1 物联网概述

1.1 起源与发展

随着经济的发展和社会的进步，城市人口增多，汽车的数量持续增加，交通拥挤和堵塞现象日趋严重，由此引发的环境噪声、大气污染、能源消耗等已经成为现在全球各工业发达国家和发展中国家面临的严峻问题。随着近些年物联网技术在国内的迅捷发展，物联网及其相关领域被赋予了更多的科技内涵，在技术手段和管理理念上也引起了革命性变革。

目前，社会各界对物联网“理解”不一，专家对物联网解读各有侧重。一般认为，物联网指通过射频识别、传感器网络、全球定位系统等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。1999年由麻省理工学院Auto-ID研究中心提出EPC系统及物联网概念，它实质上等于RFID技术和互联网的结合应用。物联网技术其起源主要来源于RFID技术、普适计算技术和嵌入式系统。物联网这个概念实际是中国人提出的， 整合了美国CPS(Cyber-Physical Systems)、欧盟IoT（Internet of Things)和日本U-Japan等概念。是一个基于互联网、传统电信网等信息载体，让所有能被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。普通对象设备化，自治终端互联化和普适服务智能化是其三个重要特征。2005年，ITU在《The Internet of Things》报告中对物联网概念进行扩展，提出任何时刻，任何地点，任意物体之间的互联，无所不在的网络和无所不在计算的发展愿景，除 RFID技术外，传感器技术、纳米技术、智能终端等技术将得到更加广泛的应用。

1.2 核心技术

物联网的核心技术主要可以划分为信息生成、信息传输、信息处理和信息应用四个层级，如图1.2.1所示。现如今随着技术的发展以及综合应用，物联网技术也面临多种挑战，如多源异构数据、信息生成方式多样化带来的挑战，以及异构（heterogeneity）网络、大规模应用、基于位置的服务以及安全问题。

1.2.1 感知识别层

通过感知识别技术，让物品可以“开口说话、发布信息”是融合物理世界和信息世界的重要一环，同时也是物联网区别于其他网络的最独特的部分。物联网的“触手”是位于感知识别层的大量信息生成设备，既包括RFID、无线传感器等信息自动生成设备，同时也包括各种智能电子产品，例如智能手机、平板电脑、笔记本电脑等。信息生成方式多样化是物联网的重要特征之一。感知识别层位于物联网四层模型的最底端，是所有上层结构的基础。

RFID技术主要由标签、阅读器和天线组成。阅读器通过天线发送射频信号，标签接收到信号后发射内部存储的标识信息，阅读器再通过天线接收并识别标签发回的信息，最后阅读器再将识别结果发送给主机。

无线传感网主要是指由大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络。其结构图如图1.2.2所示。无线传感网在现实生活中有广泛应用。例如在VigilNet中，传感器节点实现了自主成网、多跳传输等。在Mercury中具有人性化、高精度感知、连续长期采集数据的特点并应用于可穿戴的医疗监控传感器。在GreenOrbs（绿野千传）中完成了了长期、大规模、自动化的环境检测任务。

1.2.2 网络构建层

网络是物联网最重要的基础设施之一。网络构建层在物联网四层模型中连接感知识别层和管理服务层，具有强大的纽带作用，高效、稳定、及时、安全的传输上下层数据。

在网络构建层中常用的网络形式如下所示。互联网：IPv6扫清了可接入网络的终端设备在数量上的限制。互联网/电信网是物联网的核心网络、平台和技术支持。无线宽带网： Wi-Fi/WiMAX等无线宽带技术覆盖范围较广，传输速度较快，为物联网提供高速可靠廉价且不受接入设备位置限制的互联手段。无线低速网：ZigBee/蓝牙等低速网络协议能够适应物联网中能力较低的节点的低速率、低通信半径、低计算能力和低能量来源等特征。移动通信网：移动通信网络将成为“全面、随时、随地”传输信息的有效平台。高速、实时、高覆盖率、多元化处理多媒体数据，为“物品触网”创造条件。新兴无线接入技术：60GHz毫米波通信、可见光通信、低功耗广域网（如LoRa、 NB-IoT——窄带物联网）等新兴技术有助于解决物联网面对的频谱资源受限、应用需求多样等问题。

1.2.3 管理服务层

管理服务层解决数据如何存储、 如何检索、 如何使用、如何不被滥用等问题。现阶段，物联网成为大数据的重要来源之一，大数据也为物联网的发展提供强有力的保障。因此，大规模数据的存储时十分重要的。网络化存储是存储大规模数据的一种方式，主要分为直接附加存储（DAS）、网络附加存储（NAS）、存储区域网络（SAN）。但基本只能满足中等规模商业需求。另一种解决大规模数据存储的方法是数据中心。数据中心不仅包括计算机系统和配套设备（如通信/存储设备），还包括冗余的数据通信连接/环境控制设备/监控设备及安全装置，是一大型的系统工程。通过高度的安全性和可靠性提供及时持续的数据服务，为物联网应用提供良好的支持。

云计算是管理服务层的另一项重要应用。云计算为计算机产业与物联网提供三个层次的基础服务：基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）、软件即服务（SaaS）。云存储服务提供了电子数据的普适访问，从而极大地简化了数据的跨设备管理和一致性维护。云下载通过云存储来保证数据健康度、提升数据传输率，从而提供高质量的下载服务，减少了用户端的能耗。在云计算的支持下，用户可以灵活租用云计算服务、避免基础设施投资，将资金和时间用于为客户提供更好的物联网服务，使物联网更加普及和高效。如图1.2.3展示了物联网在工业互联网中的应用。

1.2.4 综合应用层

物联网丰富的内涵催生出更加丰富的外延应用。传统互联网经历了以数据为中心到以人为中心的转化，典型应用包括文件传输、电子邮件、万维网、电子商务、视频点播、在线游戏和社交网络等；而物联网应用以“物”或者物理世界为中心，涵盖智能交通、智能物流、智能建筑、环境监测等等。物联网应用目前正处于快速增长期，具有多样化、规模化、行业化等特点。

1.3 主要特点及应用前景

1.3.1 主要特点

主要有以下几个特点：联网终端规模化、感知识别普适化、异构设备互联化、管理处理智能化、应用服务链条化。

1.3.2 应用前景

智能交通： 通过在基础设施和交通工具当中广泛应用信息、通信技术来提高交通运输系统的安全性、可管理性、运输效能，同时降低能源消耗和对地球环境的负面影响。

智能物流： 现代物流系统希望利用信息生成设备，如RFID设备、感应器或全球定位系统等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，并能够在这个物联化的物流网络中实现智能化的物流管理。

智能建筑： 物联网技术为绿色建筑带来了新的力量。通过建立以节能为目标的建筑设备监控网络，将各种设备和系统融合在一起，形成以智能处理为中心的物联网应用系统，有效的为建筑节能减排提供有力的支撑。

环境监测： 通过对人类和环境有影响的各种物质的含量、排放量、以及各种环境状态参数的检测，跟踪环境质量的变化，确定环境质量水平，为环境管理、污染治理、防灾减灾等工作提供基础信息、方法指引和质量保证。

2 RFID技术

2.1 技术简介

RFID是射频识别技术（Radio Frequency Identification）的英文缩写，利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的。它是上世纪90年代兴起的自动识别技术，首先在欧洲市场上得以使用，随后在世界范围内普及。RFID较其它技术明显的优点是电子标签和阅读器无需接触便可完成识别。射频识别技术改变了条形码依靠“有形”的一维或二维几何图案来提供信息的方式，通过芯片来提供存储在其中的数量巨大的“无形”信息。

RFID技术可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。从概念上来讲，RFID类似于条码扫描，对于条码技术而言，它是将已编码的条形码附着于目标物并使用专用的扫描读写器利用光信号将信息由条形磁传送到扫描读写器；而RFID则使用专用的RFID读写器及专门的可附着于目标物的RFID标签，利用频率信号将信息由RFID标签传送至RFID读写器。

射频识别系统的基本工作方式分为全双工（Full Duplex）和半双工（Half Duplex）系统以及时序（SEQ）系统。全双工表示射频标签与读写器之间可在同一时刻互相传送信息。半双工表示射频标签与读写器之间可以双向传送信息，但在同一时刻只能向一个方向传送信息。

在全双工和半双工系统中，射频标签的响应是在读写器发出的电磁场或电磁波的情况下发送出去的。因为与阅读器本身的信号相比，射频标签的信号在接收天线上是很弱的，所以必须使用合适的传输方法，以便把射频标签的信号与阅读器的信号区别开来。在实践中，人们对从射频标签到阅读器的数据传输一般采用负载反射调制技术将射频标签数据加载到反射回波上（尤其是针对无源射频标签系统）。

时序方法则与之相反，阅读器的辐射出的电磁场短时间周期性地断开。这些间隔被射频标签识别出来，并被用于从射频标签到阅读器的数据传输。其实，这是一种典型的雷达工作方式。时序方法的缺点是：在阅读器发送间歇时，射频标签的能量供应中断，这就必须通过装入足够大的辅助电容器或辅助电池进行补偿。

2.2 技术分析

RFID系统由五个组件构成，包括：传送器、接收器、微处理器、天线、 标签。传送器、接收器和微处理器通常都被封装在一起，又统称为阅读器(Reader)，所以工业界经常将RFID系统分为为阅读器、天线和标签三大组件。其结构如图2.1所示

阅读器是RFID系统最重要也是最复杂的一个组件。因其工作模式一般是主动向标签询问标识信息，所以有时又被称为询问器（Interrogator）。阅读器可以通过标准网口、 RS232串口或USB接口同主机相连，通过天线同RFID标签通信。有时为了方便，阅读器和天线以及智能终端设备会集成在一起形成可移动的手持式阅读器。

天线同阅读器相连，用于在标签和阅读器之间传递射频信号。阅读器可以连接一个或多个天线。RFID系统的工作频率从低频到微波，这使得天线与标签芯片之间的匹配问题变得很复杂。

通常阅读器发送时所使用的频率被称为RFID系统的工作频率。常见的工作频率有低频125kHz、134.2kHz及13.56MHz等等。低频系统一般指其工作频率小于30MHz，典型的工作频率有：125KHz、225KHz、13.56M等，这些频点应用的射频识别系统一般都有相应的国际标准予以支持。其基本特点是电子标签的成本较低、标签内保存的数据量较少、阅读距离较短、电子标签外形多样（卡状、环状、钮扣状、笔状）、阅读天线方向性不强等。

高频系统一般指其工作频率大于400MHz， 典型的工作频段有：915MHz、2.45GHz、5.8GHz等。高频系统在这些频段上也有众多的国际标准予以支持。高频系统的基本特点是电子标签及阅读器成本均较高、标签内保存的数据量较大、阅读距离较远（可达几米至十几米）， 适应物体高速运动性能好，外形一般为卡状，阅读天线及电子标签天线均有较强的方向性。

标签（Tag） 是由耦合元件、芯片及微型天线组成，每个标签内部存有唯一的电子编码，附着在物体上，用来标识目标对象。标签进入RFID阅读器扫描场以后，接收到阅读器发出的射频信号，凭借感应电流获得的能量发送出存储在芯片中的电子编码（被动式标签），或者主动发送某一频率的信号（主动式标签）。常见RFID标签如图2.2所示。

标签根据存储方式可以分为以下三种：电可擦可编程只读存储器（EEPROM）：一般射频识别系统主要采用EEPROM方式。这种方式的缺点是写入过程中的功耗消耗很大，使用寿命一般为100,000次；铁电随机存取存储器（FRAM）: 与EEPROM相比，FRAM的写入功耗消耗减小100倍，写入时间甚至缩短1000倍。 FRAM属于非易失类存储器。然而，FRAM由于生产方面的问题至今未获得广泛应用；静态随机存取存储器（SRAM）: SRAM能快速写入数据，适用于微波系统，但SRAM需要辅助电池不间断供电，才能保存数据。

标签根据是否含有电源又可被分为以下三种类型：被动式标签（Passive Tag）： 因内部没有电源设备又被称为无源标签。被动式标签内部的集成电路通过接收由阅读器发出的电磁波进行驱动，向阅读器发送数据。主动标签（Active Tag）：因标签内部携带电源又被称为有源标签。电源设备和与其相关的电路决定了主动式标签要比被动式标签体积大、价格昂贵。但主动标签通信距离更远，可达上百米。半主动标签（Semi-active Tag）：兼有被动标签和主动标签的所有优点，内部携带电池，能够为标签内部计算提供电源。这种标签可以携带传感器，可用于检测环境参数，如温度、湿度、是否移动等。然而与主动式标签不同的是它们的通信并不需要电池提供能量，而是像被动式标签一样通过阅读器发射的电磁波获取通信能量。

3 无线接入技术

3.1 技术简介

无线接入技术RIT（radio interface technologies） 无线接入技术（也称空中接口）是无线通信的关键问题。它是指通过无线介质将用户终端与网络节点连接起来，以实现用户与网络间的信息传递。无线信道传输的信号应遵循一定的协议，这些协议即构成无线接入技术的主要内容。无线接入技术与有线接入技术的一个重要区别在于可以向用户提供移动接入业务。无线接入网是指部分或全部采用无线电波这一传输媒质连接用户与交换中心的一种接入技术。在通信网中，无线接入系统的定位：是本地通信网的一部分，是本地有线通信网的延伸、补充和临时应急系统。

3.2 系统组成

典型的无线接入系统主要由控制器、操作维护中心、基站、固定用户单元和移动终端等几个部分组成。各部分所完成的功能如下。

控制器通过其提供的与交换机、基站和操作维护中心的接口与这些功能实体相连接。控制器的主要功能是处理用户的呼叫（包括呼叫建立、拆线等）、对基站进行管理，通过基站进行无线信道控制、基站监测和对固定用户单元及移动终端进行监视和管理。

操作维护中心负责整个无线接入系统的操作和维护，其主要功能是对整个系统进行配置管理，对各个网络单元的软件及各种配置数据进行操作：在系统运转过程中对系统的各个部分进行监测和数据采集；对系统运行中出现的故障进行记录并告警。除此之外，还可以对系统的性能进行测试。

基站通过无线收发信机提供与固定终接设备和移动终端之间的无线信道，并通过无线信道完成话音呼叫和数据的传递。控制器通过基站对无线信道进行管理。基站与固定终接设备和移动终端之间的无线接口可以使用不同技术，并决定整个系统的特点，包括所使用的无线频率及其一定的适用范围。

固定终接设备为用户提供电话、传真、数据调制解调器等用户终端的标准接口——Z接口。它与基站通过无线接口相接。并向终端用户透明地传送交换机所能提供的业务和功能。固定终接设备可以采用定向天线或无方向性天线，采用定向天线直接指向基站方向可以提高无线接口中信号的传输质量、增加基站的覆盖范围。根据所能连接的用户终端数量的多少；固定终接设备可分为单用户单元和多用户单元。单用户单元（SSU）只能连接一个用户终端；适用于用户密度低、用户之间距离较远的情况；多用户单元则可以支持多个用户终端，一般较常见的有支持4个、8个、16个和32个用户的多用户单元，多用户单元在用户之间距离很近的情况下（比如一个楼上的用户）比较经济。

移动终端从功能上可以看作是将固定终接设备和用户终端合并构成的一个物理实体。由于它具备一定的移动性，因此支持移动终端的无线接入系统除了应具备固定无线接入系统所具有的功能外，还要具备一定的移动性管理等蜂窝移动通信系统所具有的功能。如果在价格上有所突破，移动终端会更受用户及运营商的欢迎。三、无线接入系统的接口 无线接入系统中的各个功能实体通过一系列接口相互连接，并通过标准的接口与本地交换机和用户终端相互连接。在无线接入系统中最重要的两个接口是控制器与交换机之间的接口和基站与固定终接设备之间的无线接口。除此之外，无线接入系统所包含的接口还有控制器与基站之间的接口、控制器与网管中心之间的接口以及固定终接设备与用户终端之间的接口。

3.3 技术难点

隐藏终端和暴露终端都是由于CSMA/CA中所采用的LBT机制所引起。隐藏终端是由于监听到的信道空闲而不是真的空闲，故引发冲突。而暴露终端是由于监听到的信道忙而不是真的忙，故其可以传输而不传输。

3.3.1 隐藏终端问题

隐藏终端问题可以简单定义为：节点之间无法互相监听对方。但当其不可以同时传输时，其同时传输，从而导致冲突发生。隐藏终端在单个AP（或者单个Receiver）时就有可能发生。

我们基于以上拓扑讨论基本的隐藏终端问题，在该拓扑中，STA 1与STA 2为两个节点，这两个节点都是关联在AP身上。图3.1中蓝色虚线代表STA 1的发送范围，绿色虚线代表STA 2的发送范围。

由于图中STA 1与STA 2发送范围无法互相覆盖，即无法通过物理载波监听的方法，探测对方是否有发送数据。从而STA 1与STA 2可能会误以为信道空闲，从而同时发送，继而造成冲突。

如上图3.2所述，根据DCF中CSMA/CA的工作机制，STA 1与STA 2在等待DIFS之后，分别选取一个随机数进行Backoff。STA 2由于随机数选择较少，从而首先倒数至0，并发送数据。当STA 2发送数据后，由于STA 1监听不到STA 2已经占用信道，其依旧误以为信道是空闲的，从而继续进行backoff。当STA 1的随机回退计数值倒数至0时，STA 1也会发送数据。

由于STA 1与STA 2的同时发送，即AP接收时存在重叠区域，即也是发生了冲突，最终这一轮传输失败。当这一轮传输失败之后，STA 1与STA 2采用BEB算法重新选择随机数进行回退，但后续过程中两者依旧无法互相监听，所以很容易再次出现同时传输的现象。在隐藏终端的情况下，网络是近似瘫痪的，换言之，STA 1与STA 2的吞吐量都趋近于0。

除了RTS/CTS模式是在协议层面解决隐藏终端问题，实际情况下还有很多解决隐藏终端的问题，比如增加客户端功率，消除中间的障碍物，将造成隐藏终端问题的节点或者AP移动个位置之类的，实在不行的话，那么控制下原始AP的功率，再添加入一个新的接入点也行，不过最后个方法需要小心一些，因为搞不好会引起下面所述的暴露终端问题。

3.3.2 暴露终端问题

暴露终端问题可以简单定义为：节点之间能够互相监听对方。但其可以同时传输时，其不传输，从而造成浪费。暴露终端在多个AP（或者多个Receiver）时才有可能发生。

我们基于以上拓扑讨论基本的暴露终端问题，在该拓扑中，STA 1与STA 2为两个节点，其中STA 1关联在AP1上，STA 2关联在AP2上。图3.3中蓝色虚线代表STA 1的发送范围，绿色虚线代表STA 2的发送范围。

图中AP1处于STA 1的覆盖范围内，而不再STA 2的覆盖范围内。AP2处于STA 2的覆盖范围，而不在STA 1的覆盖范围内。换言之，AP1只能接受到STA 1的数据，AP2也只能接收到STA 2的数据。当STA 1与STA 2同时发送时，接受节点AP1或者AP2处均不会发生冲突，故其是可以同时传输的。但是由于这样的拓扑特殊性以及DCF中CSMA/CA的工作机制，造成STA 1与STA 2无法同时传输，该问题则是暴露终端问题。

在CSMA/CA中，接入是遵守LBT（Listen Before Talk）机制的。我们在DCF的介绍中所述，每一个节点在接入信道之前需要进行backoff。在该过程内，若信道空闲，则每经过1个slot，随机倒数计数器进行一次倒数。若信道非空闲，则节点不会对随机倒数计数器进行倒数，并对其进行悬挂。只有当其倒数至0时，才可以发起传输。其中信道空闲与否是通过载波监听机制进行判断的，而在DCF中，存在物理载波监听和虚拟载波监听两种模式，这两种监听方式都有可能引起暴露终端问题，以下我们分两种情况进行讨论。

物理载波监听引起的暴露终端

如上图3.4所示，由于STA 1与STA 2可以互相监听。由于STA 2选择了较小的随机数进行倒数，从而其最先倒数至0，并进行发送。当STA 2首先发送数据包给STA 2后，STA 1监听信道为忙状态，从而无法发送信息。故根据拓扑而言，STA 1是可以传数据给AP1的，但是由于监听STA 2正在传输，导致信道忙，故STA1悬挂随机倒数计数器，无法继续倒数，从而无法传输。

这里实际上我们还可以更深入了解一下，实际上STA1为什么需要在别人传输的时候，悬挂自己的随机倒数计数器。在CSMA/CD中，实际上是没有悬挂过程的，只有在CSMA/CA中才存在。在CSMA/CD中，若信道忙，节点就不停的去监听信道，一旦发现空闲就传输。而在CSMA/CA中，节点在中间实际上不是监听信道，而是接收数据。其主要原因在于，STA 1在检测到STA 2正在传输造成信道忙时，其立刻开始接收该STA 2的数据，因为STA 1不知道该数据是否是发给自己的。只有当完整接收数据，CRC校验通过后，STA 1才可以检查帧MAC头部所对应的目的BSSID地址，看是否是自己的数据包，若不是才可以丢包。换言之，CSMA/CA中，悬挂实际上是为了接收，从而导致的现象是悬挂而已。

虚拟载波监听引起的暴露终端

如上图3.5所示，在暴露终端场景中，若STA 2不仅选择了较小的随机数进行优先倒数，并且其发送的数据包是RTS数据包。当STA 1识别到该RTS数据包后，其就会被设置为NAV状态，无法在后面的过程主动竞争信道，进而无法传输。与之前描述用RTS/CTS解决隐藏终端问题时不同，在解决隐藏终端问题中，NAV是由AP所反馈的CTS帧所进行保护。而这里由于STA 1与STA 2能够互相监听，换言之，在暴露终端情况下，STA 1的NAV是被STA 2所发送的RTS帧进行保护的。在STA 1被NAV保护后，其也无法传输，最终导致暴露终端问题。