移動泛在網絡環境（３）

[編者按] 以向個人提供始終最佳業務體驗(ABE)為動力的移動通信與泛在網絡的協同與融合，構成移動泛在業務環境(MUSE)，代表了下一代移動無線互聯網絡的重要發展方向。MUSE的研究將涉及計算模式體系、業務平臺體系、運營體系和終端構成體系的融合，這些都將涉及對新型網絡架構、控制方式、管理方式以及度量方法的探索與革新。網絡資源的變遷，促使網絡計算模式發生變化。為了使讀者對移動泛在業務環境有所了解，本講座將分3期對MUSE模型進行介紹：第1期介紹了MUSE的產生背景，以及未來MUSE發展的愿景模型；第2期介紹了MUSE模型中業務實現的關鍵技術及設計原則；本期將介紹MUSE模型中的網絡構架，網絡的關鍵技術及設計原則。

基金項目：國家自然基金項目(60632030)

7 MUSE的網絡架構

未來網絡在網絡層實現全IP化的趨勢已經非常明顯，各個標準化組織都在將它的體系結構向全IP發展。在網絡層以下，眾多的無線接入網絡以一個異構并存的方式在共同發展，不存在一個統一的趨勢。無線接入網絡在不同的覆蓋區域具有不同的地域優勢，高帶寬的無線局域網(WLAN)在咖啡廳、機場候機樓等熱點地區的應用逐漸普及；在廣域環境中，蜂窩技術以其強大的移動性仍處在主流地位；個人環境中，以超寬帶(UWB)為代表的各種近距離、低功率的寬帶無線通信技術已經嶄露頭角。隨著新應用的驅動，未來還將出現更多的技術，未來將是一個多元化的接入網時代，沒有統一的空中接口技術和組網方式。

網絡技術多樣化的原因在于各種無線通信技術都有各自的特點，沒有一種技術可以在任何條件下滿足用戶的所有需求。例如第三代蜂窩網絡能讓用戶即使在數百公里每小時的高速運動中仍然接收到連續穩定的語音業務，卻無法為用戶在靜止狀態下提供數十兆比特每秒的Internet網絡訪問；UWB技術可以提供在幾米范圍內的吉比特級的傳輸速率，卻不能提供大范圍的覆蓋。組網方式的不同、傳輸技術的差異，使得各種技術都將在未來的無線通信領域占據一席之地。

因此，異構的共存是未來網絡系統的基本特征之一。既然最終各種技術必將共生，那么就有必要從業務提供的角度從整體上對各種技術物種的共生關系進行規劃與設計，通過新的體系結構支持異構技術群體的和諧發展，使網絡走向有機的融合。

網絡協同融合正是移動泛在業務環境(MUSE)的核心思想之一。在MUSE中，通信系統通過各個異構子網絡的協同，能夠支持不同程度的移動與無縫的連接；同時，泛在智能的終端設備以及傳感器網絡還能夠充分交互環境及上下文信息，諸如個體偏好，用戶身體狀況、情緒，周圍環境的溫度、濕度等信息，支持信息空間與物理空間的融合。

在需求的作用下，屬性復雜、內容多元化的異質子系統融合將是一個過程，大致說來將分為3個階段：

第一階段是網絡逐步從隔離態走向互通態。這個階段的關鍵問題是實現異構系統互通。互通的層面將涉及業務層、網絡控制中間件層和接入層等各個層面。第二階段是異構互聯系統從互通態走向協同態，即形成協同網絡。協同從某種意義上就是意味著對于分離的、局部的優勢能力與資源進行聯合的、有序的整合。因此，一旦形成協同，本身就意味著對資源的優化使用。協同的優勢將通過協同業務提供表現出來，體現在對于移動泛在設備資源、計算資源與物理資源的綜合運用。接下來進入第三階段，整體影響局部。協同網絡作為整體影響子系統的特征，子系統又會影響整體系統，交互的作用使得協同網絡進入可進化的優化發展階段。開放的協同系統會引入更多的異構實體加入到協同系統中來，不斷擴張的結果是形成一個復雜巨系統。通過協同，系統涌現出自愈、自管理、自發現、自規劃、自調整、自優化等一系列新的方式。網絡演化的結果是出現更多的智能性，以提供有效服務為目標，呈現有序的總體增長。

從用戶角度出發的MUSE參考模型如圖5所示，主要功能要素為：用戶、終端業務環境(TSE)、網絡業務環境(NSE)和業務。

NSE包容了各種各樣的異構網絡，通過協同橋接終端業務環境與業務。在NSE中，異構的網絡充分融合并形成協同的自適應、自組織、自管理的網絡環境。NSE將根據TSE提供的上下文信息以及用戶的偏好進行網絡環境的適配，進行高效跨域的資源分配與無縫的業務提供，以向用戶提供最佳業務體驗。NSE將在其邊緣與大量具有典型自組織特色的終端環境交互融合，多個層次上的聯合控制與互相支持將為多種豐富的個性化業務提供創造巨大的空間。NSE還將提供開放的平臺以推動豐富多樣的以用戶為中心的業務的快速開發與部署。

8 NSE面臨的技術挑戰

實現一個全面融合的網絡業務環境并非易事。主要的技術挑戰來自以下幾個方面：

(1)頻譜資源的分配

未來的通信寬帶需求增加，使得頻譜資源變得非常緊張。然而，由于業務在時空分布的不均勻性，可通過頻率重分配和頻率動態分配結合業務需求進行頻率資源的有效利用。

(2)異構無線網絡的發現與選擇

異構的網絡屬于不同的運營商或者個體，對于多模式終端而言，需要能夠自動地識別當地的環境。對于無縫的異構切換而言，網絡需要了解自身的異構鄰居，目前沒有這樣的機制。在異構網絡環境中，自動化的網絡發現過程是非常意義的，因為運營商不可能對于自發存在的所有其他異構網絡進行結構方面的拓撲配置。

網絡選擇也是融合網絡中的重要問題，最佳業務體驗(ABE)的目標意味著選擇，用戶最終通過選擇網絡而影響異構網中元素的整體分布。

(3)跨域網絡的協同管理與控制

從用戶的角度來說，無縫的通信需要網絡之間能夠彼此協同工作。而從運營的角度出發，對于不同異構子網絡之間的資源優化也需要能夠有新的控制機制實現不同歸屬域網絡之間的協同管理與控制。協同管理與控制的內涵很廣泛，對于移動性的管理、無線資源的管理以及安全的管理都可以納入到這個范疇。MUSE體系需要一個靈活高效的信令系統作為支撐。

(4)軟件無線電技術以及網絡對于重構性的支持

軟件無線電技術對于實現異構網絡間的無縫互通提供了非常有吸引力的手段。此外，理論上軟件無線電技術也為新的技術進步提供了方便的升級方法。然而這一技術真正走向實用化還有一定的距離。基站和終端都有可能采用軟件無線電技術，如果這樣的情況出現，就有可能出現網絡整體重構優化的需求。

(5)空中接口技術之間的資源協同優化

多種的無線移動通信方式的共存將加劇對于頻譜資源的爭用情況。頻譜在空間和業務上必然會出現不均衡的分布。通過頻譜資源的協同調度可以優化整體的網絡性能。資源協同優化還包括業務量的平衡調度、信道選擇以及切換關系的選擇等。

(6)計費模式與通信模式互控

多種類型的通信技術意味著多種類型的服務和成本關系，也就意味著不同種類的資費關系。用戶總是會選擇資費低的通信方式，而價格將成為網絡運營的杠桿。由于無線技術在空間上的重疊的部署，價格與通信模式的互控方式顯得更加細粒度化和緊密化。

(7)網絡的自管理自控制技術

網絡的異構性帶來網絡管理的復雜性。而在MUSE環境中，除了異構性問題之外，受用戶移動性的影響，網絡還必須處理與所謂即時網絡的協同問題，如果這些動態的過程都需要人參與幾乎是不可能的。對網絡控制和管理提出的問題是如何讓人盡量少地參與網絡管理與控制，通過網絡之間的自調整自管理來達到網絡運行狀態的平衡。

(8)安全與信任

跨歸屬域節點與網絡的協同工作需要建立安全與信任關系。而許多狀態感知(Situation Aware)的新業務的提供也可能與維護用戶的私密性產生沖突。這種跨域的安全與信任問題是建立在域間的協商關系之上的，涉及通信控制的各個層面。另外，在異構環境中，還需要在不同的安全方式下實現相互的適配與轉換。

(9)環境整體的協同

當前核心網絡并不支持異構域之間的管理與控制，也不支持網絡化的終端業務環境。對于業務支撐平臺而言，不能夠支持這樣的跨域協同或任務分擔。接入網絡之間在資源管理以及路由和移動性管理需要與核心網絡在功能上能夠協同。從構建MUSE體系的整體需求來看，需要劃分層次，需要層間和域間的優化，來使得整個體系的協同更加高效。

9 MUSE網絡及其關鍵技術

9.1 網絡重構方面

重構技術是指針對無線接入環境的異構性特點，以異構資源的最優化使用和用戶對業務的最優化體驗為目標，綜合可編程、可配置、可抽象的硬件環境以及模塊化的軟件設計思想，使網絡和終端具備支持多種接入技術，且可靈活適配能力的技術。網絡重構理論是以分布式系統理論為基礎，研究面向多種接入技術、多種終端能力、多種業務需求并發的MUSE環境。具體來說包括如下相關技術的研究。

(1)系統可重構性技術

確定被重構對象所應具備的屬性，包括重構組件的粒度、原子性和完整性，異構元素相似能力的等價性；MUSE系統的強分布性、移動性、開放性和安全性對重構系統設計的制約，網絡的能力探測機制與方法。

(2)重構組件的命名規則

解決命名的全局性問題，建立異構名空間及其級別、名字解析、名字屬性的資源變遷機制。

(3)基于網絡的重構機制

終端重配置可以由終端發起也可以由網絡發起。終端的智能化使得終端可以與網絡、其他終端或者其他終端的新軟件交互。需要定義為完成重配置任務在通信實體間進行交互的程序和信令，需要規范一個最小信令集合來控制重配置程序，即請求、控制和管理過程。

研究還包括以下幾點：

從終端的角度對支持重配置過程的業務發現和隱含的無線中間件代理技術進行分析；

在動態頻譜環境中對所需功能的頻譜進行自動修改和RAT識別；

為垂直切換的協商開發通用的標準化協議；

鑒別無線中間件的需求和相應限制；

定義作為事務管理或交互管理的無線中間件業務；

最后建立一套完備的觸發、發現、協商、共識、執行、釋放的網絡重構機制。

(4)端到端重構框架

定義重構策略執行框架；制訂重構基本過程的信令交互以及組件間通信協議。

(5)優化重構

運用一定的選舉算法和調度機制，達到資源利用最優、用戶感受最優等優化目標。

(6)重構系統的資源管理

建立資源發現、資源記錄等機制及一致性的全局資源狀態訪問機制。

9.2 資源分配方面

在資源分配方面，MUSE以可控可管的方式高效地利用異構網絡資源，實現資源分配功能實體之間的協同工作機制。

9.2.1 MUSE中的RRM機制

首先將在現有的應用于單一移動網絡環境下的無線資源管理(RRM)算法基礎之上，研究充分利用異構網絡重構能力和傳輸能力的RRM算法，在充分考慮用戶體驗的同時提高聯合頻譜利用率，然后進一步研究利用統一的RRM接口支持RRM功能實體之間的協同工作以及協議層間的協同工作的RRM機制。

RRM是一個復雜的過程，但在4G網絡的部署中又是必不可少的。對于整個重配置決策過程的有效管理，RRM是發揮重配置優勢的必要條件。RRM包括動態的網絡資源管理(諸如頻譜等網絡資源)，同時為異構無線接入體系中的不同接入網動態地分配業務流。

JRRM可以定義為一組網絡的控制機制的集合。它們能夠支持智能的呼叫和會話接納控制，業務、功率的分布式處理，從而實現無線資源的優化使用和系統的容量最大化的目標。這些機制同時應用多種接入技術，并需要可重配置/多模終端的支持。

此外，在JRRM中還定義了層次化無線資源管理(HRRM)的方法。HRRM利用接入技術的通用核心功能的優勢，能夠使用內建的模塊構造完整的協議棧。

目前的頻譜分配方法相對固定，無法動態地為不同的接入技術分配頻帶。但是，異構技術的共存和協同使靈活、動態的頻譜管理成為可能。固定頻帶再也無需固定地分配給特定的接入技術，相反，通過智能的管理機制，頻帶的動態分配能夠實現各接入技術容量的最大化和干擾的最小化。

具體來說，RRM包括以下內容：

(1)基于重構理論的動態自適應RRM算法：能夠充分利用自適應編碼、自適應調制、自適應天線技術，并與具有可重構性的終端協同工作的動態自適應RRM算法。

(2)支持異構網絡的通用RRM算法：設計能夠整合不同空中接口的RRM算法以充分利用各個異構網絡的無線資源。包括基于分布式RRM代理的互操作和同時應用于異構網絡的通用RRM算法兩種策略。

(3)異構網絡下RRM算法的評估機制：建立全新的評估機制來對無線資源的使用進行綜合估計，獲得聯合無線資源利用率。

(4)RRM算法與移動IP QoS機制的交互：設計異構網絡下RRM算法對移動IP中QoS機制的支持方法，以及RRM實體與帶寬代理的交互策略。

(5)無線資源管理算法在MUSE中的驗證：包括對RRM算法效率的仿真研究，RRM算法評估機制的驗證。

9.2.2 MUSE中的QoS機制

MUSE中服務質量保障機制包括QoS機制的交互性、異構接入網絡之間的QoS。具體內容如下：

(1)基于ABE的多域通用QoS機制：在描述網絡、終端、業務的上下文信息的基礎之上，采用接入控制、資源預留、流量探測、多協議層間協同資源分配等策略，構建跨越異構接入網絡的通用QoS機制，在為用戶提供最佳業務體驗、保證聚合流服務質量的同時提高網絡資源利用率。

(2)不同QoS機制的互操作性：通過對不同網絡資源分配功能實體之間交互過程的研究，提供異構網絡之間的帶寬、時延、資源成本的協同管理策略。

(3)QoS支持協議：改進已有的QoS支持協議或者設計全新的QoS支持協議以支持MUSE中的跨越異構網絡、跨越多協議層的協同資源管理機制。

(4)QoS機制在MUSE中的驗證：包括對QoS機制的仿真研究，以及相應協議流程的完備性驗證。

9.3 協同控制機制與方法

在研究異構的核心網和接入網之間無縫的連接性、可控性基礎上，MUSE中的協同控制機制和方法實現異構網絡環境下智能、準確和可靠的協同控制，其中主要部分為針對MUSE中的移動管理。

在MUSE中，需要支持異構網絡的移動性管理機制來提供包括漫游管理、切換管理、尋呼管理等功能在內的通用移動性管理功能。首先要設計典型移動通信網絡之間的移動性管理機制，在此基礎之上建立通用的支持異構網絡環境的移動性管理機制，最后將這些機制在MUSE環境下進行驗證。具體內容包括：

(1)基于ABE的切換機制：充分利用網絡、終端、業務的上下文信息，以ABE為目標、同時兼顧最優聯合資源使用的切換管理機制。設計能夠考慮用戶體驗、當前網絡狀況、當前終端能力、當前業務使用狀況等因素，來綜合決定最優的切換時機、切換選擇、資源預留時機與預留機制的切換算法。

(2)基于異構網絡描述參數的漫游管理和尋呼管理機制：充分利用異構網絡描述參數的最優化漫游管理和尋呼管理機制，特別是利用不同網絡進行聯合尋呼時的尋呼代價、聯合尋呼問題，以及異構網絡之間漫游管理機制的互通性與可重構性問題。

(3)同時支持結構化網絡和自組織網絡的移動性管理：兼容結構化網絡和自組織網絡之間進行切換、漫游、尋呼的移動性管理機制。

(4)異構網絡切換中的安全機制：包括各異構網中用戶的統一管理機制、各服務提供商對用戶驗證的協同機制、用戶認證過程的算法及機制、統一的安全切換管理機制。

(5)移動性管理協議研究：改進已有的移動性管理協議或設計全新的移動性管理協議，以支持MUSE中的移動性管理。

(6)支持異構網絡環境的移動性管理機制在MUSE中的驗證：包括對切換算法實現效率的仿真研究，對移動性管理信令代價的仿真研究，以及移動性管理協議完備性的驗證。

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(續完)

收稿日期：2006-11-20