基于北斗系统的物联网应用评述

张飞舟，何汉贤

（北京大学 地球与空间科学学院，北京 100871）

1 引言

众所周知，全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）可以为用户提供精确、连续的三维位置和速度信息，并具有授时功能。北斗卫星导航系统亦简称为北斗系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统，也是继美国全球定位系统（global positioning system，GPS）和俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system，GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统［1-3］。BDS由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具有短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20m，授时精度优于100ns。2012－12－27北斗系统空间信号接口控制文件1.0版正式公布，BDS导航定位业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。2013－12－27北斗系统正式提供区域服务一周年新闻发布会在国务院新闻办公室新闻发布厅召开，正式发布了 《北斗系统公开服务性能规范（1.0版）》和 《北斗系统空间信号接口控制文件（2.0版）》两个系统文件。中国BDS和美国GPS、俄罗斯GLONASS及欧盟伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system，Galileo）一起，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。

另一方面，全球经济一体化、城镇化、自然或人为灾害日益频繁化等带来的一系列社会问题，人们生活、工作正常运行和高效管理已经成为我国乃至世界亟待解决的问题之一。与此同时，全球卫星导航定位技术、物联网（the Internet of Things）、新一代移动宽带网络与云计算等新一轮信息技术迅速发展和不断深入应用，为城市运行管理进入 “智慧化”提供了技术保障，奠定了坚实的科技基础，向更高阶段的智慧化发展已成为城市发展的必然选择［4-6］。随着我国BDS卫星组网日益完善，使城市运行管理更加智慧化提供了可能性。本文基于BDS在物联网典型应用领域进行探讨，分析了基于BDS的物联网体系架构，为我国BDS在物联网应用提供理论与技术支撑。

2 物联网及其网络层体系结构

2.1 物联网简述

物联网是指在物理世界的实体中部署具有一定感知能力、计算能力的各种信息传感设备，通过网络设施实现信息获取、传输和处理，从而实现广域或大范围的人与物、物与物之间信息交换需求的互联。简单的说，物联网就是通过识别、感知的技术与设备获取物体/环境的静/动态属性信息，再由网络传输通信技术与设备进行信息/知识交换和通信，通过电脑或手机实现对物体的智能化管理和信息采集分析，实现人－机－物世界的智能化管理与控制的一种 “人物互联、物物互联、人人互联”的高效能、智能化网络，图1为物联网的结构层次框图。从图1中可以看出，物联网有三个层次，即用来感知数据的感知层、传输数据的网络层和面向用户的应用层。物联网中重要的支撑系统是感知层和网络传输层，感知层目前常用的技术有射频识别（radio frequency identification，RFID）、红外感应等，用以完成物品信息的收集并上传网络传输层；网络传输层则主要利用全球移动通信系统（global system for mobile communications，GSM）、3G/4G等移动网络将信息传送至相应的处理中心，进行分类处理，而物联网网络层属于瓶颈技术，存在大量技术空白，且国际化标准体系尚未形成，专利空间巨大［3，7-8］。因此，解决不同的数据量传输，将短距离至长距离无线网络全部囊括其中，以建立一个完整的物联网是构建物联网网络层体系所面临的首要课题。GNSS具有定位精度高、覆盖面广泛、用户容量大、实时性强等特点，既可以作为感知终端，也可以作为传输网络。可以预见，若将BDS和传感网络及移动通信网、互联网相结合集各家之长可以方便建立起集数据采集、传输、处理和业务管理于一体的综合网络服务方案，这样BDS在物联网中有广阔的应用前景。同时，从物联网的含义及其架构不难看出，为实现物的定位及追踪，具备全天时、全天候不受地域限制的卫星导航定位技术无疑是物联网中十分重要的支撑力量。BDS除具备定位、授时功能外，所独有的短信报文通信功能无疑也是物联网时代最具亮点的特性，尤其能够在固网及移动网络不能提供服务的情况下，保证物联网体系中接入网络的畅通。

图1 物联网结构层次框图

2.2 物联网网络层结构

无所不在的无线传感网是实现物联网必不可少的基础设施，安置在实物上的电子介质产生的数字信号可随时随地通过它传送出去。而无线传感网之所以会在未来有广阔的前景，在于它很好地解决了最后一公里、最后一百米、最后十米或者是最后一米的问题。但是，若将无线传感网所采集的信息传输到数千公里之外，仅仅依靠其本身的传输能力显然已经无法满足需要了，因此结合蜂窝移动通信网络和BDS，构成物联网网络层的三层体系结构［3，8］，如图2所示。

图2 物联网体系结构框图

2.2.1 无线传感网

无线传感网是一种无中心节点的全分布系统。通过随机投放的方式，众多传感器节点被密集部署于监控区域。这些传感器节点集成有传感器、数据处理单元和通信模块，其通过无线信道相连，自组织的构成网络系统，测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多人们感兴趣的物理现象。其中，ZigBee技术被广泛应用于无线传感器网的构建。ZigBee技术是一种面向自动化和无线控制的低速度、低功耗、低价格的无线网络方案，具有省电、可靠、廉价、短时延、大网络容量和安全的特点，但传输距离仅为10～75m，具体数值还要取决于射频环境以及特定应用条件下的输出功耗，同时通信速率在2.4GHz时仅为250kb/s，传输速率较低。

2.2.2 蜂窝移动通信网络

移动通信是指通信的双方或至少有一方是在移动中进行信息交换，例如运动中的人、汽车、轮船、飞机等移动体间的通信。由于移动通信用户是在运动中进行通信联系的，信号的传输只能依靠无线电波，因此无线电通信是移动通信的基础［3，9］。目前，应用最广泛的是公用蜂窝移动通信系统，它具有涉及领域广、网络能力强、技术新等特点。就目前运营3G/4G而言，快速移动环境下最高速率达144kb/s；室外到室内或步行环境下最高速率达384kb/s；室外环境下最高速率达2Mb/s，3G/4G网络传输骨干资源已经较为完善，带宽资源也较为丰富。

2.2.3 北斗系统

卫星导航系统是利用人造地球卫星作为中继站，转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行通信。我国自行研制的BDS是一种全天候提供定位、通信、授时的卫星系统，具有双向通讯功能，可以一次传送120字的短报文信息，这是GPS所不具备的，是其在物联网中应用的一个重要基础［10-11］，BDS原理框图如3所示。BDS除了实时、精确地报告救援人员位置。当地面有线、无线通信设备都损毁后，北斗报文通信功能更能发挥极其重要作用。

图3 北斗系统原理框图

3 物联网网络层三层体系结构分析

3.1 传统物联网网络层的局限性

由无线传感网络、蜂窝移动通信网络和BDS构成的物联网网络层是一个完整的体系架构，其目标是实现物联网信息在世界范围内的可靠共享。通常，传统的物联网网络层以无线传感器网络为主，受节点体积、价格和能源供应等因素限制，其通信距离有限，被限定在了某一特定区域内。若这一区域距离用户终端较远，那么采集到的原始数据就失去了价值。同时，随着数据采集量的爆炸式增长，单纯的依靠无线传感网来完成大规模数据的采集和传输显然捉襟见肘［3，8，12］。目前，各国的蜂窝移动通信网络以3G/4G为主，技术成熟，基础设施完善，传输速率完全能够满足无线传感网络实时、大规模数据采集的需要，特定区域的传感网完全可以接入本地蜂窝移动通信网络实施数据传输。但是受政治、经济和知识产权等利益的制约，蜂窝移动通信网络的适用范围还仅仅限于国家级，若将无线传感网采集的信息传输至数千公里之外，仅靠蜂窝移动通信网络还无法实现。作为弥补，卫星系统最大的优势就是可以覆盖全球，地面基站将采集到的数据信息发射给卫星，由卫星转发给数千公里之外的用户终端。这种三层的网络层体系架构，保证了某一区域的实时数据信息可以到达世界的任何一个角落。

3.2 数据传输的可靠性增强

无线传感网络节点数目庞大，而且以集群方式存在，因此在数据传播时由于大量节点的数据发送致使网络拥塞，产生拒绝服务攻击。攻击发生时，部分节点可以选择发送到蜂窝移动网络，免受攻击影响。与此同时，蜂窝移动网络是靠移动台和地面基站建立联系实现通信功能，受人为、自然灾害等因素的影响，地面基站可能会遭到破坏。对于关系国民经济的重要物联网应用领域，短暂的数据中断都有可能引起严重后果。而卫星导航系统主要通信设备处于外太空，受人为、自然灾害影响小，能够实现全天候不间断实时传输。在蜂窝移动通信网中断工作后，无线传感网自发的越过蜂窝通信网络连接到卫星系统，与用户终端之间形成一条链路，实施可靠传输。

3.3 经济性最优化实现

传统的物联网被限定在一定区域内应用，若要长距离传输则要以牺牲节点数量为代价，成本大大增加。蜂窝移动通信网络已经运营了几十年，各运营商基础设施完善，自动化程度高，不断更新核心技术，使得数据通信的成本大为降低。而卫星通信系统是以卫星作为中继站转发微波信号，在多个地面站之间通信，由于卫星工作在几千甚至上万公里的轨道上，系统构成和控制复杂、技术风险大、前期建设成本也相对较高，导致了卫星通信的费用较高。三层网络体系架构提供了最优化的经济解决方案，可把无线传感网采集的数据根据数据量大小、传输距离和优先级分成若干数据分组，针对每一数据分组制定传输方案，实现整体经济性最优化。因此，基于BDS的物联网网络层三层架构，可以用来解决物联网实际应用问题。该架构采用分层数据传递的方法，一方面利用蜂窝移动通信网络实现实时、大规模数据的低成本传输，另一方面利用BDS的通信功能实现远距离通信，从而增大远程监控的能力，减小物联网运营的成本支出。这样，与传统的物联网网络层相比，三层网络体系架构增加了蜂窝移动通信网络和卫星网络，而且扩大物联网的覆盖范围，提高整个物联网体系的可靠性和经济性。

4 导航系统与电信网络在物联网应用中的比较

BDS除能提供精确的三维位置、速度信息和授时功能外，还可提供短信报文功能。这里将以BDS为例，从物联网的各功能组成部分出发，分析导航系统相对于电信网络的优势和应用可能性。

4.1 导航系统与电信网络比较

BDS在物联网中的应用主要是在感知层和网络传输层，可实现定位、跟踪、监控和管理的技术支撑。在感知层，导航系统的芯片本身可以是一个可精确测量目标位置和速度的传感器，可作为传感器使用。但是，物联网中接入的物体绝大多数都需要位置信息，可不通过RFID上传读写器，而是直接用短报文功能上传，这是电信网络所不具备的［2-3］。同时，在RFID中，可以将其读写器与导航芯片融合设计在一起，利用导航终端直接上传网络。与此同时，在网络传输层，BDS因独有的短报文功能，可用于上传、下行信息，作为支撑网络应用。

与电信网络相比，BDS具有的优势主要包括：①导航信号分布广泛，即使在地理位置偏远和地形复杂地区，电信网络覆盖较差，而导航信号在全部地区都有稳定覆盖，对于这类地区的物流跟踪、电力监控、管道监测、环境检测等业务有很大的应用价值。②导航系统用户容量大，单星每小时可以提供200万次导航服务，每天可以提供近5 000万次的导航服务，在我国国内可见的卫星有十余颗，也就是每天可提供数亿次的导航服务。BDS独有的短报文功能，每次可提供120字的短信服务，BDS未对短报文功能的用户容量作限制。可以粗略推算一下，以36Mh卫星转发器为例，每秒可以发送大约20 000条报文，一天可以转发约17亿条报文，假设每颗卫星只有一个转发器，几十颗卫星每天可以转发几百亿条的报文，这远大于电信运营商的承载能力。③业务模式便捷，物联网终端通信的业务模式具有频繁状态切换、频繁位置更新（移动传感器）、在某一个特定的时－间集中聚集到某一地区等特征。对于电信网络，需要在基站间频繁的切换，且对各个基站带宽要求很高，容易造成某一地区基站的通信阻塞。而导航系统单星覆盖范围，一般的位置切换不会造成影响，且同一地区可见卫星至少为4颗，单星通信容量巨大，可以通过有效的资源调配，避免通信阻塞。④专用性强，即电信运营商目前的网络主要针对人与人之间的通信模式进行设计，没有考虑物联网发连接多、但数据传输量少的业务特点。物联网终端通信的业务模式具有频繁状态切换和位置更新以及在某一个特定的时间集中聚集到某一地区的特征，而运营商网络无法有效隔离提供物联网服务和人与人通信的网络，则物联网业务会冲击到现有人与人的通信应用，造成业务中断。而导航系统的短报文业务中人与人日常通信应用很少，大多作为位置信息传递使用，因此导航系统具有一定专用性，不同业务不存在冲突。⑤服务成本低，BDS提供免费服务，服务成本较低。相比之下，若参照现在人与人通信的收费标准，利用电信网络作为物联网支撑网络的成木较高。这样，BDS相对于电信运营商在一些方面具有一定优势。当然电信网络也有其自身的优势，例如网络成熟、有物联网市场基础等，因此在未来物联网发展中，导航系统与电信网络应该优势互补，更好地支持物联网的发展。

4.2 北斗系统与物联网技术联系

BDS为物联网技术应用提供位置导航服务，除了有卫星导航功能外，可以增加物联网的应用范围。而物联网技术作为BDS的产业链中的一环，既可以直接形成导航应用产品，服务于广大用户，又可以促进新产业的出现，促进信息科技产业的发展。另一方面，物联网技术核心和基础仍然是相互之间的通信和交流，以此来达到资源共享之目的。在物联网通信过程中，当需要对物体的位置进行准确的定位，特别是移动中的物体，采取传统方法是比较困难的，甚至无法解决。现在最好的解决方法是利用卫星导航定位系统，即利用GPS的定位和导航服务。相对于传统意义上的方法，具有明显的优点和可操作性，准确的位置信息，精准的授时服务，无需组建网络，覆盖范围广，获取信息方便等优点，同时其缺点也是很明显的［3，8］。利用GPS有较大的安全隐患，特别是在战争时候，风险可能更大，物联网通信就会受到影响，其功能会受到一定程度的削弱。因为美国政府从来没有对GPS的质量和使用寿命做出过承诺和保证，而且美国军方还可以对特定地方的GPS信号进行干扰和致盲。因此，完全自主的BDS，可以完美地解决网联网技术中的定位导航问题，也可以保障系统工作的安全性和可靠性。

5 基于北斗系统的物联网体系架构

5.1 物联网物理结构

基于BDS的物联网体系结构的物理结构如图4所示。体系架构充分利用现有电信网实现结点与互联网的链接，采用BDS统对结点群进行定位和辅助通讯，进而设计实现该体系功能逻辑结构及具体结点设计方法［3］。

图4 基于北斗系统的物联网物理结构

物联网结点群借助现有的电信网与因特网（Internet）联结，BDS为物联网结点提供定位，提高结点获取的信息的有效性，因为不确定位置的信息往往是无用的。这种定位可以是卫星直接与任意结点进行单独定位，但这样对结点功能要求，结构设计复杂，制造成本较高；另外一种，可以使用卫星只对簇头结点进行定位，再用定位好的簇头结点对普通结点进行间接定位。而BDS所独有的短报文转发功能，在物联网结点无法与电信网实现联结的情况下，可以借助北斗系统为物联网结点提供一种可用的辅助通讯方式。结点可以通过卫星与结点进行通讯，大部分情况下，通过现有布设好的电信网设备与结点取得联系，获取信息或控制结点。对于物联网信息的管理，结点通过电信网设备上传到互联网，用户通过电信网登陆互联网获取物联网信息。通过无线通讯网联网的优点是，可以随时随地对物联网进行监控、操作，不受时间、地域的限制，因现在通讯设备已经布高的非常健全，且通讯质量较好，不会影响结点操作的实时性。

物联网与电信网相结合，利用移动台的多跳转发能力扩大无线通讯网通信系统的覆盖范围、均衡相邻小区的业务、提高小区边缘的数据速率。在实际应用中，物联网可以单独组网实现局部的通信外，还可以作为末端子网通过接入点接入其他的固定或移动通信网络，与局域网以外的主机进行通信。这样，可为物联网提供三种可用网络：①物联网结点群－线通讯网－Internet；② 物联网结点群－BDS－无线通讯网－Internet；③用户－物联网结点群，即由用户建立的一个局域物联网。提供三种通讯网络的优点是，当出现地震、洪水等灾害时，若地面通讯设备被毁，可以使用北斗卫星访问Internet实现物联网的通讯。

5.2 物联网功能逻辑

功能的实现通常依赖于一种有效的功能逻辑部件的建立，图5所示为上述物理体系建立的逻辑体系结构［3，12］。系统分为三大部分：感知层、应用层以及网络层。

图5 基于北斗系统的物联网逻辑结构

（1）感知层可以理解为传感器网，负责信息的采集、汇聚、通讯及接受应用程序的各项操作等，其核心是RFID系统。RFID是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。

（2）网络层是体系结构的核心，负责应用程序与结点操作间的功能联结：Savant系统需要完成的主要任务是数据校对、识读器协调、数据传送、数据存储和任务管理。其中，①Savant是一个“中间件”，用RFID系统发出的标签流或传感器数据，Savant在向其他环节发送数据之前，要压缩数据量，对标签数据进行过滤、集成和计算。②对象名解析服务（object name service，ONS）采用域名解析服务（domain name server，DNS）的基本原理，来处理电子产品码（electronic products code，EPC）与相应的电子产品代码信息服务（EPC information service，EPCIS）服务器物理标示语言（physical markup language，PML）地址的映射管理和查询。除了将EPC码存储在标签中外，还需要一些将EPC码与相应商品信息进行匹配的方法。当一个解读器读取一个EPC标签的信息时，EPC码就传递给Savant系统。Savant系统然后再利用ONS找到该产品信息所存储的位置，并将该文件中的关于该产品的信息传递过来。ONS将处理比DNS更多的请求，因此需要在局域网中有一台存取信息速度比较快的本地ONS服务器。这样可以将当前的ONS数据存储在自己的局域网中，而不是每次都需要到万维网上去寻找该产品的信息。本地ONS帮助本地服务器吸收用标签读写器侦测到的EPC标签的全球信息。③EPCIS即EPC信息服务器，内部存放制造商生产的所有物品相关数据信息的PML文件，物联网需要访问它来得到物品当前的位置、温度、动作、状态等参数。

（3）应用层就是用户所接触的应用界面，负责整个物联网的管理、维护、操作等。

5.3 物联网结点设计

要实现物联网的功能，还要对结点进行合适的设计和实现。这里将物联网的结点大体分为静态结点（static nodes，SN）和动态（dynamic nodes，DN）结点。SN点与DN结点的区别在于是否可以实现复杂嵌入式编程。DN是能够进行复杂嵌入式编程的结点；SN就是仅具有电子标签的物品，这是物联网中数量最多的结点［3，7，11］。SN 一般不带电源，具有移动性，具有被感知能力和少量的数据存储能力，不具备计算和联网能力，提供被动的连接。DN实际具备感知、联网和控制能力的嵌入式系统，这是物联网的核心结点。DN带有电源，可以具有移动性、感知、存储、计算和联网能力，也可以收集、整理复杂信息，甚至可更改嵌入式程序而改变结点的功能。若将这两种结点与Internet相连，还需要设计特定网关，这里网关实现完整的互联网协议栈，其设计方式如图6所示。

图6 物联网结点设计方式

6 应用分析

随着物联网广泛应用，凡需要定位及无线通讯技术的环节，都可以使用BDS。位置信息是物联网在感知层中非常关键的信息，只有掌握了位置信息，才能进行针对性的处理，因此BDS在物联网建设中有非常广泛的应用前景。

（1）智能交通与定位服务。以汽车定位为例，现在已经有很多。许多商家推出了相应的服务，但是目前利用GPS的位置定位，由于没有报文功能，需要通过其他网络将定位信息上传。利用BDS，可以在汽车上安装导航终端，作为物联网的传感器，直接通过短报文功能将位置信息发送到用户终端，降低了系统复杂度。该功能可用于汽车防盗、租车监控、公车监控等方面。另一方面，当前已经将GPS等导航定位系统应用于智能交通，但针对城市交通拥挤、交通事故频发、超载超速等现象，相关部门对其监管感到较为困难［1，5，11］。为此，设想将物联网应用于智能交通，车辆上安装北斗系统接受芯片用于对车辆进行精确导航和定位，同时车内配置有采集载重，测速信息的传感器，将采集后的信息通过物联网传送给交通监测中心，监测中心通过技术处理，可获得任意车辆的位置、是否超载/超速等信息，可在必要时刻发送消息对驾驶员进行提醒和对行车状态进行控制。还可以利用BDS和物联网技术实时收集路况信息，利用BDS的短信通信功能，随时对路况进行播报。

（2）监测管理与灾害预测。针对目前地理位置偏远、环境恶劣地区公共设施、环境等监测，在这类地区交通不便、靠人力监测难度太大，且电信网络信号覆盖较差，不能满足物联网传送信息要求。因此，可以利用导航系统作为其支撑网络，进行电力设施状态监测、江河水文资料监测、矿产资源监测、原始森林环境监测、油气管道状态监测等，通过BDS上传其状态信息，可附加位置信息［5，9］。总之，在上述方面的应用中，北斗系统较电信网络具有明显优势。另外，在其他物联网领域，如环境监测、家庭安保、重要设施监测等方面，设想利用物联网技术来监测环境以及北斗系统对具有相应环境指标的地点进行精确定位，实现对环境状况实时全面的了解，且方便快捷，从而改变传统人工监测时效性差的问题，与电信网络形成优势互补。

同时，建设地震、海啸等地质灾害监测系统，对地质灾害进行早期监测、预警和有效的应对措施。一旦发生了地震、海啸等地质灾害，在地面的通信系统瘫痪后或者没有通信信号的盲区，BDS不但可以给检测站提供导航定位信息，通过接受传感器信息实时检测该区域的灾害情况，而且利用BDS的报文发送功能，及时对灾害情况进行报告，给救援提供了便利。因此，物联网在BDS的支持下，将拓宽物联网的应用范围。

（3）电子商务与现代物流。目前电子商务中间过程的物流跟踪主要依靠物流公司的人工标记，时效性较差。利用导航系统，在物流车辆、中转环节安装导航终端，并在导航终端上设计RFID读写器和处理器；在买家购买商品后，自动生成一个RFID的电子标签，物流公司在接收货物后将电子标签贴于商品上。在整个商品运输过程中，导航终端可以通过读取商品上的电子标签实时更新商品位置，买家则可以登陆相应的门户网站查询商品的即时信息，这样既提高了物流信息的时一效性，又减轻了物流过程中登记物品的工作量。

另一方面，随着电子商务的快速发展，这就使其下游产业物流行业得到不断壮大。在物流行业中的流动的物品数量越来越大，种类越来越多，依靠传统的管理方法难以实现，不仅增加物流行业中的成本，也增加了顾客对物品安全到手的担优。北斗导航技术与物联网结合应用可以很好地解决这个问题。在每个物品上都贴有一个唯一的电子标签，并嵌人微型BDS芯片，当顾客想要知道物品的信息时，可以利用BDS发射定位信号给微型BDS芯片，然后将信息传给RFID站，通过RFID站连接物联网，于是顾客就可以在移动网络之间互连的协议（internet protocol，IP）技术的帮助下，利用移动终端就可以随时随地获取实时的物流信息。

（4）导弹制导。卫星导航系统出现，导弹的制导不在是传统的惯性制导和红外制导，而是发生了革命性的变化，出现了利用卫星定位系统来进行制导的精确制导导弹。例如在海湾战争表现得较好的战斧式巡航导弹。若把导弹连入物联网，在BDS准确定位导航的辅助下，导弹的生存力和制导精度可以实时地掌握，一旦有什么变化，可以随时调整，提高打击精度，特别是对移动中的物体。

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