張飛舟，何漢賢

（北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871）

1 引言

眾所周知，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）可以為用戶提供精確、連續(xù)的三維位置和速度信息，并具有授時(shí)功能。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)亦簡(jiǎn)稱為北斗系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system，BDS）是我國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，也是繼美國(guó)全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）和俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GLONASS）之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［1-3］。BDS由空間端、地面端和用戶端組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類(lèi)用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具有短報(bào)文通信能力，已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時(shí)能力，定位精度優(yōu)于20m，授時(shí)精度優(yōu)于100ns。2012－12－27北斗系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件1.0版正式公布，BDS導(dǎo)航定位業(yè)務(wù)正式對(duì)亞太地區(qū)提供無(wú)源定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。2013－12－27北斗系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)一周年新聞發(fā)布會(huì)在國(guó)務(wù)院新聞辦公室新聞發(fā)布廳召開(kāi)，正式發(fā)布了 《北斗系統(tǒng)公開(kāi)服務(wù)性能規(guī)范（1.0版）》和 《北斗系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件（2.0版）》兩個(gè)系統(tǒng)文件。中國(guó)BDS和美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS及歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system，Galileo）一起，是聯(lián)合國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航委員會(huì)已認(rèn)定的供應(yīng)商。

另一方面，全球經(jīng)濟(jì)一體化、城鎮(zhèn)化、自然或人為災(zāi)害日益頻繁化等帶來(lái)的一系列社會(huì)問(wèn)題，人們生活、工作正常運(yùn)行和高效管理已經(jīng)成為我國(guó)乃至世界亟待解決的問(wèn)題之一。與此同時(shí)，全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)（the Internet of Things）、新一代移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)與云計(jì)算等新一輪信息技術(shù)迅速發(fā)展和不斷深入應(yīng)用，為城市運(yùn)行管理進(jìn)入 “智慧化”提供了技術(shù)保障，奠定了堅(jiān)實(shí)的科技基礎(chǔ)，向更高階段的智慧化發(fā)展已成為城市發(fā)展的必然選擇［4-6］。隨著我國(guó)BDS衛(wèi)星組網(wǎng)日益完善，使城市運(yùn)行管理更加智慧化提供了可能性。本文基于BDS在物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行探討，分析了基于BDS的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，為我國(guó)BDS在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供理論與技術(shù)支撐。

2 物聯(lián)網(wǎng)及其網(wǎng)絡(luò)層體系結(jié)構(gòu)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)述

物聯(lián)網(wǎng)是指在物理世界的實(shí)體中部署具有一定感知能力、計(jì)算能力的各種信息傳感設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實(shí)現(xiàn)信息獲取、傳輸和處理，從而實(shí)現(xiàn)廣域或大范圍的人與物、物與物之間信息交換需求的互聯(lián)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)就是通過(guò)識(shí)別、感知的技術(shù)與設(shè)備獲取物體/環(huán)境的靜/動(dòng)態(tài)屬性信息，再由網(wǎng)絡(luò)傳輸通信技術(shù)與設(shè)備進(jìn)行信息/知識(shí)交換和通信，通過(guò)電腦或手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化管理和信息采集分析，實(shí)現(xiàn)人－機(jī)－物世界的智能化管理與控制的一種 “人物互聯(lián)、物物互聯(lián)、人人互聯(lián)”的高效能、智能化網(wǎng)絡(luò)，圖1為物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)層次框圖。從圖1中可以看出，物聯(lián)網(wǎng)有三個(gè)層次，即用來(lái)感知數(shù)據(jù)的感知層、傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)層和面向用戶的應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)中重要的支撐系統(tǒng)是感知層和網(wǎng)絡(luò)傳輸層，感知層目前常用的技術(shù)有射頻識(shí)別（radio frequency identification，RFID）、紅外感應(yīng)等，用以完成物品信息的收集并上傳網(wǎng)絡(luò)傳輸層；網(wǎng)絡(luò)傳輸層則主要利用全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（global system for mobile communications，GSM）、3G/4G等移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至相應(yīng)的處理中心，進(jìn)行分類(lèi)處理，而物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層屬于瓶頸技術(shù)，存在大量技術(shù)空白，且國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)體系尚未形成，專(zhuān)利空間巨大［3，7-8］。因此，解決不同的數(shù)據(jù)量傳輸，將短距離至長(zhǎng)距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)全部囊括其中，以建立一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層體系所面臨的首要課題。GNSS具有定位精度高、覆蓋面廣泛、用戶容量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，既可以作為感知終端，也可以作為傳輸網(wǎng)絡(luò)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，若將BDS和傳感網(wǎng)絡(luò)及移動(dòng)通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合集各家之長(zhǎng)可以方便建立起集數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和業(yè)務(wù)管理于一體的綜合網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方案，這樣BDS在物聯(lián)網(wǎng)中有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，從物聯(lián)網(wǎng)的含義及其架構(gòu)不難看出，為實(shí)現(xiàn)物的定位及追蹤，具備全天時(shí)、全天候不受地域限制的衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)無(wú)疑是物聯(lián)網(wǎng)中十分重要的支撐力量。BDS除具備定位、授時(shí)功能外，所獨(dú)有的短信報(bào)文通信功能無(wú)疑也是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代最具亮點(diǎn)的特性，尤其能夠在固網(wǎng)及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不能提供服務(wù)的情況下，保證物聯(lián)網(wǎng)體系中接入網(wǎng)絡(luò)的暢通。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)層次框圖

2.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)

無(wú)所不在的無(wú)線傳感網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，安置在實(shí)物上的電子介質(zhì)產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)可隨時(shí)隨地通過(guò)它傳送出去。而無(wú)線傳感網(wǎng)之所以會(huì)在未來(lái)有廣闊的前景，在于它很好地解決了最后一公里、最后一百米、最后十米或者是最后一米的問(wèn)題。但是，若將無(wú)線傳感網(wǎng)所采集的信息傳輸?shù)綌?shù)千公里之外，僅僅依靠其本身的傳輸能力顯然已經(jīng)無(wú)法滿足需要了，因此結(jié)合蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和BDS，構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的三層體系結(jié)構(gòu)［3，8］，如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)框圖

2.2.1 無(wú)線傳感網(wǎng)

無(wú)線傳感網(wǎng)是一種無(wú)中心節(jié)點(diǎn)的全分布系統(tǒng)。通過(guò)隨機(jī)投放的方式，眾多傳感器節(jié)點(diǎn)被密集部署于監(jiān)控區(qū)域。這些傳感器節(jié)點(diǎn)集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，其通過(guò)無(wú)線信道相連，自組織的構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，測(cè)量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號(hào)，探測(cè)包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等眾多人們感興趣的物理現(xiàn)象。其中，ZigBee技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)的構(gòu)建。ZigBee技術(shù)是一種面向自動(dòng)化和無(wú)線控制的低速度、低功耗、低價(jià)格的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方案，具有省電、可靠、廉價(jià)、短時(shí)延、大網(wǎng)絡(luò)容量和安全的特點(diǎn)，但傳輸距離僅為10～75m，具體數(shù)值還要取決于射頻環(huán)境以及特定應(yīng)用條件下的輸出功耗，同時(shí)通信速率在2.4GHz時(shí)僅為250kb/s，傳輸速率較低。

2.2.2 蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)

移動(dòng)通信是指通信的雙方或至少有一方是在移動(dòng)中進(jìn)行信息交換，例如運(yùn)動(dòng)中的人、汽車(chē)、輪船、飛機(jī)等移動(dòng)體間的通信。由于移動(dòng)通信用戶是在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行通信聯(lián)系的，信號(hào)的傳輸只能依靠無(wú)線電波，因此無(wú)線電通信是移動(dòng)通信的基礎(chǔ)［3，9］。目前，應(yīng)用最廣泛的是公用蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，它具有涉及領(lǐng)域廣、網(wǎng)絡(luò)能力強(qiáng)、技術(shù)新等特點(diǎn)。就目前運(yùn)營(yíng)3G/4G而言，快速移動(dòng)環(huán)境下最高速率達(dá)144kb/s；室外到室內(nèi)或步行環(huán)境下最高速率達(dá)384kb/s；室外環(huán)境下最高速率達(dá)2Mb/s，3G/4G網(wǎng)絡(luò)傳輸骨干資源已經(jīng)較為完善，帶寬資源也較為豐富。

2.2.3 北斗系統(tǒng)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站，轉(zhuǎn)發(fā)或反射無(wú)線電波，在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行通信。我國(guó)自行研制的BDS是一種全天候提供定位、通信、授時(shí)的衛(wèi)星系統(tǒng)，具有雙向通訊功能，可以一次傳送120字的短報(bào)文信息，這是GPS所不具備的，是其在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的一個(gè)重要基礎(chǔ)［10-11］，BDS原理框圖如3所示。BDS除了實(shí)時(shí)、精確地報(bào)告救援人員位置。當(dāng)?shù)孛嬗芯€、無(wú)線通信設(shè)備都損毀后，北斗報(bào)文通信功能更能發(fā)揮極其重要作用。

圖3 北斗系統(tǒng)原理框圖

3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層三層體系結(jié)構(gòu)分析

3.1 傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的局限性

由無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和BDS構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層是一個(gè)完整的體系架構(gòu)，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)信息在世界范圍內(nèi)的可靠共享。通常，傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為主，受節(jié)點(diǎn)體積、價(jià)格和能源供應(yīng)等因素限制，其通信距離有限，被限定在了某一特定區(qū)域內(nèi)。若這一區(qū)域距離用戶終端較遠(yuǎn)，那么采集到的原始數(shù)據(jù)就失去了價(jià)值。同時(shí)，隨著數(shù)據(jù)采集量的爆炸式增長(zhǎng)，單純的依靠無(wú)線傳感網(wǎng)來(lái)完成大規(guī)模數(shù)據(jù)的采集和傳輸顯然捉襟見(jiàn)肘［3，8，12］。目前，各國(guó)的蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)以3G/4G為主，技術(shù)成熟，基礎(chǔ)設(shè)施完善，傳輸速率完全能夠滿足無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)、大規(guī)模數(shù)據(jù)采集的需要，特定區(qū)域的傳感網(wǎng)完全可以接入本地蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸。但是受政治、經(jīng)濟(jì)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)等利益的制約，蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的適用范圍還僅僅限于國(guó)家級(jí)，若將無(wú)線傳感網(wǎng)采集的信息傳輸至數(shù)千公里之外，僅靠蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)。作為彌補(bǔ)，衛(wèi)星系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)就是可以覆蓋全球，地面基站將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)射給衛(wèi)星，由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)千公里之外的用戶終端。這種三層的網(wǎng)絡(luò)層體系架構(gòu)，保證了某一區(qū)域的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息可以到達(dá)世界的任何一個(gè)角落。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃栽鰪?qiáng)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大，而且以集群方式存在，因此在數(shù)據(jù)傳播時(shí)由于大量節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送致使網(wǎng)絡(luò)擁塞，產(chǎn)生拒絕服務(wù)攻擊。攻擊發(fā)生時(shí)，部分節(jié)點(diǎn)可以選擇發(fā)送到蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，免受攻擊影響。與此同時(shí)，蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)是靠移動(dòng)臺(tái)和地面基站建立聯(lián)系實(shí)現(xiàn)通信功能，受人為、自然災(zāi)害等因素的影響，地面基站可能會(huì)遭到破壞。對(duì)于關(guān)系國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，短暫的數(shù)據(jù)中斷都有可能引起嚴(yán)重后果。而衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要通信設(shè)備處于外太空，受人為、自然災(zāi)害影響小，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候不間斷實(shí)時(shí)傳輸。在蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)中斷工作后，無(wú)線傳感網(wǎng)自發(fā)的越過(guò)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)連接到衛(wèi)星系統(tǒng)，與用戶終端之間形成一條鏈路，實(shí)施可靠傳輸。

3.3 經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)被限定在一定區(qū)域內(nèi)應(yīng)用，若要長(zhǎng)距離傳輸則要以犧牲節(jié)點(diǎn)數(shù)量為代價(jià)，成本大大增加。蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)運(yùn)營(yíng)了幾十年，各運(yùn)營(yíng)商基礎(chǔ)設(shè)施完善，自動(dòng)化程度高，不斷更新核心技術(shù)，使得數(shù)據(jù)通信的成本大為降低。而衛(wèi)星通信系統(tǒng)是以衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)微波信號(hào)，在多個(gè)地面站之間通信，由于衛(wèi)星工作在幾千甚至上萬(wàn)公里的軌道上，系統(tǒng)構(gòu)成和控制復(fù)雜、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大、前期建設(shè)成本也相對(duì)較高，導(dǎo)致了衛(wèi)星通信的費(fèi)用較高。三層網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)提供了最優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)解決方案，可把無(wú)線傳感網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)量大小、傳輸距離和優(yōu)先級(jí)分成若干數(shù)據(jù)分組，針對(duì)每一數(shù)據(jù)分組制定傳輸方案，實(shí)現(xiàn)整體經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)化。因此，基于BDS的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層三層架構(gòu)，可以用來(lái)解決物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。該架構(gòu)采用分層數(shù)據(jù)傳遞的方法，一方面利用蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、大規(guī)模數(shù)據(jù)的低成本傳輸，另一方面利用BDS的通信功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，從而增大遠(yuǎn)程監(jiān)控的能力，減小物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的成本支出。這樣，與傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層相比，三層網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)增加了蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，而且擴(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍，提高整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)體系的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

4 導(dǎo)航系統(tǒng)與電信網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的比較

BDS除能提供精確的三維位置、速度信息和授時(shí)功能外，還可提供短信報(bào)文功能。這里將以BDS為例，從物聯(lián)網(wǎng)的各功能組成部分出發(fā)，分析導(dǎo)航系統(tǒng)相對(duì)于電信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用可能性。

4.1 導(dǎo)航系統(tǒng)與電信網(wǎng)絡(luò)比較

BDS在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用主要是在感知層和網(wǎng)絡(luò)傳輸層，可實(shí)現(xiàn)定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的技術(shù)支撐。在感知層，導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片本身可以是一個(gè)可精確測(cè)量目標(biāo)位置和速度的傳感器，可作為傳感器使用。但是，物聯(lián)網(wǎng)中接入的物體絕大多數(shù)都需要位置信息，可不通過(guò)RFID上傳讀寫(xiě)器，而是直接用短報(bào)文功能上傳，這是電信網(wǎng)絡(luò)所不具備的［2-3］。同時(shí)，在RFID中，可以將其讀寫(xiě)器與導(dǎo)航芯片融合設(shè)計(jì)在一起，利用導(dǎo)航終端直接上傳網(wǎng)絡(luò)。與此同時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)傳輸層，BDS因獨(dú)有的短報(bào)文功能，可用于上傳、下行信息，作為支撐網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

與電信網(wǎng)絡(luò)相比，BDS具有的優(yōu)勢(shì)主要包括：①導(dǎo)航信號(hào)分布廣泛，即使在地理位置偏遠(yuǎn)和地形復(fù)雜地區(qū)，電信網(wǎng)絡(luò)覆蓋較差，而導(dǎo)航信號(hào)在全部地區(qū)都有穩(wěn)定覆蓋，對(duì)于這類(lèi)地區(qū)的物流跟蹤、電力監(jiān)控、管道監(jiān)測(cè)、環(huán)境檢測(cè)等業(yè)務(wù)有很大的應(yīng)用價(jià)值。②導(dǎo)航系統(tǒng)用戶容量大，單星每小時(shí)可以提供200萬(wàn)次導(dǎo)航服務(wù)，每天可以提供近5 000萬(wàn)次的導(dǎo)航服務(wù)，在我國(guó)國(guó)內(nèi)可見(jiàn)的衛(wèi)星有十余顆，也就是每天可提供數(shù)億次的導(dǎo)航服務(wù)。BDS獨(dú)有的短報(bào)文功能，每次可提供120字的短信服務(wù)，BDS未對(duì)短報(bào)文功能的用戶容量作限制?？梢源致酝扑阋幌?，以36Mh衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器為例，每秒可以發(fā)送大約20 000條報(bào)文，一天可以轉(zhuǎn)發(fā)約17億條報(bào)文，假設(shè)每顆衛(wèi)星只有一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，幾十顆衛(wèi)星每天可以轉(zhuǎn)發(fā)幾百億條的報(bào)文，這遠(yuǎn)大于電信運(yùn)營(yíng)商的承載能力。③業(yè)務(wù)模式便捷，物聯(lián)網(wǎng)終端通信的業(yè)務(wù)模式具有頻繁狀態(tài)切換、頻繁位置更新（移動(dòng)傳感器）、在某一個(gè)特定的時(shí)－間集中聚集到某一地區(qū)等特征。對(duì)于電信網(wǎng)絡(luò)，需要在基站間頻繁的切換，且對(duì)各個(gè)基站帶寬要求很高，容易造成某一地區(qū)基站的通信阻塞。而導(dǎo)航系統(tǒng)單星覆蓋范圍，一般的位置切換不會(huì)造成影響，且同一地區(qū)可見(jiàn)衛(wèi)星至少為4顆，單星通信容量巨大，可以通過(guò)有效的資源調(diào)配，避免通信阻塞。④專(zhuān)用性強(qiáng)，即電信運(yùn)營(yíng)商目前的網(wǎng)絡(luò)主要針對(duì)人與人之間的通信模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，沒(méi)有考慮物聯(lián)網(wǎng)發(fā)連接多、但數(shù)據(jù)傳輸量少的業(yè)務(wù)特點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)終端通信的業(yè)務(wù)模式具有頻繁狀態(tài)切換和位置更新以及在某一個(gè)特定的時(shí)間集中聚集到某一地區(qū)的特征，而運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)無(wú)法有效隔離提供物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和人與人通信的網(wǎng)絡(luò)，則物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)會(huì)沖擊到現(xiàn)有人與人的通信應(yīng)用，造成業(yè)務(wù)中斷。而導(dǎo)航系統(tǒng)的短報(bào)文業(yè)務(wù)中人與人日常通信應(yīng)用很少，大多作為位置信息傳遞使用，因此導(dǎo)航系統(tǒng)具有一定專(zhuān)用性，不同業(yè)務(wù)不存在沖突。⑤服務(wù)成本低，BDS提供免費(fèi)服務(wù)，服務(wù)成本較低。相比之下，若參照現(xiàn)在人與人通信的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，利用電信網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)支撐網(wǎng)絡(luò)的成木較高。這樣，BDS相對(duì)于電信運(yùn)營(yíng)商在一些方面具有一定優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然電信網(wǎng)絡(luò)也有其自身的優(yōu)勢(shì)，例如網(wǎng)絡(luò)成熟、有物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)基礎(chǔ)等，因此在未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中，導(dǎo)航系統(tǒng)與電信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，更好地支持物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

4.2 北斗系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)聯(lián)系

BDS為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用提供位置導(dǎo)航服務(wù)，除了有衛(wèi)星導(dǎo)航功能外，可以增加物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為BDS的產(chǎn)業(yè)鏈中的一環(huán)，既可以直接形成導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)品，服務(wù)于廣大用戶，又可以促進(jìn)新產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，促進(jìn)信息科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。另一方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)核心和基礎(chǔ)仍然是相互之間的通信和交流，以此來(lái)達(dá)到資源共享之目的。在物聯(lián)網(wǎng)通信過(guò)程中，當(dāng)需要對(duì)物體的位置進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，特別是移動(dòng)中的物體，采取傳統(tǒng)方法是比較困難的，甚至無(wú)法解決?，F(xiàn)在最好的解決方法是利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，即利用GPS的定位和導(dǎo)航服務(wù)。相對(duì)于傳統(tǒng)意義上的方法，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和可操作性，準(zhǔn)確的位置信息，精準(zhǔn)的授時(shí)服務(wù)，無(wú)需組建網(wǎng)絡(luò)，覆蓋范圍廣，獲取信息方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其缺點(diǎn)也是很明顯的［3，8］。利用GPS有較大的安全隱患，特別是在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)候，風(fēng)險(xiǎn)可能更大，物聯(lián)網(wǎng)通信就會(huì)受到影響，其功能會(huì)受到一定程度的削弱。因?yàn)槊绹?guó)政府從來(lái)沒(méi)有對(duì)GPS的質(zhì)量和使用壽命做出過(guò)承諾和保證，而且美國(guó)軍方還可以對(duì)特定地方的GPS信號(hào)進(jìn)行干擾和致盲。因此，完全自主的BDS，可以完美地解決網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的定位導(dǎo)航問(wèn)題，也可以保障系統(tǒng)工作的安全性和可靠性。

5 基于北斗系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

5.1 物聯(lián)網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)

基于BDS的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的物理結(jié)構(gòu)如圖4所示。體系架構(gòu)充分利用現(xiàn)有電信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)結(jié)點(diǎn)與互聯(lián)網(wǎng)的鏈接，采用BDS統(tǒng)對(duì)結(jié)點(diǎn)群進(jìn)行定位和輔助通訊，進(jìn)而設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)該體系功能邏輯結(jié)構(gòu)及具體結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法［3］。

圖4 基于北斗系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點(diǎn)群借助現(xiàn)有的電信網(wǎng)與因特網(wǎng)（Internet）聯(lián)結(jié)，BDS為物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點(diǎn)提供定位，提高結(jié)點(diǎn)獲取的信息的有效性，因?yàn)椴淮_定位置的信息往往是無(wú)用的。這種定位可以是衛(wèi)星直接與任意結(jié)點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)定位，但這樣對(duì)結(jié)點(diǎn)功能要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，制造成本較高；另外一種，可以使用衛(wèi)星只對(duì)簇頭結(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，再用定位好的簇頭結(jié)點(diǎn)對(duì)普通結(jié)點(diǎn)進(jìn)行間接定位。而B(niǎo)DS所獨(dú)有的短報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)功能，在物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點(diǎn)無(wú)法與電信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)結(jié)的情況下，可以借助北斗系統(tǒng)為物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點(diǎn)提供一種可用的輔助通訊方式。結(jié)點(diǎn)可以通過(guò)衛(wèi)星與結(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，大部分情況下，通過(guò)現(xiàn)有布設(shè)好的電信網(wǎng)設(shè)備與結(jié)點(diǎn)取得聯(lián)系，獲取信息或控制結(jié)點(diǎn)。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)信息的管理，結(jié)點(diǎn)通過(guò)電信網(wǎng)設(shè)備上傳到互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過(guò)電信網(wǎng)登陸互聯(lián)網(wǎng)獲取物聯(lián)網(wǎng)信息。通過(guò)無(wú)線通訊網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是，可以隨時(shí)隨地對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控、操作，不受時(shí)間、地域的限制，因現(xiàn)在通訊設(shè)備已經(jīng)布高的非常健全，且通訊質(zhì)量較好，不會(huì)影響結(jié)點(diǎn)操作的實(shí)時(shí)性。

物聯(lián)網(wǎng)與電信網(wǎng)相結(jié)合，利用移動(dòng)臺(tái)的多跳轉(zhuǎn)發(fā)能力擴(kuò)大無(wú)線通訊網(wǎng)通信系統(tǒng)的覆蓋范圍、均衡相鄰小區(qū)的業(yè)務(wù)、提高小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)速率。在實(shí)際應(yīng)用中，物聯(lián)網(wǎng)可以單獨(dú)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)局部的通信外，還可以作為末端子網(wǎng)通過(guò)接入點(diǎn)接入其他的固定或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，與局域網(wǎng)以外的主機(jī)進(jìn)行通信。這樣，可為物聯(lián)網(wǎng)提供三種可用網(wǎng)絡(luò)：①物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點(diǎn)群－線通訊網(wǎng)－Internet；② 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點(diǎn)群－BDS－無(wú)線通訊網(wǎng)－Internet；③用戶－物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點(diǎn)群，即由用戶建立的一個(gè)局域物聯(lián)網(wǎng)。提供三種通訊網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)出現(xiàn)地震、洪水等災(zāi)害時(shí)，若地面通訊設(shè)備被毀，可以使用北斗衛(wèi)星訪問(wèn)Internet實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的通訊。

5.2 物聯(lián)網(wǎng)功能邏輯

功能的實(shí)現(xiàn)通常依賴于一種有效的功能邏輯部件的建立，圖5所示為上述物理體系建立的邏輯體系結(jié)構(gòu)［3，12］。系統(tǒng)分為三大部分：感知層、應(yīng)用層以及網(wǎng)絡(luò)層。

圖5 基于北斗系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)

（1）感知層可以理解為傳感器網(wǎng)，負(fù)責(zé)信息的采集、匯聚、通訊及接受應(yīng)用程序的各項(xiàng)操作等，其核心是RFID系統(tǒng)。RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層是體系結(jié)構(gòu)的核心，負(fù)責(zé)應(yīng)用程序與結(jié)點(diǎn)操作間的功能聯(lián)結(jié)：Savant系統(tǒng)需要完成的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)校對(duì)、識(shí)讀器協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和任務(wù)管理。其中，①Savant是一個(gè)“中間件”，用RFID系統(tǒng)發(fā)出的標(biāo)簽流或傳感器數(shù)據(jù)，Savant在向其他環(huán)節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)之前，要壓縮數(shù)據(jù)量，對(duì)標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、集成和計(jì)算。②對(duì)象名解析服務(wù)（object name service，ONS）采用域名解析服務(wù)（domain name server，DNS）的基本原理，來(lái)處理電子產(chǎn)品碼（electronic products code，EPC）與相應(yīng)的電子產(chǎn)品代碼信息服務(wù)（EPC information service，EPCIS）服務(wù)器物理標(biāo)示語(yǔ)言（physical markup language，PML）地址的映射管理和查詢。除了將EPC碼存儲(chǔ)在標(biāo)簽中外，還需要一些將EPC碼與相應(yīng)商品信息進(jìn)行匹配的方法。當(dāng)一個(gè)解讀器讀取一個(gè)EPC標(biāo)簽的信息時(shí)，EPC碼就傳遞給Savant系統(tǒng)。Savant系統(tǒng)然后再利用ONS找到該產(chǎn)品信息所存儲(chǔ)的位置，并將該文件中的關(guān)于該產(chǎn)品的信息傳遞過(guò)來(lái)。ONS將處理比DNS更多的請(qǐng)求，因此需要在局域網(wǎng)中有一臺(tái)存取信息速度比較快的本地ONS服務(wù)器。這樣可以將當(dāng)前的ONS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在自己的局域網(wǎng)中，而不是每次都需要到萬(wàn)維網(wǎng)上去尋找該產(chǎn)品的信息。本地ONS幫助本地服務(wù)器吸收用標(biāo)簽讀寫(xiě)器偵測(cè)到的EPC標(biāo)簽的全球信息。③EPCIS即EPC信息服務(wù)器，內(nèi)部存放制造商生產(chǎn)的所有物品相關(guān)數(shù)據(jù)信息的PML文件，物聯(lián)網(wǎng)需要訪問(wèn)它來(lái)得到物品當(dāng)前的位置、溫度、動(dòng)作、狀態(tài)等參數(shù)。

（3）應(yīng)用層就是用戶所接觸的應(yīng)用界面，負(fù)責(zé)整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的管理、維護(hù)、操作等。

5.3 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的功能，還要對(duì)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行合適的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。這里將物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)大體分為靜態(tài)結(jié)點(diǎn)（static nodes，SN）和動(dòng)態(tài)（dynamic nodes，DN）結(jié)點(diǎn)。SN點(diǎn)與DN結(jié)點(diǎn)的區(qū)別在于是否可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜嵌入式編程。DN是能夠進(jìn)行復(fù)雜嵌入式編程的結(jié)點(diǎn)；SN就是僅具有電子標(biāo)簽的物品，這是物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)量最多的結(jié)點(diǎn)［3，7，11］。SN 一般不帶電源，具有移動(dòng)性，具有被感知能力和少量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，不具備計(jì)算和聯(lián)網(wǎng)能力，提供被動(dòng)的連接。DN實(shí)際具備感知、聯(lián)網(wǎng)和控制能力的嵌入式系統(tǒng)，這是物聯(lián)網(wǎng)的核心結(jié)點(diǎn)。DN帶有電源，可以具有移動(dòng)性、感知、存儲(chǔ)、計(jì)算和聯(lián)網(wǎng)能力，也可以收集、整理復(fù)雜信息，甚至可更改嵌入式程序而改變結(jié)點(diǎn)的功能。若將這兩種結(jié)點(diǎn)與Internet相連，還需要設(shè)計(jì)特定網(wǎng)關(guān)，這里網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)完整的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧，其設(shè)計(jì)方式如圖6所示。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方式

6 應(yīng)用分析

隨著物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用，凡需要定位及無(wú)線通訊技術(shù)的環(huán)節(jié)，都可以使用BDS。位置信息是物聯(lián)網(wǎng)在感知層中非常關(guān)鍵的信息，只有掌握了位置信息，才能進(jìn)行針對(duì)性的處理，因此BDS在物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中有非常廣泛的應(yīng)用前景。

（1）智能交通與定位服務(wù)。以汽車(chē)定位為例，現(xiàn)在已經(jīng)有很多。許多商家推出了相應(yīng)的服務(wù)，但是目前利用GPS的位置定位，由于沒(méi)有報(bào)文功能，需要通過(guò)其他網(wǎng)絡(luò)將定位信息上傳。利用BDS，可以在汽車(chē)上安裝導(dǎo)航終端，作為物聯(lián)網(wǎng)的傳感器，直接通過(guò)短報(bào)文功能將位置信息發(fā)送到用戶終端，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。該功能可用于汽車(chē)防盜、租車(chē)監(jiān)控、公車(chē)監(jiān)控等方面。另一方面，當(dāng)前已經(jīng)將GPS等導(dǎo)航定位系統(tǒng)應(yīng)用于智能交通，但針對(duì)城市交通擁擠、交通事故頻發(fā)、超載超速等現(xiàn)象，相關(guān)部門(mén)對(duì)其監(jiān)管感到較為困難［1，5，11］。為此，設(shè)想將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于智能交通，車(chē)輛上安裝北斗系統(tǒng)接受芯片用于對(duì)車(chē)輛進(jìn)行精確導(dǎo)航和定位，同時(shí)車(chē)內(nèi)配置有采集載重，測(cè)速信息的傳感器，將采集后的信息通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳送給交通監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心通過(guò)技術(shù)處理，可獲得任意車(chē)輛的位置、是否超載/超速等信息，可在必要時(shí)刻發(fā)送消息對(duì)駕駛員進(jìn)行提醒和對(duì)行車(chē)狀態(tài)進(jìn)行控制。還可以利用BDS和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)收集路況信息，利用BDS的短信通信功能，隨時(shí)對(duì)路況進(jìn)行播報(bào)。

（2）監(jiān)測(cè)管理與災(zāi)害預(yù)測(cè)。針對(duì)目前地理位置偏遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣地區(qū)公共設(shè)施、環(huán)境等監(jiān)測(cè)，在這類(lèi)地區(qū)交通不便、靠人力監(jiān)測(cè)難度太大，且電信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋較差，不能滿足物聯(lián)網(wǎng)傳送信息要求。因此，可以利用導(dǎo)航系統(tǒng)作為其支撐網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行電力設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)、江河水文資料監(jiān)測(cè)、礦產(chǎn)資源監(jiān)測(cè)、原始森林環(huán)境監(jiān)測(cè)、油氣管道狀態(tài)監(jiān)測(cè)等，通過(guò)BDS上傳其狀態(tài)信息，可附加位置信息［5，9］?？傊?，在上述方面的應(yīng)用中，北斗系統(tǒng)較電信網(wǎng)絡(luò)具有明顯優(yōu)勢(shì)。另外，在其他物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、家庭安保、重要設(shè)施監(jiān)測(cè)等方面，設(shè)想利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境以及北斗系統(tǒng)對(duì)具有相應(yīng)環(huán)境指標(biāo)的地點(diǎn)進(jìn)行精確定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境狀況實(shí)時(shí)全面的了解，且方便快捷，從而改變傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)時(shí)效性差的問(wèn)題，與電信網(wǎng)絡(luò)形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

同時(shí)，建設(shè)地震、海嘯等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行早期監(jiān)測(cè)、預(yù)警和有效的應(yīng)對(duì)措施。一旦發(fā)生了地震、海嘯等地質(zhì)災(zāi)害，在地面的通信系統(tǒng)癱瘓后或者沒(méi)有通信信號(hào)的盲區(qū)，BDS不但可以給檢測(cè)站提供導(dǎo)航定位信息，通過(guò)接受傳感器信息實(shí)時(shí)檢測(cè)該區(qū)域的災(zāi)害情況，而且利用BDS的報(bào)文發(fā)送功能，及時(shí)對(duì)災(zāi)害情況進(jìn)行報(bào)告，給救援提供了便利。因此，物聯(lián)網(wǎng)在BDS的支持下，將拓寬物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍。

（3）電子商務(wù)與現(xiàn)代物流。目前電子商務(wù)中間過(guò)程的物流跟蹤主要依靠物流公司的人工標(biāo)記，時(shí)效性較差。利用導(dǎo)航系統(tǒng)，在物流車(chē)輛、中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)安裝導(dǎo)航終端，并在導(dǎo)航終端上設(shè)計(jì)RFID讀寫(xiě)器和處理器；在買(mǎi)家購(gòu)買(mǎi)商品后，自動(dòng)生成一個(gè)RFID的電子標(biāo)簽，物流公司在接收貨物后將電子標(biāo)簽貼于商品上。在整個(gè)商品運(yùn)輸過(guò)程中，導(dǎo)航終端可以通過(guò)讀取商品上的電子標(biāo)簽實(shí)時(shí)更新商品位置，買(mǎi)家則可以登陸相應(yīng)的門(mén)戶網(wǎng)站查詢商品的即時(shí)信息，這樣既提高了物流信息的時(shí)一效性，又減輕了物流過(guò)程中登記物品的工作量。

另一方面，隨著電子商務(wù)的快速發(fā)展，這就使其下游產(chǎn)業(yè)物流行業(yè)得到不斷壯大。在物流行業(yè)中的流動(dòng)的物品數(shù)量越來(lái)越大，種類(lèi)越來(lái)越多，依靠傳統(tǒng)的管理方法難以實(shí)現(xiàn)，不僅增加物流行業(yè)中的成本，也增加了顧客對(duì)物品安全到手的擔(dān)優(yōu)。北斗導(dǎo)航技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合應(yīng)用可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。在每個(gè)物品上都貼有一個(gè)唯一的電子標(biāo)簽，并嵌人微型BDS芯片，當(dāng)顧客想要知道物品的信息時(shí)，可以利用BDS發(fā)射定位信號(hào)給微型BDS芯片，然后將信息傳給RFID站，通過(guò)RFID站連接物聯(lián)網(wǎng)，于是顧客就可以在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之間互連的協(xié)議（internet protocol，IP）技術(shù)的幫助下，利用移動(dòng)終端就可以隨時(shí)隨地獲取實(shí)時(shí)的物流信息。

（4）導(dǎo)彈制導(dǎo)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)，導(dǎo)彈的制導(dǎo)不在是傳統(tǒng)的慣性制導(dǎo)和紅外制導(dǎo)，而是發(fā)生了革命性的變化，出現(xiàn)了利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行制導(dǎo)的精確制導(dǎo)導(dǎo)彈。例如在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)表現(xiàn)得較好的戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈。若把導(dǎo)彈連入物聯(lián)網(wǎng)，在BDS準(zhǔn)確定位導(dǎo)航的輔助下，導(dǎo)彈的生存力和制導(dǎo)精度可以實(shí)時(shí)地掌握，一旦有什么變化，可以隨時(shí)調(diào)整，提高打擊精度，特別是對(duì)移動(dòng)中的物體。

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