楊秀清,陳海燕

(北京電子科技職業(yè)學院,北京 100029)

光通信技術在物聯(lián)網中的應用

楊秀清*,陳海燕

(北京電子科技職業(yè)學院,北京 100029)

介紹了物聯(lián)網的定義及結構；從感知層和網絡層角度，探討了光通信技術(光纖通信和無線通信)在物聯(lián)網中的應用現(xiàn)狀和前景。光纖通信、近距離無線通信、移動通信是物聯(lián)網開發(fā)的基礎，制定物聯(lián)網各個層面上統(tǒng)一的、標準化協(xié)議和技術標準是物聯(lián)網未來發(fā)展必須解決的關鍵和難點。

光纖通信技術；無線通信技術；物聯(lián)網

1 引言

物聯(lián)網(Intemet of Things)［1］概念最早由美國麻省理工學院自動標識中心(MIT Auto-ID Center)在1999年提出的。2009年IBM首席執(zhí)行官彭明盛(Samuel Palmisano)首次提出了“智慧地球”(Smarter Planet)的概念，此概念一經提出，即得到美國各界的高度關注，“智慧地球”有望成為又一個“信息高速公路”計劃，掀起以物聯(lián)網為核心的科技和經濟浪潮。2009年8月，“感知中國”的講話把我國物聯(lián)網領域的研究和應用開發(fā)推向了高潮，同年11月，中國移動與無錫市市政府簽訂了推進“TD-SCDMA與物聯(lián)網融合”合作框架協(xié)議，貼有“中國式”標簽的物聯(lián)網的規(guī)?；芯繌拇死_序幕。

目前，國際通用的物聯(lián)網的定義是：通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。今后的物聯(lián)網旨在建立一個集傳感網、通信網和互聯(lián)網的龐大的異構網絡，通過無處不在的網絡感知，達到世界上物與物、人與物、人與自然之間的任意時間、任意地點的連接和信息交換［2］。

光通信技術主要指有線通信(即光纖通信)和無線通信技術，具有高度的創(chuàng)造性、滲透性和帶動性［3-6］，將其作為全覆蓋的接入手段，與物聯(lián)網相結合，將會在工業(yè)、農業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領域以及家用、保健、交通等新領域帶來巨大的應用價值與優(yōu)越性。當前，我國光通信技術發(fā)展已較成熟，具有移動接入能力的物聯(lián)網終端也在不斷研究和開發(fā)中，將光通信技術應用于物聯(lián)網中，既能夠遠距離對物聯(lián)網進行測控、維護、管理和運營，又可以通過靈活價廉的終端設備通信手段，把通信的觸角延伸到世界的每一個角落，進一步推動光通信技術在物聯(lián)網中的應用和深化。

目前，在物聯(lián)網中應用了多種模式的光通信技術，包括(1)光纖傳感；(2)射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)、無線傳感網(Wireless Sensor Network，WSN)、WiFi等近距離無線光通信技術；(3)GPRS、3G、4G移動通信技術等長距離無線通信技術。未來移動通信網的發(fā)展也會以推進物聯(lián)網的發(fā)展與應用為目標，目前各大移動通信運營商已積極主動參與到物聯(lián)網的整個產業(yè)鏈發(fā)展中，推動物聯(lián)網與移動網結合，物聯(lián)網的功能和價值在與近距離通信技術、無線通信網絡、移動終端設備結合中被充分體現(xiàn)出來。

雖然物聯(lián)網技術還不成熟，功能范圍和結構組成眾說不一，但物聯(lián)網和光通信技術、無線通信網絡的結合應用必定會是未來的發(fā)展趨勢，未來的物聯(lián)網將是以光通信技術為基礎的無線物聯(lián)網。以下將對光通信技術在物聯(lián)網中的應用現(xiàn)狀和前景做探討。

2 物聯(lián)網的基本結構

物聯(lián)網采用分層結構模型，即物聯(lián)網由感知層、網絡層和應用層構成，如圖1所示，三層的物聯(lián)網架構模型較符合人們對物聯(lián)網的預期要求，物聯(lián)網在每一個層面上，都將會有的很多種選擇［7］。

圖1 物聯(lián)網的分層結構Fig.1 Hierarchical structure of Internet of things

感知層是物聯(lián)網組織的最底層組織，是物聯(lián)網的基礎，主要完成物的數(shù)據(jù)信息感知和采集的功能，感知層一般包括RFID系統(tǒng)、傳感器網絡、網關、M2M終端等，通過RFID電子標簽、傳感器、M2M終端實現(xiàn)物品信息的采集。

網絡層處于物聯(lián)網感知層和應用層中間，具有長距離傳輸和數(shù)據(jù)信息管理的功能，主要將感知層采集到的物的數(shù)據(jù)信息傳輸給物聯(lián)網的應用層，網絡層包含多種通信網絡，主要包括GPRS、3G、4G移動通信網絡、互聯(lián)網、衛(wèi)星網絡和有線通信網絡等。

應用層屬于物聯(lián)網的最上層，完成感知層所采集到的信息數(shù)據(jù)的應用和處理。

3 光通信技術在物聯(lián)網感知層的應用現(xiàn)狀

3.1 光纖傳感技術在物聯(lián)網感知層的應用

傳感器能感知周圍環(huán)境的實時變化，所以在和環(huán)境監(jiān)測有關的物聯(lián)網中，感知層采用了無線傳感網絡。

光纖傳感技術是伴隨著光導纖維及光纖通信技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種以光為載體，光纖為媒質的傳輸外界信號的新型傳感技術，它屬于光子與承載信息傳輸?shù)膶Рü庾蛹夹g的一個領域［8］。

光纖傳感技術的基本原理在于光波在光纖中傳播時，光波的振幅、相位、偏振態(tài)、波長等特征參量會隨溫度、壓力、位移、電磁場、轉動等外界因素的變化而變化，從而感測外界物理量的變化，光纖傳感器工作過程是將來自光源的光經過光纖送入起到傳感作用的調制器，經待測物理量參數(shù)的影響(調制)后光的特征參量將發(fā)生變化，成為被調制的信號光，再經過光纖送入光電探測器，進行光電轉換和解調，獲得被測物理量，比如利用光纖的偏振特性，通過測量光纖中的法拉第旋轉角間接地測量電流，如果傳感器的傳光與傳感部分都用光纖則為功能型光纖傳感器，這種傳感器非常適于構成分布式傳感網絡。光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比具有更高的檢測靈敏度，由于傳感與傳輸采用的都是光信號，完全不受電磁干擾和其它輻射影響，可用于高壓、高溫，電磁干擾等惡劣環(huán)境，同時光纖材質重量輕、體積小，具有很好的柔性和韌性，可以將光纖傳感器根據(jù)檢測需要制成任意形狀，同時隨著對光纖傳感器的研究，人們發(fā)現(xiàn)通過對光纖光柵進行特殊處理，可制成探測各種化學物質的光纖光柵化學和生物化學傳感器，這樣使得光纖傳感器在各行業(yè)有著廣闊的應用范圍。光纖傳感技術與光纖通信技術相結合，實現(xiàn)傳感系統(tǒng)的網絡化和陣列化是光纖傳感技術的重要發(fā)展方向，通過對光纖傳感器和常規(guī)通信光纜的熔接，形成傳輸傳感兩種功能實時在線特征和優(yōu)勢，同時光纖具有寬帶特性，可將各種傳感器復用于一根光纖，可同時進行多目標測量，可見光纖傳感技術在物聯(lián)網感知層的應用具有獨特的優(yōu)勢。

3.2 無線光通信技術在物聯(lián)網感知層的應用

在物聯(lián)網中的各個層面都不可缺少無線通信技術的應用，近距離無線通信技術的發(fā)展和完善，使得物聯(lián)網在感知層的信息通信有了技術上的可靠保證［9］。在物聯(lián)網中傳感網是連接物理世界與信息世界的關鍵，傳感網將會成為物聯(lián)網的“最后一公里”，現(xiàn)有接入技術中只有無線通信網絡能幫助傳感網實現(xiàn)無所不在的接入。

無線光通信技術是光通信技術和無線通信技術相結合的產物，由于光波的頻率比無線電波的頻率高，波長比無線電波的波長短。因此無線光通信帶寬是WiFi的104倍，4G移動通信的100倍，信息傳輸速率為10～155 Mbit/s，支持任何一種協(xié)議傳輸，滿足短距離和長距離無線通信應用，可以解決各種業(yè)務高速接入的“最后一公里”問題，隨著無線光通信技術的研究應用，未來可以在物品中嵌入含有無線路由器、通信基站、WiFi接入功能的無線光通信裝置芯片，物品便具有高速無線接入的功能，無論在日常生活、工程施工場所和任何惡劣的環(huán)境下，只要有光源就可以通信。無線光通信網絡作為無線傳感網匯聚信息的傳輸通道更接近物聯(lián)網在任何時間、任何地點、任何人、任何物都能順暢地通信的泛在網目標，將成為物聯(lián)網所采用的主要無線通信技術之一，同時對于傳統(tǒng)的電信網絡運營商來講，無線光通信網絡系統(tǒng)可以作為其光纜傳輸系統(tǒng)的補充和基站間的互聯(lián)與回傳鏈路。

3.2.1 無線通信技術在RFID系統(tǒng)中的應用

(1)讀寫器與電子標簽之間的近距離無線通信

RFID系統(tǒng)主要由電子標簽、天線、讀寫器和RFID中間件、后臺應用系統(tǒng)組成。附在目標物品上的電子標簽存儲著物品唯一的數(shù)據(jù)信息。讀寫器與電子標簽之間通過短距離無線通信方式進行聯(lián)系。

電子標簽分為無源、有源兩種。有源標簽自身帶有電池供電，但需要更換標簽中電池，成本高。目前市場上電子標簽一般以無源電子標簽為主，而無源電子標簽讀寫無線信號覆蓋范圍較短。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。

目前RFID系統(tǒng)主要采用以電氣和電子工程師協(xié)會IEEE 802.15.4為代表的近距離通信技術［10］，工作在2.4 GHz頻率，2.4 GHz屬于工業(yè)科學醫(yī)療(ISM)頻段，是全世界都可通用免許可證的頻段，也是工信部重點支持的RFID頻率［11］，無線通信距離般大于1 m，典型情況為4～6 m，最大可達10 m以上。

(2)RFID讀寫器和物聯(lián)網網絡層的無線接入

RFID讀寫器一般通過網關設備接入物聯(lián)網的網絡層，網關設備是一個雙向功能的設備，RFID讀寫器通過近距離無線通信將物品數(shù)據(jù)信息傳送給網關設備，網關設備將數(shù)據(jù)傳送給網絡層，網關設備也可以把來自應用層的客戶要求等信息向下通過近距離無線通信傳送給RFID讀寫器，網關設備起到一個將RFID系統(tǒng)和網絡層協(xié)同工作和融合的作用。

目前，人們也在探索讀寫器上直接集成無線通信模塊，將讀寫器直接改造成一個智能終端［12］，可以和手機一樣無線接入網絡層的移動通信網絡，延長讀寫器和網絡層的接入距離。相對應的，也可以在網關設備直接集成無線通信模塊。綜上所述，RFID系統(tǒng)和無線通信技術構造了一個物品信息實時共享的網絡［13-14］。

(3)無線通信的安全和干擾問題

RFID系統(tǒng)中一個閱讀器可以同時閱讀多個電子標簽信息［15］，電子標簽信息在無線傳輸中存在相互干擾沖突，射頻識別的碰撞防沖突問題是射頻技術發(fā)展面臨的主要問題和難點［9］。目前采取空分多址技術，智能天線陣技術，減少射頻識別的碰撞沖突問題。

無線電電磁干擾和信息安全問題是無線通信方式所面臨的主要缺陷，所以在RFID系統(tǒng)中，要采用擴頻、跳頻和信息加密和鑒權認證等無線通信技術提高RFID系統(tǒng)無線傳輸環(huán)節(jié)的安全性。

3.2,2 無線通信技術在無線傳感網絡中的應用

傳統(tǒng)的無線傳感器網絡(WSN)是指“隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信單元的微小節(jié)點，通過自組織的方式構成的無線網絡”［16］。

WSN存在各種結構，其中分層WSN結構，如圖2所示，WSN的節(jié)點之間的通信方式屬于近距離無線通信，傳輸距離可達100 m，節(jié)點之間通過多跳方式將感知到的數(shù)據(jù)近距離無線通信傳到簇頭，再由簇頭將匯聚的信息通過有線IP發(fā)送出去。

圖2 WSN結構Fig.2 Structure of wireless sensor network(WSN)

從理論上講可以無限擴展WSN的規(guī)模。但實際上，由于WSN節(jié)點的傳輸距離短，分層結構可以增大WSN的服務范圍，但復雜的分層會導致傳輸延遲增大、成本增高，而且有線通信方式會存在布線的局限性，所以只靠WSN本身和有線IP很難真正實現(xiàn)其“無所不在”的構想。

WSN在近年來的發(fā)展中，越來越重視與無線通信技術的融合，在這里介紹一種思想，如圖3所示，將無線網絡作為WSN接入IP網絡的通道，同時在WSN和網絡層之間一個中間層，這個層由雙模的WSN網關(雙模Sink)構成，其中，WSN網關具備無線傳感網頂層節(jié)點(簇頭)的功能，同時具備蜂窩網絡的無線接入終端的作用，起到將移動通信網和無線傳感網絡網的融合作用，WSN借助網關節(jié)點和通過蜂窩網絡以無線通信方式將WSN的信息傳送到互聯(lián)網，由此構成“無所不在”的泛在網絡。

圖3 與無線通信網絡結合的WSNFig.3 Wireless communication network combined with WSN

目前關于網關節(jié)點功能和接入?yún)f(xié)議的研究是物聯(lián)網的研究熱點。將網關節(jié)點集成無線通信模塊，具備移動通信網絡的終端作用和特點，是解決WSN與網絡層融合的問題方法之一，同時人們也在探索將移動通信基站設備或手機終端作為網關節(jié)點的可行性，這樣對擴大傳感節(jié)點的容量也有較大的作用。值得注意的是，這里存在一個移動通信行業(yè)重新制定終端的管理規(guī)范和接入?yún)f(xié)議問題。

基于IP的傳感網絡也是目前的研究熱點，特別是以IPv6為核心的下一代互聯(lián)網的發(fā)展，將為每個傳感器分配IP地址［10］，這樣可以通過手機、電腦終端設備以無線方式無需網關節(jié)點直接連接遍布各處的傳感器，隨時隨地和物品之間溝通。

此外，WSN節(jié)點之間的無線通信方式具有無線通信的一切特點，如加密安全問題，節(jié)點信息傳輸過程中遇到信道擁擠、碰撞問題，無線傳感網絡需要開發(fā)專門通信協(xié)議［17］來解決這些問題。

4 光通信技術在物聯(lián)網網絡層中的應用

4.1 光纖通信技術在物聯(lián)網網絡層中的應用

感知層收集到的數(shù)據(jù)信息可以通過有線網絡或無線網絡傳輸?shù)轿锫?lián)網的應用層處理，有線通信方式中以光纖通信技術為主，因為光纖通信網絡通信容量大，不受電磁干擾，適合長距離傳輸，便于鋪設和運輸，尤其是可實現(xiàn)20 THz的寬帶接入，非常適宜物聯(lián)網的大數(shù)據(jù)傳輸要求。在一些企業(yè)，如煤炭、電力、石油和航空等系統(tǒng)內部建立的物聯(lián)網，為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、穩(wěn)定性和保密性，采用了光纖通信傳輸方式，但有線連接的方式受到線路部署和環(huán)境的限制，很難滿足物聯(lián)網任意時間、任意地點的接入要求。無線通信雖然接入靈活，但其有限的帶寬限制了信息傳輸速率，所以在物聯(lián)網中如何將光纖傳輸與無線傳輸相結合，最大化地利用兩者的優(yōu)勢是物聯(lián)網發(fā)展中需要探討的一個問題。

4.2 無線通信技術在物聯(lián)網網絡層中的應用

為保證信息應用的時效性，選擇無線通信網絡為物聯(lián)網的網絡層是實現(xiàn)物聯(lián)網物與物、人與物、人與自然之間的任意時間、任意地點的連接和信息交換目標的重要保證。我國移動通信網的運行已高度成熟化，網絡覆蓋范圍在全國無處不在，物聯(lián)網直接利用現(xiàn)有的無線通信網作為網絡層，使得物聯(lián)網部署方便、降低建設成本，提高信息傳輸效率，并為移動物聯(lián)網設備的開發(fā)提供良好基礎。移動通信網絡將是物聯(lián)網最主要的接入手段。

目前2.5G的窄帶GPRS在我國已成熟運營幾十年，網絡可靠性高，基站覆蓋范圍廣泛，適合物聯(lián)網無處不在的網絡要求，但GPRS數(shù)據(jù)傳輸速率最高值為115 kbps。隨著物聯(lián)網的發(fā)展，物聯(lián)網中人和物、物和物，物和機器的數(shù)據(jù)通信業(yè)務會日益增多，將大大超過目前人和人通信業(yè)務量，而GPRS滿足不了未來物聯(lián)網所增加的物品信息數(shù)據(jù)，會造成數(shù)據(jù)傳輸擁堵，目前3G網絡技術可以提供最高2 Mbps數(shù)據(jù)傳輸速率，為日益增強的物聯(lián)網數(shù)據(jù)業(yè)務提供了支持和保障。4G LTE (Long Term Evolution)技術由于采用了正交頻分復和用多輸入多輸出等傳輸技術，數(shù)據(jù)傳輸速率最高值可達201 Mbps，接入帶寬大大增加。與3G相比，4G帶寬為20 MHz，是3G的10倍，4G LTE是全數(shù)據(jù)業(yè)務，數(shù)據(jù)速率顯著提高，網絡更少、網絡部署和維護成本降低，更適合物聯(lián)網日益增長的數(shù)據(jù)傳輸要求，從根本上解決了信息傳輸?shù)膿矶聠栴}，同時LTE系統(tǒng)支持IPv6協(xié)議，可以允許容納足夠多的終端［12］，為物聯(lián)網移動終端的開發(fā)提供了可行性。

值得思考的是，移動通信網的現(xiàn)有安全機制是在人與人的通信基礎上，當移動通信網應用于物聯(lián)網時，物聯(lián)網大量增加的物的數(shù)據(jù)信息在傳輸時會造成網絡擁塞，所以移動通信網的安全協(xié)議未來還應增加物與物，物與人之間通信的部分。移動通信網需要根據(jù)物聯(lián)網的特征對安全機制進行調整和補充，應能為物聯(lián)網提供網絡管理、業(yè)務管理、移動性管理、服務質量管理、安全性管理、位置服務、認證鑒權能力、計費能力［10］等管理能力。

5 物聯(lián)網的無線終端

物聯(lián)網移動終端的開發(fā)研究是未來物聯(lián)網發(fā)展的重點之一。

M2M(machine to machine)是兩個機器之間的通信方式，是現(xiàn)階段物聯(lián)網應用形式之一。其主要思想如圖4所示。中國著名通信專家、上海信天通信有限公司總經理祁慶中先生指出，M2M會在若干年后成為LTE的核心應用之一［18］。

圖4 M2M示意圖Fig.4 Schematic diagram of M2M

M2M設備是能夠回答包含在一些設備中的數(shù)據(jù)的請求或能夠自動傳送包含在這些設備中的數(shù)據(jù)的設備［17］，M2M技術的重點在于機器對機器的無線通信［5］，實現(xiàn)方法之一是通過將GPRS/ 3G/4G通信模塊嵌入到M2M設備，使M2M設備具備無線通信能力，或者將M2M芯片嵌入到手機終端，手機成為集通信、感知和信息處理的綜合智能終端［10］。以上兩種方式均可以實現(xiàn)物聯(lián)網終端的無線接入。

但是物聯(lián)網終端作為移動通信網絡的終端，必須符合移動通信網絡的終端管理模式，現(xiàn)有的移動通信網絡終端管理模式是建立在在人與人通信的基礎上的，所以對于物聯(lián)網終端的管理還需要運營商重新制定統(tǒng)一的模式。

6 結束語

在物聯(lián)網今后的發(fā)展過程中，光纖傳感器和光通信技術的結合應用是必然趨勢，光纖傳感器目前可用于70多個物理量的測量，可以將光纖傳感器應用于日常生活的各個角落、工程施工場所和任何惡劣的環(huán)境下去采集人們所需要的數(shù)據(jù)信息，同時光通信技術所具有的高寬帶、高信息傳輸速率優(yōu)勢非常適合物聯(lián)網海量數(shù)據(jù)的傳輸要求，再通過與高度成熟的移動通信網組合，可以實現(xiàn)物與物之間、物與人之間、人與人之間無處不在的信息數(shù)據(jù)的實時交換和處理。今后光纖傳感器、光通信技術和移動通信網的融合應用將使得物聯(lián)網部署更靈活方便、降低建設成本、提高信息傳輸效率，并為移動物聯(lián)網設備的開發(fā)提供良好基礎。

無線光通信技術、移動通信網絡是無線物聯(lián)網發(fā)展的基礎條件，也是物聯(lián)網移動終端研究開發(fā)的基礎。無線通信方式和移動通信網絡存在因信道的開放性而帶來的可靠性問題、安全性問題，比如多徑效應、多卜勒效應、遠近效應、移動性管理問題、信道分配問題等，對于這些問題，已有相應的無線通信技術和協(xié)議去應對。現(xiàn)在將無線通信技術和移動通信網絡應用于物聯(lián)網時，由于物聯(lián)網的多層結構和每一層面的多選擇性，而且物聯(lián)網存在著大量自身的特殊安全問題，如感知節(jié)點、電子標簽的自身安全問題，所以制定物聯(lián)網各個層面上統(tǒng)一的、標準化協(xié)議和技術標準是物聯(lián)網未來發(fā)展必須解決的關鍵和難點。

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Application of optical communication technique in the Internet of Things

YANG Xiu-qing*，CHEN Hai-yan
(Beijing Polytechnic，Beijing 100029，China)

The definition and structure of Internet of Things are introduced.The application and prospection of optical communication technique(optical fiber and wireless communications)in internet of things are discussed from perceiving and network direction.The optical fiber communication，near field wireless communication and mobile communication are a basis for development of Internet of Thing.Uniform and standardized treaty and technical standard must be estallished to solve critical and difficult problems in the future development.

optical fiber communication technique；wireless communication technique；Internet of Things

TN913.7；TN92

A

10.3788/CO.20140706.0889

2095-1531(2014)06-0889-08

楊秀清(1967—)，女，河北人，碩士，副教授，主要從事電子信息工程技術、無線通信等方面的研究。E-mail：yangxql@163.com

陳海燕(1971—)，女，廣東人，碩士，工程師，主要從事嵌入式系統(tǒng)、移動互聯(lián)等方面的研究。E-mail：chy-pie@sina.com

2014-08-21；

2014-10-23

北京電子科技職業(yè)職業(yè)學院學院重點課題資助項目(No.YZK2012005)

*Corresponding author，E-mail：yangxql@163.com