物联网：全面概述、架构、应用、仿真工具、挑战和未来方向

中文论文标题：物联网：全面概述、架构、应用、仿真工具、挑战和未来方向

英文论文标题：Internet of Things: a comprehensive overview, architectures, applications, simulation tools, challenges and future directions

作者信息：Anita Choudhary

论文出处：Discover Internet of Things (2024) 4:31 | Internet of Things: a comprehensive overview, architectures, applications, simulation tools, challenges and future directions | Discover Internet of Things

主要内容概述：

1. 引言： 本文介绍了物联网（IoT）作为一种新兴的范式，已经在无线通信行业中获得了广泛关注，并改变了我们传统的生活模式，通过集成智能设备、应用和技术，实现了周围环境的自动化。预计IoT将在未来连接物理对象，促进智能决策的制定。文章强调了为了充分实现IoT的潜力，需要从应用、支持技术和社会环境影响等多个角度解决众多问题和挑战。

2. IoT技术的发展和应用： 文章讨论了IoT技术的发展，包括其在智能家居、智慧城市、健康、交通、医疗保健、智能环境和农业等领域的应用。同时，文章还探讨了IoT设备如何通过Wi-Fi、BLE、ZigBee、NFC等通信技术连接到互联网，并产生大量数据，这些数据需要被存储、处理和服务于用户。

3. IoT架构： 文章提出了一个通用的IoT架构，并讨论了其支持技术，强调了每一层的用途以及在其中实现的技术。IoT架构从三层模型发展到五层和七层模型，以适应不断增长的需求和应用。

1. 市场机遇： 文章强调了IoT在各个领域的市场需求，帮助理解IoT的增长。预计到2025年，全球IoT连接数将达到27亿，IoT设备的数量将显著增加。

2. IoT的功能模块和工作模型： 文章详细讨论了IoT设备的功能模块和工作模型，包括其组件、工作模型以及涉及的工作和技术。

1. IoT服务和应用： 文章深入探讨了IoT在工业自动化、能源保护、交通、城市、医疗保健、供应链、农业和交通监控等领域的应用，并详细讨论了由于需求增长而面临的挑战。

2. IoT仿真器和工具： 文章提供了现有仿真器和工具的概述，帮助研究人员根据目标选择合适的仿真器，并讨论了它们的功能。

在论文的“IoT simulators and tools”部分，作者讨论了物联网(IoT)模拟器和工具的重要性和功能。这些工具对于在实际部署之前执行和分析所提出方法的性能至关重要，因为在现实环境中部署和衡量性能可能非常困难，并且会产生大量的开销，包括购买、配置、软件开发和部署所需资源。随着对IoT和无线传感器网络(WSNs)的兴趣日益增长，现代模拟器变得越来越普遍。

以下是一些在该部分提到的主要IoT模拟器和工具，以及它们的特点：

1. NS-2/NS-3：

   • NS-2是一个免费的网络模拟器，可以模拟网络拓扑和通信协议，适用于有线和无线网络。
   • NS-3是NS-2的增强版本，包括并行和仿真模拟等功能。

2. BevyWise：

   • BevyWise模拟器是一个用户友好的MQTT模拟工具，可以模拟数千个IoT设备。
   • 它提供了一个强大且简单的用户界面，便于添加所需的设备，并能够存储模拟数据。

3. COOJA：

   • COOJA是基于Contiki OS的网络模拟器，能够模拟实际硬件平台。
   • 它支持多种标准，包括TR 1100、TI CC2420、ContikiRPL、IEEE 802.15.4等。

4. IBM Bluemix：

   • IBM Bluemix是一个平台即服务(PaaS)，用于创建、执行、部署和管理云应用程序。
   • 它提供了IoT平台的访问，无需物理设备，允许用户监控和分析模拟数据。

5. NetSim：

   • NetSim是一个网络模拟工具，用于创建网络场景、流量建模、协议设计和网络性能分析。
   • 它主要模拟IoT系统，支持6LoWPAN网关、802.15.4 MAC/PHY、RPL等技术。

6. OMNET++：

   • OMNeT++是一个用于构建网络模拟器的C++模拟库和框架。
   • 它支持分层组织模拟模型，具有可视化的图形用户界面。

7. MATLAB/Simulink：

   • MATLAB是一个具有图形用户界面的系统，其界面称为Simulink。
   • 它能够检索和预处理实时和存储的数据，并创建和测试智能设备。

8. GloMoSim：

   • GloMoSim是一个全球移动信息系统模拟器，提供多种MAC协议。
   • 它能够模拟多达千个节点的网络，支持多播、卫星广播等。

9. IoTIFY：

   • IoTIFY是一个云基础的智能IoT系统模拟平台，允许模拟大规模和真实的IoT设备部署。
   • 它支持多种协议，如MQTT、HTTP、CoAP、LWM2M、UDP和TCP。

这些模拟器和工具的选择取决于具体的IoT应用需求。例如，NS-3和OMNeT++擅长网络协议模拟，而COOJA更适合低功耗传感器网络。ThingsBoard则适合基于云的、以数据为中心的IoT应用。通过这些工具，研究人员和开发者可以在不同的IoT场景中测试和优化他们的解决方案。

1. 研究挑战： 文章指出了IoT系统性能改进需要考虑的具体差距和研究挑战。

这些挑战涉及技术、安全、隐私和未来发展等多个方面，以下是一些主要的挑战：

1. 资源管理：

   • IoT系统涉及的对象数量庞大，部署环境复杂多变，且对象能力受限，这些都增加了资源管理的难度。需要建立全面的方法来分析资源、量化资源评估理论和精确的资源分配和调度程序。

2. 海量信息收集：

   • 预计IoT系统将拥有数百万甚至数十亿的设备，每个设备都需要发送信号传递关于自身的信息。这些设备产生的数据量巨大，带来了传输、存储和处理的问题。

3. 质量保证：

   • IoT的应用范围广泛，不同应用对带宽、安全性、及时性和可靠性的需求各不相同。例如，工厂监控需要传感器网络精确传输数据，而视频流则需要高带宽但可以容忍较低的准确性。

4. IoT与TCP的挑战：

   • IoT的基础设施类似于互联网的骨干网，数据传输通常使用TCP或UDP协议。TCP在IoT设备中面临连接建立、拥塞控制和数据缓冲等问题。

5. 实时对象检测：

   • 在IoT系统中，如何定义每个对象以及如何获取关于它的信息是两个不明确的问题。通常需要使用RFID、EPC或UID技术，但这些技术存在辐射、隐私和信息更新不便等缺点。

6. 广泛参与：

   • 与互联网上的大多数设备由少数大型ISP拥有不同，未来智能世界中的大多数对象将由相对较小的机构和个人拥有。用户可能同时担任多个角色，包括客户、对象设计者和服务提供商。

7. 节能感知：

   • 城市环境的高效异构感知需要满足多种竞争需求，影响网络流量、数据存储和能源使用。需要一个通用框架来有效利用数据的时空属性进行数据收集和建模。

8. 激励框架：

   • 由于大多数服务由个人生成、共享和购买，服务质量因信息、专业经验和技能水平的不同而有很大差异。需要设计合适的激励框架，以激励个人构建高质量服务。

9. 安全和隐私：

   • 安全和隐私是需要在IoT广泛应用之前克服的重大障碍。保护IoT网络是一项几乎不可能完成的任务，因为许多IoT网络使用易于受到攻击的轻量级无线传输，且对象本身是脆弱的设备。

10. 信任：

    • 人类文明中的冲突和敌意将影响未来IoT中设备之间的互动。需要建立信任系统，以便同行能够区分潜在的有益关系和潜在的有害伙伴。

11. 数据保密性：

    • IoT设备经常收集和传输敏感信息，如个人、财务和健康数据。确保数据保密涉及在传输和存储期间保护数据免受未经授权的访问。

这些挑战需要IoT领域的研究人员、开发者和政策制定者共同努力，以确保IoT技术的健康发展和广泛应用。

1. 未来方向： 文章强调了学术界和工业界需要考虑的未来方向，以进一步研究并改进IoT的性能，使其能够顺利部署在各个领域。

作者展望了物联网（IoT）未来的发展方向，涉及以下几个关键领域：

1. 6G无线通信：

   • 6G技术被视为IoT网络未来发展的关键，预计将提供更广泛的覆盖和更高的可靠性。卫星通信被认为是满足6G时代IoT服务需求的重要手段。

2. 卫星集成网络：

   • 为了满足IoT应用的广泛覆盖和互联需求，卫星系统需要与6G网络集成。混合卫星-地面中继网络（HSTRN）技术被提出，以提供高海拔和偏远地区的可靠通信。

3. 全球互联网络：

   • 6G通信的愿景是构建一个全球互联的卫星和空中平台网络，由AI和大数据驱动，以解决可扩展性、超低功耗、最小延迟、隐私保护、个性化、响应性和全球覆盖等挑战。

4. 下一代多址接入系统：

   • 随着数据流量和设备数量的激增，传统的多址接入技术（如OMA）将不足以应对。非正交多址接入（NOMA）和速率分割多址接入（RSMA）等新技术被认为是更有效的解决方案。

5. 智能表面技术（RIS）：

   • 智能表面技术（RIS）作为一种新兴的传输机制，通过调整反射信号的相位来改善无线传播条件，有望提升用户数据速率。

6. 无人机（UAV）技术：

   • 无人机因其在三维空间中的灵活性、便携性和适应性，被认为能够解决长距离和广泛覆盖的挑战，特别是在实现IoT系统的广泛连接方面。

7. 卫星和空中集成网络（SAIN）：

   • SAIN通过结合卫星和无人机网络，提供广泛的覆盖、大量连接和高速通信，以满足IoT设备的多样化服务需求。

8. 高空平台站（HAPS）：

   • HAPS因其较高的垂直位置而提供更广泛的覆盖，被认为是未来通信系统的重要组成部分，尤其是在提供广泛区域服务方面。

9. 雾计算：

   • 雾计算提供了分布式和实时的解决方案，可以集成到新安装的网络中，以应对低延迟挑战。

10. 空间-空中-地面IoT（SAG-IoT）：

    • SAG-IoT通过结合航空器和卫星基础设施的优势，提高网络覆盖，同时在异构环境中面临任务卸载和资源调度的挑战。

11. 安全性和隐私保护：

    • 随着IoT设备数量的增加，数据隐私和网络安全问题日益突出。需要采用先进的加密方法、实时威胁检测的人工智能技术和严格的访问控制来应对这些挑战。

12. 机器学习（ML）：

    • ML在IoT中的应用前景广阔，尤其是在智能系统保护和异常活动识别方面。通过将ML方法与IoT生成的数据集成，组织可以从大量传感器数据中提取深刻洞察和有价值信息。

这些方向不仅指出了IoT技术的未来发展趋势，也强调了在实现这些技术进步过程中需要克服的挑战。

1. 结论： 文章总结了IoT架构的基础知识以及对IoT困难的全面审查，以便深入研究并制定适当的解决方案。