無線泛在網絡下虛擬終端技術研究綜述

趙遠林，張 暉，朱洪波

（南京郵電大學江蘇省無線通信重點實驗室，江蘇南京 210003）

無線泛在網絡下虛擬終端技術研究綜述

趙遠林，張 暉，朱洪波

（南京郵電大學江蘇省無線通信重點實驗室，江蘇南京 210003）

簡要介紹了虛擬終端技術的產生背景及定義，對虛擬終端典型應用場景進行了描述。系統地介紹了虛擬終端系統架構并分析其優缺點，提出一種全新的系統架構方式。對于虛擬終端通信協議及機制、虛擬終端資源優化策略進行了描述。最后，提出了未來的研究方向。

無線泛在網;虛擬終端;技術;綜述

隨著市場需求的不斷增長和各種無線技術的日益成熟，不同層次的無線技術互補融合形成無線泛在網絡［1－2］。無線泛在網絡的廣泛接入特性為各種終端設備在該網絡環境下獲取信息及提供業務提供了便利，同時也對整合終端設備及實現業務融合提出了巨大的挑戰，在此背景下一種新穎的虛擬終端技術應運而生。

由于技術發展和用戶需求的提高，終端設備的數量及種類逐漸增多，各種新型設備也在不斷涌現，例如手機、掌上PC、固定電話和數碼相機等。這些設備可能分屬于不同的通信網絡，具有不同的通信機制，其功能各異，設備能力也存在差異，它們從不同角度、不同層次滿足用戶需求，為用戶提供不同的業務。虛擬終端技術能夠使通信異構、功能互補的設備實現功能整合、資源整合和業務整合，最終最大限度的提升用戶體驗質量［3］。因此，該技術具有廣泛的應用前景和研究價值。

1 典型應用場景

虛擬終端技術是指在無線泛在網絡環境下，各種通信機制不同、功能各異的終端設備通過協同通信［4］實現功能互補和通信異構融合，形成一個為用戶提供統一業務的超級終端，如圖1所示。該技術可為用戶提供新穎業務或提高現有業務的實現質量，最終達到提升用戶體驗質量的目的。

圖1 虛擬終端技術示意圖

近年來，隨著科技的進步及設備種類的增長，虛擬終端技術由于其不可比擬的優勢得到了廣泛關注，對于該技術的研究也逐步深入。由于虛擬終端技術具有廣泛的應用前景，但其系統架構、通信協議機制等關鍵技術尚未形成統一標準，一定程度上限制了該技術的發展。

虛擬終端技術將不同終端融合以彌補傳統終端不足，提高了業務實現能力，易于滿足用戶不同層次的需求。下面介紹兩種虛擬終端技術典型應用場景，如圖2所示，并對其特性進行具體闡述。

圖2 虛擬終端應用場景示意圖

從圖2a可以看出，利用虛擬終端技術，掌上PC播放的在線視頻業務可以切換到液晶電視上播放以獲得優異的顯示效果;數碼相機拍攝的圖像馬上可以在打印機上打印出來以提高辦公的效率;通過手機進行的語音通話業務可以切換到車載設備上，使得用戶在駕駛汽車的過程中也能進行安全便捷的通話。從圖2b可以看出，為保證高清視頻業務的實時可靠傳輸，必須提供足夠多的網絡資源，以獲得較大的網絡吞吐量。然而，單一的網絡和終端可能無法做到這一點。利用虛擬終端技術，將業務流分割成若干子流，并分別通過不同的網絡（業務子流的傳輸速率與相應網絡的吞吐量匹配）傳輸到相應的終端，最終聚合成完整的高清業務流提供給用戶。

可以看出，虛擬終端技術既能有效保證單一業務的服務質量，又能通過不同業務的重構或整合，創造出大量新穎的業務，從根本上顛覆原有的業務模式，極大地提升用戶的業務體驗質量。隨著信息技術的進步和各種終端設備的快速發展，用戶需求日益也增加，用戶希望利用現有終端最大限度的滿足自身需求，最終實現智能家居、智能交通、智能辦公等應用。隨著科技進步和設備的發展，用戶需求和虛擬終端的業務類型將繼續增長，在此不一一列舉，下面對實現虛擬終端功能所需技術進行詳細介紹。

2 虛擬終端關鍵技術

2.1 系統架構

系統架構是虛擬終端技術實現各種異構網絡間融合的基礎，指終端與相應網絡之間以及不同網絡之間建立聯系，對于業務控制和接口進行定義，最終實現設備間功能互補和通信異構融合。通過虛擬終端系統的架設，能夠實現設備間功能整合、資源整合和業務整合，為用戶提供更優質和多樣化服務，提升用戶體驗質量。現存虛擬終端系統架構主要分為以基于中間服務器的系統架構、基于網關互聯的系統架構和基于第三方平臺的系統架構，下面分別進行介紹。

1）基于中間服務器的系統架構。根據虛擬終端的特性，網絡應用服務只需面向虛擬終端而不是多種高度異構的設備，文獻［5］提出了設備統一服務（Device Unifying Service）的概念和虛擬終端系統邏輯架構方式。在虛擬終端物理層和應用層之間架設中間服務器為異構網絡協同通信提供服務，中間服務器負責將網絡應用層業務傳輸至虛擬終端，由虛擬終端負責使用合適的設備完成業務。

2）基于網關互聯的系統架構。從物理網絡拓撲來看，所有的異構網絡通過網關連接在一起，不同的網絡依靠網關互聯，使分屬不同網絡的設備之間能夠進行通信。移動網絡、PSTN/ISDN網絡和因特網之間通過網關互聯并統一至標準IP網絡中，不同網絡中設備的管理由與該網絡連接的標準 IP 網絡實現［6－8］。

3）基于第三方平臺的系統架構。文獻［8］中提出了利用第三方平臺實現虛擬終端架構的方式。第三方平臺負責處理服務信息，管理虛擬終端中設備及接口，用戶無需對虛擬終端直接操作，只需在Web網頁上提供用戶名和密碼即可利用終端中設備滿足自身服務請求。

不同的架構方式有其各自特點，但也均存在一定不足:基于中間服務器的架構中，虛擬終端與應用層之間架設中間服務器用于傳輸控制，一旦該服務器遭到攻擊，虛擬終端的數據傳輸和設備管理均受到影響，系統即處于癱瘓狀態;基于網關互聯的系統架構中，各個網絡中數據流傳輸及管理信息均通過網關傳遞，容易造成網關負載過大造成癱瘓或者信息延時;基于第三方平臺的系統架構易于擴展，但同時數據傳輸和用戶信息更易于暴露于網絡中，安全系數最低。因此，本文提出一種改進的虛擬終端系統架構。

無線泛在網絡環境下虛擬終端系統面向用戶側、業務側、網絡側及終端側等幾重環境，如圖3所示。虛擬終端系統用戶側的作用為用戶需求驅動，由此引發業務側的業務適配、網絡側的網絡融合以及終端側的終端重構。與此同時，終端側、網絡側的QoS保障進一步促成了業務側QoS保障，最終實現用戶QoE保障。

圖3 虛擬終端環境示意圖

虛擬終端系統架構功能示意圖如圖4所示。

虛擬終端系統根據用戶提出的業務請求及當前網絡和設備狀況做出決策，動態的調整數據在設備間的分流及重定向傳輸，提高通信有效性，在對通信資源進行最優分配的同時為用戶提供高質量服務。其具體實現流程如下:首先用戶向虛擬終端系統發出業務請求，業務側感知后將用戶信息存儲在信息服務器中，同時由環境感知服務器感知當前網絡及終端環境。這些信息在信息服務器中融合后傳遞給決策服務器，由決策服務器做出決策，選擇最優網絡和設備實現業務。其次，網絡層利用融合網關實現異構網絡融合，在不同網絡間無縫傳輸數據信息。最后，終端側利用藍牙等技術完成設備的發現過程，由主控設備將所有設備信息上傳至業務側信息服務器，由信息服務器根據設備屬性和能力做出判決。

圖4 虛擬終端系統架構功能示意圖

2.2 虛擬終端通信協議及機制

虛擬終端網絡系統架構的目的是連接不同網絡中設備，實現高度異構終端之間的融合，使用戶能夠對虛擬終端進行統一管理。實際應用中，由于用戶或設備的移動性，各終端之間需要不斷進行重構聚合，需要利用各種通信協議和機制，主要為設備發現機制、設備認證機制和設備注冊機制，分別介紹如下。

設備發現機制是虛擬終端技術的重要組成部分，高效的設備發現機制能夠及時更新終端中設備信息，確保隨時使用最優設備進行數據傳輸。目前虛擬終端發現技術主要采用發展較為成熟的藍牙技術［9］，對藍牙連接建立機制的分析［10］是提高設備發現效率的關鍵因素。此外，藍牙技術同其他技術的結合可以更快完成設備發現過程［11］。除藍牙技術以外，其他短距離無線技術也可用于虛擬終端發現，如 UWB［12］，Zigbee［13］以及 IEEE 802.11［14］技術。無線泛在網絡環境下設備發現技術各異，且不同技術具有各自優勢。因此，應當根據具體場景和不同發現技術特點選擇適合的發現方案。

身份認證機制是保證網絡通信安全的必備條件，確保在不同網絡間傳輸數據的安全性。認證是指請求發起方向對方發送身份證明，驗證其真實有效性，并獲取接入許可的過程［15］。目前可能應用于虛擬終端的認證技術主要有以下幾種:虛擬終端處于動態移動環境中，利用周圍環境信息實現認證存在一定復雜度［16］，因此可以采用傳統的基于證書的認證方式［17］。由于設備間具有自組織功能，也可以采用將認證信息分布在各節點中的方式，實現完全分布認證策略［18］，此時設備間通信協議需要輕度載荷［19］。此外，虛擬終端中設備高度異構且可能處于漫游狀態，因此融合網絡架構和協議［20］也是設備認證的重要組成部分。不同認證方法具有其特性，應根據虛擬終端特點選取合適的認證方式，實現快速安全認證。

各種網絡高度異構且終端移動性較強，這就對設備注冊過程提出了更高要求，既要滿足安全性，又要支持設備移動性和異構網絡間融合。目前，可能應用于虛擬終端系統注冊的方式為以下幾種:為了解決虛擬終端中設備數目眾多的問題，可以對虛擬終端中設備編號，采用基于ID的移動IP網絡中注冊協議，使注冊時延最小化［21］。注冊過程也可以采用安全的注冊協議，滿足資源受限設備需求［22］。在用戶處于漫游狀態時，為了節省時間，還可以將認證和注冊過程整合，實現認證注冊一體化，減少通信過程時延［23］。虛擬終端系統面臨著異構網絡融合及終端設備移動性兩大難題。如何協調兩者關系以便更好地實現發現、認證和注冊機制還有待進一步的研究。

2.3 資源優化策略

虛擬終端旨在實現不同網絡融合，充分利用網絡資源為用戶提供多樣化服務，在應用過程中終端移動性造成設備聚合和重構。因此，選擇合適的算法完成設備聚合與重構過程［24］，實現網絡資源優化［25］是研究的重點。網絡資源優化是指通過采用不同策略，將網絡中現有資源進行合理分配及整合，提高資源利用效率。目前，各種無線通信系統融合機制［26］是影響網絡資源優化的一個重要因素，常用優化方法是利用不同的模型和算法［27］實現網絡資源分配方法公平［28］和有效利用。目前常用的異構網絡資源優化策略包括以下幾種:聯合資源管理［29］，動態頻譜分配［30］，博弈論算法［31］。

聯合資源管理集中研究無線網絡接入控制策略。異構網絡環境下，由于不同的服務類型和用戶偏好需要不同的QoS保障，因此需要選擇合適的接入網絡使業務與網絡適配。聯合無線資源管理在呼叫發起時候和呼叫進行時候采用多輸入決策算法進行網絡接入分配，其基本框架如圖5所示。常用的輸入決策算法包括模糊邏輯算法、多屬性決策算法和策略機制算法。模糊邏輯算法則可以在決策的時候不需要精確的數據，模擬人的思維方式進行決策，多屬性決策算法通過定義備選方案及其屬性的效用函數決定選擇接入網絡，策略機制算法的引用建立在一套完整的無線資源管理與分配法則基礎之上。

圖5 聯合無線資源管理決策過程

動態頻譜分配方式的提出旨在解決傳統的靜態頻譜方式對于頻譜資源的浪費問題，該方法根據不同的接入網在不同時刻對于頻譜利用情況的差異性，將空閑頻譜按需動態分配。動態頻譜分配采用周期性的頻譜預測分配方案，準確的預測能夠提供更好的頻譜分配方案，通用的預測模型為自回歸滑動平均模型

式中:Y={Yt|t∈T}表示預測得到的預測值序列;Wt是誤差項，一般情況下滿足均值為0、方差為σ2的正態分布;φ是該自回歸模型的參數;X={X1，X2，…}代表過去的觀測值;θ是滑動平均的權值。雖然現存的動態頻譜接入策略能夠在一定程度上解決頻譜浪費的問題，但目前策略大多集中在給定技術的有效頻譜分配方面，由于無線網絡具有動態性、移動性和信道時變性，因此不太適用于動態網絡。

3 結論

本文首先對虛擬終端概念及分類進行了介紹，然后對其系統架構、通信協議和機制及資源優化策略，隨著物聯網的發展，虛擬終端因其能夠滿足人們不斷增長的需求、實現單一網絡所不能完成的功能，同時提高網絡傳輸性能及吞吐量，因而越來越受到業界關注。盡管國外對虛擬終端進行了一定的研究，但尚未成熟，未能將虛擬終端的作用完全實現。筆者認為虛擬終端技術今后的發展過程有如下3個瓶頸有待突破:

1）虛擬終端發現機制研究。虛擬終端的發現機制影響設備發現速率，進一步影響數據傳輸及用戶體驗質量，在無線泛在網絡環境下，用戶和設備的移動性造成設備發現機制更為復雜。因此，對于現有發現協議及發現技術進行改進，提高設備發現速率和數據傳輸速率將是以后研究的重點。

2）虛擬終端通信安全機制研究。在異構融合網絡環境下，保證網絡的通信安全比單一網絡環境下更加具有挑戰性。根據虛擬終端的分類情況，在多用戶和公共場景下如何實現通信過程中的認證及管理機制以保證通信過程中數據的保密性和完整性尚待解決。

3）虛擬終端通信計費機制研究。目前對于虛擬終端的研究尚停留在技術領域，由于該技術的廣泛適用性，市場化是必然趨勢。此時就不得不考慮在通信過程中的計費機制，該問題涉及到各運營商之間網絡切換等方面，其解決方案有待商榷。

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Survey on Virtual Terminal Technology in Wireless Ubiquitous Networks

ZHAO Yuanlin，ZHANG Hui，ZHU Hongbo

（Jiangsu Provincial Key Lab of Wireless Communications，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China）

Firstly，the background and concept the virtual terminal technology are briefly introduced.Then，the typical scenarios are described.After that，the existing architectures are described，and the advantages and disadvantages are analyzed.A new architecture is proposed.After that，the communication protocols and mechanisms，together with the resource optimistic of the virtual terminal are introduced.Finally，the future research directions of these components are proposed.

wireless ubiquitous networks;virtual terminal;technology;survey

TN929.5

A

【本文獻信息】趙遠林，張暉，朱洪波.無線泛在網絡下虛擬終端技術研究綜述［J］.電視技術，2013，37（3）.

國家自然科學基金項目（61101105）;教育部博士點基金項目（20113223120001）;工信部軟科學課題（2011－R－70）;江蘇省高校自然科學研究項目（10KJB510013）;江蘇省博士后科研基金項目（1102012C）;國家科技重大專項（2011ZX03005－004－03）;江蘇“973”項目（BK2011027）

趙遠林（1991— ），女，碩士生，主研下一代無線泛在網絡;

張 暉（1982— ），副教授，碩士生導師，主研下一代無線泛在網絡;

朱洪波（1956— ），南京郵電大學副校長，教授，博士生導師，主研無線通信與電磁兼容，移動通信與超寬帶無線技術等。

責任編輯:任健男

2012－10－20