物联网与泛在智能(2)

　　[编者按]区别于以往强调人与人连接的互联网概念，物联网将互联的范围扩展到了物与物。不仅在规模上更大，而且在语义上更丰富。传统的互联网和电信网均是以信息传送为中心，而物联网是以信息服务为中心，通过与传感网、互联网、电信网、云计算平台相结合，把对物理世界的感知、认识、影响和控制与计算机系统进行融合，实现物理世界、数字虚拟世界和人类感知的统一。本讲座将以物联网的泛在信息感知、泛在网络融合以及智能信息服务3个层面为线索，分期对物联网技术进行概要介绍：第1讲介绍无线传感器网络及泛在感知体系架构；第2讲将介绍泛在网络融合与协同技术；第3讲将介绍物联网的泛在智能业务等。

　　5 研究及产业现状

　　无线通信技术近些年来得到了迅猛的发展，各种层出不穷的无线技术共同为用户提供了泛在、异构的网络环境，包括无线个域网（如Bluetooth）、无线局域网（如WiFi）、无线城域网（如WiMAX）、无线移动广域网（如2G、3G）、卫星网络，以及Ad Hoc网络、无线传感器网络等。

　　这些异构无线网络分别具有各自不同的背景、目标、发展方向、系统结构等。从网络体系结构角度，可以将其分为两大类：一是有基础设施的无线网络，这类网络结构中包含基站、接入点、路由器等网络基础设施，例如蜂窝移动通信网络、无线局域网等；二是以Ad Hoc技术为基础和典型代表的无基础设施的无线网络，这类网络以动态性、多跳性、无中心性及自组织性为显著特点，例如移动Ad Hoc网络、无线传感器网络等。

　　有基础设施网络和无基础设施网络之间存在着显著的互补特性。前者具有强大的业务平台、完善的运营模式和管理体系，但由于采用相对集中的控制和管理体系而缺乏灵活性；后者因其自组织性而具有显著的灵活性，但传输距离短，并缺乏完善的运营模式和管理体系。尽管这些无线网络为用户提供了多种多样的通信方式、接入手段和无处不在的接入服务，但是，要实现真正自组织、自适应的泛在服务，还需要充分利用不同网络间的互补特性，通过协同实现异构无线网络技术的有机结合。

　　终端技术的发展也呈现出明显的多样化、智能化、多模化趋势。终端类型日益丰富，除了传统的PC机、手机，还包括具有丰富感知能力和一定计算能力、通信能力的传感器终端、以及带有采用射频识别技术（RFID）芯片的数据终端等。终端也具有越来越多的控制智能，成为集承载话音、数据、视频等多媒体业务，以及连接互联网完成浏览、下载、网上交易等功能为一体的智能化信息终端，尤其是多种无线网络的重叠覆盖也使多模终端发展迅速。因此，终端技术的发展也为支持异构网络融合的协同技术提供了重要的前提和可能。

　　目前，中国和国外的众多研究组织、产业界各大公司和国际标准化组织都将支持异构网络融合的终端协同技术作为其面向下一代无线通信网络研究的重要组成部分，做了大量的研究和试验工作。

　　许多国际知名大学和研究组织都针对基于异构网络融合的终端协同技术提出了新的网络模型，并试图解决其中的一些关键技术。例如，贝尔实验室和加利福尼亚大学联合提出的融合蜂窝网和自组网的无线网络框架（UCAN）、耶鲁大学提出的支持自组织中继的蜂窝系统（PARCEL）、斯坦福大学提出的基于移动节点辅助的数据转发网络模型（MADF）、美国自然科学基金资助的分组多跳无线网（SOPRANO）项目、美国乔治亚技术学院开展的Sphinx研究项目、纽约州立大学提出的支持中继的蜂窝和自组织集成系统（iCAR），都是将蜂窝网络与移动自组织网络相结合，在混合无线网络中实现终端间自组织中继与协同的典型技术。此外，由欧盟委员会资助的该项目由包括研究组织、产业界及政府部门在内的16家机构共同参与。U2010项目充分利用现有或未来的网络基础架构和Ad Hoc网络的最新研究成果，通过协同技术使得在发生事故、事变、灾难、危机等情况下，仍然能够提供最有效的通信方式和信息获取途径。卢森堡大学的研究项目ABASSMUS、HyWercs和SoNI均基于骨干网络与自组织网络的结合架构，使得移动终端可以作为服务的提供者实现协同。

　　产业界的各大公司为了优化无线通信网络性能及开拓新的服务模式，也对终端协同技术进行了大量的研究，并配合网络运营商进行现网试验。例如，SIBM提出的一种支持多跳的混合无线网络模型（HWN）；Lucent提出的支持自组织方式的全球移动通讯系统（GSM）网络（A-GSM）等对下一代GSM蜂窝网中继能力进行研究，在尽可能减少对现有GSM系统改动的基础上，使移动台具有中继功能，由此增强GSM网络的覆盖能力。

　　国际标准组织也对异构网络的协同技术做了大量研究。例如，国际电信联盟（ITU）的泛在网络工作组基于“泛在网络”的概念，RFID等无线技术提供无处不在的监控、感知和通信能力，并进行了大量的研究和试验网搭建工作。WWIF提出的未来无线通信的愿景模型——移动泛在业务环境（MUSE），从业务、网络和终端等各个角度全面阐述了未来无线网络中可能的各种协同技术。第三代合作伙伴计划（3GPP）也在TR 25.924中提出机会驱动的多种接入模型（ODMA），在UTRA时分双工（TDD）模式中对支持移动终端的中继协同进行了研究。2010年2月2日，中国通信标准化协会（CCSA）也成立了泛在网技术工作委员会（TC10），强调“无所不在”和“ 泛在”的通信理念。

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　　6 应用场景及技术优势

　　终端协同的主要应用场景包括：

　　（1）同一用户多个终端设备间的自组织组网与协同

　　同一用户的多个终端设备之间可以通过无线接口实现自组织组网，并进一步管理、维护分布式计算环境中频繁变化、松散耦合的多个计算设备，并根据终端能力、用户偏好、业务特性、位置等因素，实现终端能力组件的动态发现、选择、聚合和适配，协同完成对同一业务的支持。

　　（2）蜂窝网络与无线多跳技术相结合的终端自组织协同

　　未来蜂窝移动通信网络面临的最大挑战是网络覆盖问题。由于蜂窝移动通信网络大都使用较高频段，在未来4G的高传输速率要求下，其穿透能力和非视距传输能力较差，因此造成网络的覆盖范围和传输性能不稳定，甚至存在盲区。为了解决网络覆盖问题，一种方法是增大基站数量和基站输出功率，但这将明显增加网络建设成本。而研究表明，即使采用多入多出技术（MIMO）、自适应天线技术等先进的信号处理技术，也不足以解决该问题。因此，将蜂窝网络与多跳无线通信技术相结合的新型网络结构将是解决网络覆盖问题的另一种有效途径。其中，通过将蜂窝网络与多跳无线通信技术结合，可以将原有单跳、性能差的无线链路用多跳合成的、性能好的无线链路代替。方案不仅能有效地消除盲区，还能够提高单个基站或AP的覆盖范围。

　　移动终端之间的自组织中继协同（移动中继）常常用于群组通信、应急通信、安全和军事等场景中，也常用作公共通信中对固定中继（由运营商部署功能和成本均低于基站和AP的固定中继站）的有效补充。

　　（3）蜂窝网络与无线传感器网络相结合的终端自组织协同

　　传统的无线传感器网络中，数量庞大的节点之间往往采用平等、多跳、自组织的无线通信方式完成用户指定的任务。而这种基于静态固定数据接入节点的网络存在着节点能量损耗不均匀、数据传输效率低下、部署缺乏灵活性、网络结构单一、容易产生路由空洞、覆盖空洞以及瓶颈节点等固有问题，往往导致其整体网络性能劣化。

　　而基于无线传感器网络与蜂窝网络相结合的层次型网络结构能够更有效地解决上述问题，并更适合应用在未来泛在、异构、协同的网络环境中。一方面，由于手机、PDA、笔记本电脑等移动终端（移动数据接入点）在能量、带宽、通信可靠性、传输范围、移动性等方面的特性和优势，具有多接口的手机或PDA移动终端可以利用其自身相对高速率的无线接口更便捷地将用户的任务需求和网络数据进行双向传递，同时还可以充分地利用蜂窝网络定位和传感器网络定位的混合模式为用户提供更丰富的基于位置的服务；另一方面，多个移动终端之间的协同工作能够更显著提高无线传感器网络的性能：将复杂的数据处理、接入处理、数据转发传输、路由维护等工作交由移动终端来完成，可以尽可能地降低由于多跳无线传输造成的数据错误（或丢包），还可以利用移动终端相对较强的计算能力减轻无线传感器网络的网内信息处理量。这种异构网络中的移动终端之间可以利用其自身的无线接口与上层固定的蜂窝基站或其它无线网络的接入点进行通信，不仅可以通过终端协同执行更有效地数据交互，而且极大地扩展了无线传感器网络的应用范围。

　　通过终端协同技术，能够带来如下优势：

　　（1）充分利用用户的多种可用终端能力和多种网络资源，真正实现泛在和异构融合。终端协同技术可以实现各种无线技术的真正有机结合，能够充分利用同一用户多种终端的不同能力集合，利用终端间的自组织协同中继，以及利用传感器网络丰富的感知能力，实现网络与服务的泛在和异构融合。

　　（2）提高通信的灵活性。基于协同技术为用户和终端提供了多样化的接入方式和服务提供方式，能够充分利用有基础设施网络与无基础设施网络的优势互补，获得较好的网络性能、灵活性和扩展性，成为未来移动通信系统的一种重要组成形式。

　　（3）解决盲区覆盖问题，扩大无线网络覆盖。通过将蜂窝网络与多跳无线通信技术结合，将原有单跳、性能差的无线链路用多跳合成的、性能好的无线链路代替，不仅能够有效地消除盲区，还能够提高单个基站或AP的覆盖范围。

　　（4）扩大系统容量。通过多跳转发机制可以降低发射功率，使得信道空间复用性提高；采用自组织方式建立局部业务，可以减轻接入点的瓶颈效应；通过转移热点小区的流量，可以实现资源的动态调节，提高了资源利用率。以上这些优势都有益于系统容量的提高。

　　（5）实现负载均衡。各无线覆盖区的业务量往往并不平衡并且动态变化，引入自组网的动态中继，可以将一个小区的流量分流到周边小区，从而有效地缓解了由于容量饱和而造成的业务阻塞和切换失败。

　　（6）组内直接通信，不占用基站和网络无线资源。对于距离比较近的移动节点，可以通过自组织通信方式直接通信，减少系统的负担，提高系统的总容量。

　　7 主要研究方向

　　支持异构网络融合的终端协同技术被看作是未来移动通信技术的核心组成部分之一，也是现阶段的研究热点之一。但是，应该看到在这种以终端协同为基础的有基础设施网络与无基础设施网络的融合网络环境中，无线技术的异构性、各种无基础设施网络所共有的多跳性、动态性和自组织性，以及终端之间的协同性也带来了路由协议、网络控制技术、移动性管理、服务提供、系统性能评价等方面的诸多问题。

　　在支持异构网络融合的终端协同技术研究中，存在以下问题：

　　（1）基于终端协同的自组织、自适应网络控制机制

　　有基础设施网络与无基础设施网络因其不同的特点而具有不同的网络控制机制。有基础设施网络大多采用集中式的网络控制机制，而无基础设施网络的无中心性则适合采用分布式的控制机制。这种控制机制基本思想的差异体现在路由协议、服务质量（QoS）保障和资源管理等各种控制与管理技术上。在支持异构网络融合的终端协同技术研究中，必然需要集中式与分布式相结合的、自组织、自适应的网络控制机制，能够针对引入终端协同后的动态、多跳、多路径的无线通信实施有效的控制。

　　（2）基于终端协同的移动性管理技术

　　传统的移动性管理技术大多研究特定网络内部的位置管理和水平切换控制，异构网络间的移动性管理技术则关注不同接入技术间的分层位置管理和垂直切换控制。有基础设施网络中的移动性管理技术相对成熟，而无基础设施网络中还没有系统的移动性管理技术。终端协同技术的引入，可以使得有基础设施网络与无基础设施网络有机结合。移动终端可能具有多个网络接口、具有蜂窝方式、自组织方式和混合方式等多种通信方式，并且往往也需要基于移动终端间的相对或绝对位置信息实现更为有效的自组织终端协同。因此，基于终端协同的移动性管理技术需要将位置管理与定位技术、位置服务相结合，实现自组织、自适应的通信方式切换控制。

　　（3）基于终端协同的服务协同技术

　　泛在、异构网络环境中包含有大量可提供不同信息和服务的智能设备。无基础设施网络中节点之间的对等特性使得任何一个移动终端都可以担任服务的提供者。终端之间的自组织协同更加需要高效的服务协同技术，包括基于终端协同的新的服务提供方式，动态、自组织、轻量级的服务广播、发现和请求机制等，从而高效利用各种网络资源与服务，这也是实现应用服务自动配置的关键。

　　（4）终端协同对系统性能的影响评估

　　目前的终端协同技术方案大多针对特定应用场景中的某一具体问题展开，实现局部性能的优化，对引入自组织多跳通信和多跳接入后对系统性能的影响也还局限于直观的断定和定性分析，而缺乏全面、系统的定量分析，并因此造成了在终端协同技术性能优势上的分歧和争议。因此，有必要从网络覆盖、系统容量、服务可用性和可靠性等角度定量评价终端协同技术对系统性能的影响，从而对网络规划、成本核算、网络整体性能评价和优化提供有益的参考。

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　　8 总结

　　网络协同可以发生在终端、网络和业务等各个层面。相对于基于网络体系结构革新的网络协同技术、基于开放业务接口的业务协同技术，终端协同技术更灵活、更经济，也更利于网络技术的平滑演进。因此，研究终端间的自组织协同技术，在通信的末梢区域内实现各种终端能力、通信方式和接入手段的有机结合，并充分利用无基础设施网络的多跳和自组织特性实现与有基础设施网络的结合，将会是未来移动通信和B3G/4G发展中的研究热点之一。  （待续）