動IPv6提出了相應的解決方案。

首先，從終端角度IPv6提出了IP地址綁定緩沖的概念，即IPv6協(xié)議棧在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包之前需要查詢IPv6數(shù)據(jù)包目的地址的綁定地址，如果查詢到綁定緩沖中目的IPv6地址存在綁定的轉(zhuǎn)交地址，則直接使用這個轉(zhuǎn)交地址作為數(shù)據(jù)包的目的地址，這樣，發(fā)送的數(shù)據(jù)流量就不會再經(jīng)過移動節(jié)點的家鄉(xiāng)代理，而是直接轉(zhuǎn)發(fā)到移動節(jié)點本身。其次，MIPv6引入了探測節(jié)點移動的特殊方法，即某一區(qū)域的接入路由器以一定時間進行路由器接口的前綴地址通告，當移動節(jié)點發(fā)現(xiàn)路由器前綴通告發(fā)生變化時，則表明節(jié)點已經(jīng)移動到新的接入?yún)^(qū)域。與此同時，根據(jù)移動節(jié)點獲得的通告，節(jié)點又可以生成新的轉(zhuǎn)交地址，并將其注冊到家鄉(xiāng)代理上。

MIPv4與MIPv6的轉(zhuǎn)發(fā)比較如圖2-10所示，MIPv6的數(shù)據(jù)流量可以直接發(fā)送到移動節(jié)點，而MIPv4的數(shù)據(jù)流量必須經(jīng)過家鄉(xiāng)代理的轉(zhuǎn)發(fā)。在物聯(lián)網(wǎng)應用中，傳感器有可能密集地部署在一個移動物體上，如為了監(jiān)控地鐵的運行狀況，需要在地鐵車廂內(nèi)部署許多傳感器，從整體上來看，地鐵的移動就等同于一群傳感器的移動，在移動過程中必然發(fā)生傳感器的群體切換。在MIPv4情況下，每個傳感器都需要建立到家鄉(xiāng)代理的隧道連接，這樣對網(wǎng)絡資源的消耗非常大，很容易導致因網(wǎng)絡資源的耗盡而癱瘓。而在MIPv6網(wǎng)絡中，傳感器進行群切換時只需要向家鄉(xiāng)代理注冊，之后的通信完全由傳感器和數(shù)據(jù)采集設備之間直接進行，這樣，就可以使網(wǎng)絡資源消耗的壓力大大下降。因此，在大規(guī)模部署物聯(lián)網(wǎng)應用，特別是移動物聯(lián)網(wǎng)應用時，MIPv6是一項關(guān)鍵性技術(shù)。圖2-10MIPv4與MIPv6的轉(zhuǎn)發(fā)比較

(3)?IPv6服務質(zhì)量(QoS)技術(shù)。在網(wǎng)絡QoS保障方面，IPv6在其數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中定義了流量類別字段和流標簽字段。流量類別字段有8位，和IPv4的服務類型(ToS)字段功能相同，用于對報文的業(yè)務類別進行標識；流標簽字段有20位，用于標識屬于同一業(yè)務流的包。流標簽和源、目的地址一起唯一標識了一個業(yè)務流。同一個流中的所有包具有相同的流標簽，以便對有同樣QoS要求的流進行快速、相同的處理。

目前，IPv6的流標簽定義還未完善，但從其定義的規(guī)范框架來看，IPv6流標簽提出的支持QoS保證的最低要求是標記流，即給流打標簽。流標簽應該由流的發(fā)起者——信源節(jié)點賦予一個流，同時要求在通信路徑上的節(jié)點都能夠識別該流的標簽，并根據(jù)流標簽來調(diào)度流的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級算法。這樣的定義可以使物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點上的特定應用有更大的調(diào)整自身數(shù)據(jù)流的自由度，節(jié)點可以只在必要的時候選擇符合應用需要的QoS等級，并為該數(shù)據(jù)流打上一致的標記。在重要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)完成后，即使通信沒有結(jié)束，節(jié)點也可以釋放該流標記，這樣的機制再結(jié)合動態(tài)QoS申請和認證、計費的機制，就可以做到使網(wǎng)絡按應用的需要來分配QoS。同時，為了防止節(jié)點在釋放流標簽后又誤用該流標簽，造成計費上的問題，信源節(jié)點必須保證在120s內(nèi)不再使用釋放了的流標簽。在物聯(lián)網(wǎng)應用中，普遍存在節(jié)點數(shù)量多、通信流量突發(fā)性強的特點。與IPv4相比，由于IPv6的流標簽有20位，足夠標記大量節(jié)點的數(shù)據(jù)流，又與IPv4中通過五元組(源、目的IP地址、源、目的端口、協(xié)議號)不同，IPv6可以在一個通信過程中(五元組沒有變化)，只在必要的時候數(shù)據(jù)包才攜帶流標簽，即在節(jié)點發(fā)送重要數(shù)據(jù)時，動態(tài)提高應用的QoS等級，做到對QoS的精細化控制。

當然，IPv6的QoS特性并不完善，由于使用的流標簽位于IPv6包頭，容易被偽造，產(chǎn)生服務盜用的安全問題。因此，在IPv6中，流標簽的應用需要開發(fā)相應的認證加密機制。同時，為了避免流標簽使用過程中發(fā)生沖突，還要增加源節(jié)點的流標簽使用控制機制，保證流標簽在使用過程中不會被誤用。

(4)?IPv6安全性與可靠性技術(shù)。首先，在物聯(lián)網(wǎng)的安全保障方面，由于物聯(lián)網(wǎng)應用中節(jié)點部署的方式比較復雜，節(jié)點可能通過有線或無線方式連接到網(wǎng)絡，因此，節(jié)點的安全保障的情況也比較復雜。在使用IPv4的場景中，一個黑客可能通過在網(wǎng)絡中掃描主機IPv4地址的方式來發(fā)現(xiàn)節(jié)點，并尋找相應的漏洞；而在IPv6場景中，由于同一個子網(wǎng)支持的節(jié)點數(shù)量極大(達到百億億數(shù)量級)，黑客通過掃描的方式找到主機的難度大大增加。在IP基礎(chǔ)協(xié)議棧的設計方面，一方面，IPv6將IPSec協(xié)議嵌入到基礎(chǔ)的協(xié)議棧中，通信的兩端可以啟用IPSec加密通信的信息和通信過程。網(wǎng)絡中的黑客將不能采用中間人攻擊的方法對通信過程進行破壞或劫持。同時，黑客即使截取了節(jié)點的通信數(shù)據(jù)包，也會因為無法解碼而不能竊取通信節(jié)點的信息。同時，由于IP地址的分段設計將用戶信息與網(wǎng)絡信息分離，使用戶在網(wǎng)絡中的實時定位很容易，這也保證了在網(wǎng)絡中可以對黑客行為進行實時的監(jiān)控，提升了網(wǎng)絡的監(jiān)控能力。另一個方面，物聯(lián)網(wǎng)應用中由于成本限制，節(jié)點通常比較簡單，節(jié)點的可靠性也不可能做得太高，因此，物聯(lián)網(wǎng)的可靠性要靠節(jié)點之間的互相冗余來實現(xiàn)，又因為節(jié)點不可能實現(xiàn)較復雜的冗余算法，因此，一種