物聯(lián)網(wǎng)與泛在智能(2)

5 研究及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

無線通信技術近些年來得到了迅猛的發(fā)展，各種層出不窮的無線技術共同為用戶提供了泛在、異構的網(wǎng)絡環(huán)境，包括無線個域網(wǎng)(如Bluetooth)、無線局域網(wǎng)(如WiFi)、無線城域網(wǎng)(如WiMAX)、無線移動廣域網(wǎng)(如2G、3G)、衛(wèi)星網(wǎng)絡，以及AdHoe網(wǎng)絡、無線傳感器網(wǎng)絡等。

這些異構無線網(wǎng)絡分別具有各自不同的背景、目標、發(fā)展方向、系統(tǒng)結構等。從網(wǎng)絡體系結構角度，可以將其分為兩大類：一是有基礎設施的無線網(wǎng)絡，這類網(wǎng)絡結構中包含基站、接入點、路由器等網(wǎng)絡基礎設施，例如蜂窩移動通信網(wǎng)絡、無線局域網(wǎng)等；二是以AdHoe技術為基礎和典型代表的無基礎設施的無線網(wǎng)絡，這類網(wǎng)絡以動態(tài)性、多跳性、無中心性及自組織性為顯著特點，例如移動AdHoe網(wǎng)絡、無線傳感器網(wǎng)絡等。

有基礎設施網(wǎng)絡和無基礎設施網(wǎng)絡之間存在著顯著的互補特性。前者具有強大的業(yè)務平臺、完善的運營模式和管理體系，但由于采用相對集中的控制和管理體系而缺乏靈活性；后者因其自組織性而具有顯著的靈活性，但傳輸距離短，并缺乏完善的運營模式和管理體系。盡管這些無線網(wǎng)絡為用戶提供了多種多樣的通信方式、接人手段和無處不在的接人服務，但是，要實現(xiàn)真正自組織、自適應的泛在服務，還需要充分利用不同網(wǎng)絡間的互補特性，通過協(xié)同實現(xiàn)異構無線網(wǎng)絡技術的有機結合。

終端技術的發(fā)展也呈現(xiàn)出明顯的多樣化、智能化、多模化趨勢。終端類型日益豐富，除了傳統(tǒng)的PC機、手機，還包括具有豐富感知能力和一定計算能力、通信能力的傳感器終端、以及帶有采用射頻識別技術(RFID)芯片的數(shù)據(jù)終端等。終端也具有越來越多的控制智能，成為集承載話音、數(shù)據(jù)、視頻等多媒體業(yè)務，以及連接互聯(lián)網(wǎng)完成瀏覽、下載、網(wǎng)上交易等功能為一體的智能化信息終端，尤其是多種無線網(wǎng)絡的重疊覆蓋也使多模終端發(fā)展迅速。因此，終端技術的發(fā)展也為支持異構網(wǎng)絡融合的協(xié)同技術提供了重要的前提和可能。

目前，中國和國外的眾多研究組織、產(chǎn)業(yè)界各大公司和國際標準化組織都將支持異構網(wǎng)絡融合的終端協(xié)同技術作為其面向下一代無線通信網(wǎng)絡研究的重要組成部分，做了大量的研究和試驗工作。

許多國際知名大學和研究組織都針對基于異構網(wǎng)絡融合的終端協(xié)同技術提出了新的網(wǎng)絡模型，并試圖解決其中的一些關鍵技術。例如，貝爾實驗室和加利福尼亞大學聯(lián)合提出的融合蜂窩網(wǎng)和自組網(wǎng)的無線網(wǎng)絡框架(UCAN)、耶魯大學提出的支持自組織中繼的蜂窩系統(tǒng)(PARCEL)、斯坦福大學提出的基于移動節(jié)點輔助的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡模型(MADF)、美國自然科學基金資助的分組多跳無線網(wǎng)fsOPRANO)項目、美國喬治亞技術學院開展的Sphinx研究項目、紐約州立大學提出的支持中繼的蜂窩和自組織集成系統(tǒng)(iCAR)，都是將蜂窩網(wǎng)絡與移動自組織網(wǎng)絡相結合，在混合無線網(wǎng)絡中實現(xiàn)終端間自組織中繼與協(xié)同的典型技術。此外，由歐盟委員會資助的該項目由包括研究組織、產(chǎn)業(yè)界及政府部門在內(nèi)的16家機構共同參與。U2010項目充分利用現(xiàn)有或未來的網(wǎng)絡基礎架構和Ad Hoc網(wǎng)絡的最新研究成果，通過協(xié)同技術使得在發(fā)生事故、事變、災難、危機等情況下，仍然能夠提供最有效的通信方式和信息獲取途徑。盧森堡大學的研究項目ABASSMUS、HyWercs和SoNI均基于骨干網(wǎng)絡與自組織網(wǎng)絡的結合架構，使得移動終端可以作為服務的提供者實現(xiàn)協(xié)同。

產(chǎn)業(yè)界的各大公司為了優(yōu)化無線通信網(wǎng)絡性能及開拓新的服務模式，也對終端協(xié)同技術進行了大量的研究，并配合網(wǎng)絡運營商進行現(xiàn)網(wǎng)試驗。例如，SIBM提出的一種支持多跳的混合無線網(wǎng)絡模型(HWN)；Lucent提出的支持自組織方式的全球移動通訊系統(tǒng)(GSM)網(wǎng)絡(A-GSM)等對下一代GSM蜂窩網(wǎng)中繼能力進行研究，在盡可能減少對現(xiàn)有GSM系統(tǒng)改動的基礎上，使移動臺具有中繼功能，由此增強GSM網(wǎng)絡的覆蓋能力。

國際標準組織也對異構網(wǎng)絡的協(xié)同技術做了大量研究。例如，國際電信聯(lián)盟(ITU)的泛在網(wǎng)絡工作組基于“泛在網(wǎng)絡”的概念，RFID等無線技術提供無處不在的監(jiān)控、感知和通信能力，并進行了大量的研究和試驗網(wǎng)搭建工作。WWIF提出的未來無線通信的愿景模型——移動泛在業(yè)務環(huán)境(MUSE)，從業(yè)務、網(wǎng)絡和終端等各個角度全面闡述了未來無線網(wǎng)絡中可能的各種協(xié)同技術。第三代合作伙伴計劃(3GPPl也在TR 25.924中提出機會驅(qū)動的多種接人模型(ODMA)，在UTRA時分雙工(TDD)模式中對支持移動終端的中繼協(xié)同進行了研究。2010年2月2日，中國通信標準化協(xié)會(cCSA)也成立了泛在網(wǎng)技術工作委員會fTCl0)，強調(diào)“無所不在”和“泛在”的通信理念。

6應用場景及技術優(yōu)勢

終端協(xié)同的主要應用場景包括：

(1)同一用戶多個終端設備間的自組織組網(wǎng)與協(xié)同

同一用戶的多個終端設備之間可以通過無線接口實現(xiàn)自組織組網(wǎng)，并進一步管理、維護分布式計算環(huán)境中頻繁變化、松散耦合的多個計算設備，并根據(jù)終端能力、用戶偏好、業(yè)務特性、位置等因素，實現(xiàn)終端能力組件的動態(tài)發(fā)現(xiàn)、選擇、聚合和適配，協(xié)同完成對同一業(yè)務的支持。

(2)蜂窩網(wǎng)絡與無線多跳技術相結合的終端自組織協(xié)同

未來蜂窩移動通信網(wǎng)絡面臨的最大挑戰(zhàn)是網(wǎng)絡覆蓋問題。由于蜂窩移動通信網(wǎng)絡大都使用較高頻段，在未來4G的高傳輸速率要求下，其穿透能力和非視距傳輸能力較差，因此造成網(wǎng)絡的覆蓋范圍和傳輸性能不穩(wěn)定，甚至存在盲區(qū)。為了解決網(wǎng)絡覆蓋問題，一種方法是增大基站數(shù)量和基站輸出功率，但這將明顯增加網(wǎng)絡建設成本。而研究表明，即使采用多人多出技術(MIMO)、自適應天線技術等先進的信號處理技術，也不足以解決該問題。因此，將蜂窩網(wǎng)絡與多跳無線通信技術相結合的新型網(wǎng)絡結構將是解決網(wǎng)絡覆蓋問題的另一種有效途徑。其中，通過將蜂窩網(wǎng)絡與多跳無線通信技術結合，可以將原有單跳、性能差的無線鏈路用多跳合成的、性能好的無線鏈路代替。方案不僅能有效地消除盲區(qū)，還能夠提高單個基站或AP的覆蓋范圍。

移動終端之間的自組織中繼協(xié)同(移動中繼)常常用于群組通信、應急通信、安全和軍事等場景中，也常用作公共通信中對固定中繼(由運營商部署功能和成本均低于基站和AP的固定中繼站)的有效補充。

(3)蜂窩網(wǎng)絡與無線傳感器網(wǎng)絡相結合的終端自組織協(xié)同

傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡中，數(shù)量龐大的節(jié)點之間往往采用平等、多跳、自組織的無線通信方式完成用戶指定的任務。而這種基于靜態(tài)固定數(shù)據(jù)接人節(jié)點的網(wǎng)絡存在著節(jié)點能量損耗不均勻、數(shù)據(jù)傳輸效率低下、部署缺乏靈活性、網(wǎng)絡結構單一、容易產(chǎn)生路由空洞、覆蓋空洞以及瓶頸節(jié)點等固有問題，往往導致其整體網(wǎng)絡性能劣化。

而基于無線傳感器網(wǎng)絡與蜂窩網(wǎng)絡相結合的層次型網(wǎng)絡結構能夠更有效地解決上述問題，并更適合應用在未來泛在、異構、協(xié)同的網(wǎng)絡環(huán)境中。一方面，由于手機、PDA、筆記本電腦等移動終端(移動數(shù)據(jù)接入點)在能量、帶寬、通信可靠性、傳輸范圍、移動性等方面的特性和優(yōu)勢，具有多接口的手機或PDA移動終端可以利用其自身相對高速率的無線接口更便捷地將用戶的任務需求和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行雙向傳遞，同時還可以充分地利用蜂窩網(wǎng)絡定位和傳感器網(wǎng)絡定位的混合模式為用戶提供更豐富的基于位置的服務；另一方面，多個移動終端之間的協(xié)同工作能夠更顯著提高無線傳感器網(wǎng)絡的性能：將復雜的數(shù)據(jù)處理、接入處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸、路由維護等工作交由移動終端來完成，可以盡可能地降低由于多跳無線傳輸造成的數(shù)據(jù)錯誤(或丟包)，還可以利用移動終端相對較強的計算能力減輕無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)內(nèi)信息處理量。這種異構網(wǎng)絡中的移動終端之間可以利用其自身的無線接口與上層固定的蜂窩基站或其它無線網(wǎng)絡的接人點進行通信，不僅可以通過終端協(xié)同執(zhí)行更有效地數(shù)據(jù)交互，而且極大地擴展了無線傳感器網(wǎng)絡的應用范圍。

通過終端協(xié)同技術，能夠帶來如下優(yōu)勢：

(1)充分利用用戶的多種可用終端能力和多種網(wǎng)絡資源，真正實現(xiàn)泛在和異構融合。終端協(xié)同技術可以實現(xiàn)各種無線技術的真正有機結合，能夠充分利用同一用戶多種終端的不同能力集合，利用終端間的自組織協(xié)同中繼，以及利用傳感器網(wǎng)絡豐富的感知能力，實現(xiàn)網(wǎng)絡與服務的泛在和異構融合。

(2)提高通信的靈活性 基于協(xié)同技術為用戶和終端提供了多樣化的接人方式和服務提供方式，能夠充分利用有基礎設施網(wǎng)絡與無基礎設施網(wǎng)絡的優(yōu)勢互補，獲得較好的網(wǎng)絡性能、靈活性和擴展性，成為末米移動通信系統(tǒng)的一種重要組成形式。

(3)解決盲區(qū)覆蓋問題，擴大無線網(wǎng)絡覆蓋。通過將蜂窩網(wǎng)絡與多跳無線通信技術結合，將原有單跳、性能差的無線鏈路用多跳合成的、性能好的無線鏈路代替，不僅能夠有效地消除盲區(qū)，還能夠提高單個基站或AP的覆蓋范圍。

(4)擴大系統(tǒng)容量。通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)機制可以降低發(fā)射功率，使得信道空間復用性提高；采用自組織方式建立局部業(yè)務，可以減輕接入點的瓶頸效應；通過轉(zhuǎn)移熱點小區(qū)的流量，可以實現(xiàn)資源的動態(tài)調(diào)節(jié)，提高了資源利用率。以上這些優(yōu)勢都有益于系統(tǒng)容量的提高。

(5)實現(xiàn)負載均衡。各無線覆蓋區(qū)的業(yè)務量往往并不平衡并且動態(tài)變化，引入自組網(wǎng)的動態(tài)中繼，可以將一個小區(qū)的流量分流到周邊小區(qū)，從而有效地緩解了由于容量飽和而造成的業(yè)務阻塞和切換失敗。

(6)組內(nèi)直接通信，不占用基站和網(wǎng)絡無線資源。對于距離比較近的移動節(jié)點，可以通過自組織通信方式直接通信，減少系統(tǒng)的負擔，提高系統(tǒng)的總容量。

7主要研究方向

支持異構網(wǎng)絡融合的終端協(xié)同技術被看作是未來移動通信技術的核心組成部分之一，也是現(xiàn)階段的研究熱點之一。但是，應該看到在這種以終端協(xié)同為基礎的有基礎設施網(wǎng)絡與無基礎設施網(wǎng)絡的融合網(wǎng)絡環(huán)境中，無線技術的異構性、各種無基礎設施網(wǎng)絡所共有的多跳性、動態(tài)性和自組織性，以及終端之間的協(xié)同性也帶來了路由協(xié)議、網(wǎng)絡控制技術、移動性管理、服務提供、系統(tǒng)性能評價等方面的諸多問題。

在支持異構網(wǎng)絡融合的終端協(xié)同技術研究中，存在以下問題：

(1)基于終端協(xié)同的自組織、自適應網(wǎng)絡控制機制

有基礎設施網(wǎng)絡與無基礎設施網(wǎng)絡因其不同的特點而具有不同的網(wǎng)絡控制機制。有基礎設施網(wǎng)絡大多采用集中式的網(wǎng)絡控制機制，而無基礎設施網(wǎng)絡的無中心性則適合采用分布式的控制機制。這種控制機制基本思想的差異體現(xiàn)在路由協(xié)議、服務質(zhì)量(Qos)保障和資源管理等各種控制與管理技術上。在支持異構網(wǎng)絡融合的終端協(xié)同技術研究中，必然需要集中式與分布式相結合的、自組織、自適應的網(wǎng)絡控制機制，能夠針對引入終端協(xié)同后的動態(tài)、多跳、多路徑的無線通信實施有效的控制。

(2)基于終端協(xié)同的移動性管理技術

傳統(tǒng)的移動性管理技術大多研究特定網(wǎng)絡內(nèi)部的位置管理和水平切換控制，異構網(wǎng)絡間的移動性管理技術則關注不同接入技術間的分層位置管理和垂直切換控制。有基礎設施網(wǎng)絡中的移動性管理技術相對成熟，而無基礎設施網(wǎng)絡中還沒有系統(tǒng)的移動性管理技術。終端協(xié)同技術的引入，可以使得有基礎設施網(wǎng)絡與無基礎設施網(wǎng)絡有機結合。移動終端可能具有多個網(wǎng)絡接口、具有蜂窩方式、自組織方式和混合方式等多種通信方式，并且往往也需要基于移動終端間的相對或絕對位置信息實現(xiàn)更為有效的自組織終端協(xié)同。因此，基于終端協(xié)同的移動性管理技術需要將位置管理與定位技術、位置服務相結合，實現(xiàn)自組織、自適應的通信方式切換控制。

(3)基于終端協(xié)同的服務協(xié)同技術

泛在、異構網(wǎng)絡環(huán)境中包含有大量可提供不同信息和服務的智能設備。無基礎設施網(wǎng)絡中節(jié)點之間的對等特性使得任何一個移動終端都可以擔任服務的提供者。終端之間的自組織協(xié)同更加需要高效的服務協(xié)同技術，包括基于終端協(xié)同的新的服務提供方式，動態(tài)、自組織、輕量級的服務廣播、發(fā)現(xiàn)和請求機制等，從而高效利用各種網(wǎng)絡資源與服務，這也是實現(xiàn)應用服務自動配置的關鍵。

(4)終端協(xié)同對系統(tǒng)性能的影響評估

目前的終端協(xié)同技術方案大多針對特定應用場景中的某一具體問題展開，實現(xiàn)局部性能的優(yōu)化，對引入自組織多跳通信和多跳接入后對系統(tǒng)性能的影響也還局限于直觀的斷定和定性分析，而缺乏全面、系統(tǒng)的定量分析，并因此造成了在終端協(xié)同技術性能優(yōu)勢上的分歧和爭議。因此，有必要從網(wǎng)絡覆蓋、系統(tǒng)容量、服務可用性和可靠性等角度定量評價終端協(xié)同技術對系統(tǒng)性能的影響，從而對網(wǎng)絡規(guī)劃、成本核算、網(wǎng)絡整體性能評價和優(yōu)化提供有益的參考。

8總結

網(wǎng)絡協(xié)同可以發(fā)生在終端、網(wǎng)絡和業(yè)務等各個層面。相對于基于網(wǎng)絡體系結構革新的網(wǎng)絡協(xié)同技術、基于開放業(yè)務接口的業(yè)務協(xié)同技術，終端協(xié)同技術更靈活、更經(jīng)濟，也更利于網(wǎng)絡技術的平滑演進。因此，研究終端間的自組織協(xié)同技術，在通信的末梢區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)各種終端能力、通信方式和接人手段的有機結合，并充分利用無基礎設施網(wǎng)絡的多跳和自組織特性實現(xiàn)與有基礎設施網(wǎng)絡的結合，將會是未來移動通信和B3G／4G發(fā)展中的研究熱點之一。