泛在網絡技術及其應用

馬滿倉

（中國電子系統工程研究所 北京100840）

1 引言

1988年，普適計算之父Mark Weiser預言了未來的網絡模式：“網絡如同空氣和水一樣，自然而深刻地融入人類的日常生活和工作中。”20多年過去了，微處理器的性能每隔18個月提高一倍，通信帶寬增長到上百Mbit/s甚至Gbit/s，各種終端變得更小、更輕、更薄、更加便宜和堅固，與泛在網絡技術相關的科技和產業開始了蓬勃的發展。這一切預示著Weiser先生的預言正在成為現實，互聯網已經開始自然地融入到人類的日常生活和工作中，泛在網絡正在以飛快的速度發展。

2 泛在網絡內涵

2.1 起源

泛在計算（ubiquitous computing）是 1991年施樂實驗室的計算機科學家Mark Weiser提出的一種超越桌面計算的全新計算模式。他認為泛在計算目的在于使計算機在整個物理環境中都是可獲得的，而用戶覺察不到計算機的存在，讓人們注意的發展中心回歸到要完成的任務本身。在此基礎上，日韓衍生出了泛在網絡（ubiquitous network），歐盟提出了環境感知智能（ambient intelligence），北美提出了普適計算（pervasive computing）等說法。盡管這些概念的描述不盡相同，但是其核心內涵卻相當一致。其目標都是“要建立一個充滿計算和通信能力的環境，同時使這個環境與人們逐漸地融合在一起”。

現在國際上對“泛在網絡”的研究正在逐步推進之中。前幾年，日本和韓國通過加快推進“e-Japan戰略”和“e-Korea計劃”，使得各自國家信息通信基礎設施建設的水平得到了全面提升。日韓兩國通信融合發展大勢，提出了構建可以在任何時間、任何地點、任何人、任何物都能實現通信的 “泛在網絡”的構想，致力于實現從 “e時代”（electronic）向“u 時代”（ubiquitous）的轉變。

2.2 傳感器網、物聯網和泛在網絡的關系

（1）三者定義有重疊

傳感器網是利用各種傳感器（光、電、溫度、濕度、壓力等）加上中低速的近距離無線通信技術構成一個獨立的網絡，是由多個具有有線或無線通信與計算能力的低功耗、小體積的微小傳感器節點構成的網絡系統，它一般提供局域或小范圍內物與物之間的信息交換功能。

物聯網是指在物理世界的實體中部署具有一定感知、計算或執行能力的各種信息傳感設備，通過網絡設施實現信息傳輸、協同和處理，從而實現廣域或大范圍的人與物、物與物之間信息交換需求的互聯。物聯網包括各種末端網、通信網絡和應用3個層次，其中末端網包括各種實現與物互聯的技術，如傳感器網絡、RFID、二維碼、短距離無線通信技術、移動通信模塊等。傳感器網絡是物聯網末端采用的關鍵技術之一。

泛在網絡是指基于個人和社會的需求，利用現有的網絡技術和新的網絡技術，實現人與人、人與物、物與物之間按需進行的信息獲取、傳遞、存儲、認知、決策、使用等服務，網絡超強的環境感知、內容感知及其智能性，為個人和社會提供泛在的、無所不含的信息服務和應用。

（2）未來定位不同

未來泛在網、物聯網、傳感器網各有定位，傳感器網是泛在/物聯網的組成部分；物聯網采用各種不同的技術把物理世界的各種智能物體、傳感器接入網絡；物聯網是泛在網發展的物聯階段，通信網、互聯網、物聯網之間相互協同融合是泛在網發展目標。

3 泛在網絡的關鍵技術

總的來說，泛在網絡所涉及的技術體系有3大類，包括智能終端系統、基礎網絡技術以及應用技術。

3.1 智能終端系統

在智能終端方面，未來泛在網絡的智能終端是融合的，不只是傳統意義上的融合通信終端，是對人進行多方面能力延伸的終端。例如：需要具備人對環境的感知能力的延伸，多功能傳感技術、音視頻識別、理解、監測等技術將得到廣泛應用；具備人對物理世界的操作能力的延伸，具有電子控制和遠程執行等能力。

使用智能終端，可降低網絡的復雜程度，提高網絡的健壯性、互操作性和擴展性；使用智能終端，網絡的投資成本將會降低，因為它使用更加簡單的網絡架構、基于網絡的可靠性以及在網絡和終端之間共享網絡功能；使用智能終端，網絡的運營成本也將會降低，因為業務推出具有靈活性，網絡維護工作減少了以及升級機制簡單了。

3.2 基礎網絡技術

泛在網絡是在現有網絡設施的基礎上，增加新的網絡基礎設施構成的。融合是現有網絡基礎設施的未來發展趨勢，即具備融合固定和移動業務能力和融合電信、互聯網、廣電網業務的能力。未來的網絡需要超強的智能性，即要具備感知環境、內容、語言、文化的能力。泛在網絡要滿足各種層次的信息化應用，要求基礎網絡具有不同安全等級和不同服務質量的網絡能力。泛在網絡最重要的一個特征是無縫的移動性，移動寬帶網絡是最重要的網絡基礎設施。新型光通信、分組交換、互聯網管控、網絡測量和仿真、多技術混合組網都是泛在網絡的關鍵技術。

3.3 應用層技術

泛在網絡的應用層主要指為各種具體應用提供公共服務支撐環境。應用平臺層的主要技術特征是開放性和規范性，應用平臺設計的主要技術領域包括軟件中間件、資源描述與組織、各種標識的管理、信息安全保證、網絡計算、數據分析與挖掘等。

4 泛在網絡在軍事領域的應用

目前，泛在網絡的應用已經在許多產業領域提升了服務水平，如政府管理、金融服務、后勤；環境保護、家庭網絡、醫療保健、辦公大樓等的自動化和智能化服務等。近期的熱點應用領域是食品/藥品安全、市政監控、生產監控、家庭電信融合、汽車通信和娛樂服務等。

在瞬息萬變的戰場環境中，如果能識別敵人的作戰意圖，及時協調并組織已方多兵種的戰斗力，就可以有效地破壞敵方的攻擊；如果能精確、快速地評估戰場態勢，協同調配己方多兵種兵力，有效地損毀敵方的戰斗力，就可以掌握戰場的主動權。這一目標需要軍用泛在網絡的支持。通過該網絡，各級指揮中心獲取并共享全面的戰場態勢，有利于制定優化的作戰方案；通過該網絡，作戰要素協同行動，達到提升整體作戰效能的目標。

4.1 軍用泛在網絡特征

軍用泛在網絡應具有如下特征：

·融合的網絡，各類子網協同工作，高效利用頻譜資源；

·可靠的、自愈的、自組織的異構網絡；

·覆蓋到整個軍隊的所有等級，為作戰人員及各類作戰設備提供通信支持；

·具有作戰業務需求的QoS保障，在指定的時刻，將特定的信息送達到特定的人員與設備，支持人人、時時、處處、事事的通信且具有有效的信息采集的能力。

4.2 軍用泛在網絡關鍵技術

（1）開放式網絡架構

具有開放性、魯棒性、抗毀性、自愈性、自組織性，并滿足軍事業務QoS的網絡架構技術，采用基于宏觀層面的融合及協作方法解決基于局部的、零散的異構網絡之間簡單的“加法”合并問題，使得不同的網絡能夠互相作用成為一個整體，形成互補相助的環境，滿足任何時間、任何地點、任何人、大容量通信需求。

（2）基于認知的異構網絡、異構電臺融合方案

包括自組織的、高效的異構網絡環境感知技術，異構網絡狀態及業務需求的預測與估計技術，具有自學習能力的異構網絡資源動態優化配置策略。通過網絡資源的高效配置，使網絡的融合增益大于單一網絡簡單相加的增益。

（3）泛在網絡的自組織路由技術

采用軍事異構網絡環境的路由技術，以適應軍事應用環境中高動態的網絡拓撲結構、多類型的QoS業務、快速反擊所要求的協同多播能力、性能差異較大的鏈路條件等。

（4）軍用泛在網絡的安全保障

在軍事通信環境中，既能保證異構網絡的互聯互通，又能維護各網絡的安全與保密，是泛在網絡領域的關鍵技術。

5 泛在網絡面臨的挑戰

泛在網絡目前存在的幾個主要問題有：互聯互通、安全、資源、實施步驟和行業融合等。

5.1 互聯互通問題

泛在網必須在移動網絡、無線接入、固定網絡和有線電視網絡等為基礎的網絡上進行互聯互通才能實現其無所不在的基本特征。這就要求在原有各種網絡的運營商之間、不同制式的網絡之間完全實現互聯互通。這對于目前所有的運營商均是一個前所未有的挑戰。涉及接口標準定義、系統改造、整體架構部署等一系列問題。屏蔽各種制式網絡之間的技術差異，使得用戶將注意力集中在服務上，是泛在網絡的最終目標之一。因此如何在多種制式的網絡之間進行互聯互通，是最先面臨的問題。

5.2 安全問題

（1）異構網絡間的認證

在泛在網絡中，不同網絡間的業務使用非常頻繁，這就要求泛在網除了網絡與用戶之間的相互認證之外，還必須進行異構網絡間的相互認證以及用戶與為其服務的終端之間的相互認證，這樣才能保證有一個讓用戶放心且安全的網絡環境。

（2）建立以用戶為中心的信任域

泛在網絡是以人為本的網絡。在服務提供者側須整合各種網絡資源、信息裝置、基礎平臺、應用內容及解決方案；在服務使用者側，必須有一個讓使用者放心且安全的環境，使其能隨時、隨地、方便地建立以自己為中心的信任域來處理任何事情。其節點具有動態性、智能性，且多種接入方式和多種承載方式融合在一起以實現無縫接入。它要求任何對象（人或設備等）無論何時、何地都能夠通過合適的方式獲得永久在線的寬帶服務，隨時隨地存取所需信息。移動泛在網絡的這些特點，為我們提出了一個移動安全機制方面新的問題——如何高效、便捷地建立以用戶為中心的信任域。

（3）信任域的動態管理

泛在網絡的動態性是指以用戶為中心的信任域中，終端會隨時加入或退出，此時為有效地保障用戶隱私，一般要求終端退出后不知道信任域中的信息交流和業務來往，而新加入的終端不知道進入信任域之前的任何信息，即保證前向安全性和后向安全性。

5.3 資源問題

（1）碼號資源

泛在網絡中的終端數量會比以往任何一個網絡中終端數量高出幾個數量級，原有的標志終端的方法通常用一串碼號來進行，如果在現有的技術體制內開展泛在網應用，必須提供充足的碼號資源來標志泛在網內的終端，現有碼號資源會變得非常貧乏。這對現有碼號長度、分配原則以及回收方法等都提出了挑戰。

（2）頻率資源

針對移動泛在網而言，在一個無線信號發生器（基站、AP等）覆蓋范圍內的無線泛在網終端的數量會是人員數量的上百倍，因此，原有的頻率分配不能夠保證每個移動終端都能有充足的頻率資源來進行通信，這對于原有的基站布局、網絡優化等都提出了挑戰。同時，泛在網的多媒體特性以及寬帶特性，都對頻率資源提出了比較高的要求，如何滿足這類業務需求也需要在頻率方面進行考慮。

（3）IP 地址資源

IP地址資源其實應該算作碼號資源的一種，這里單獨提出，主要是為了說明IP地址資源不足的緊迫性。我國已經明確表示要采用IPv6標準來解決原有IPv4標準中IP地址資源不足的問題，但由于種種原因沒有大規模使用。不僅在泛在網應用方面，在現有網絡技術體制內，IP地址資源已經非常緊張，早日實施IPv6是實現泛在網應用大規模鋪開的重要前提條件之一。

6 結束語

泛在網絡的研究正面臨重大的機遇與挑戰，未來的發展可分為3個階段：泛在連通、泛在融合和泛在擴張，目前尚處在泛在連通的初級階段。發展泛在網絡對于中國經濟發展具有非常重要的積極意義，推進泛在網絡建設將帶動我國信息產業發展，通過技術創新催生新的產品、新的產業，形成信息產業新的增長點。泛在網絡相關技術會有效提升傳統產業發展，進一步提高信息技術和網絡的服務水平，解決地區之間、城鄉之間的信息基礎設施發展不平衡的問題。尤其是泛在網絡在軍事領域的應用研究，具有深遠的戰略意義。

1 蔣青，賀正娟，唐倫.泛在網絡關鍵技術及發展展望.通信技術，2008（12）：181～182

2 高歆雅.泛在感知網絡的發展及趨勢分析.電信網技術，2010（2）：58～62

3 周海濤.泛在網絡的技術、應用于發展.電信科學，2009（8）：97～100

4 徐培利.泛在網應用與體系架構探討.通信技術與標準，2010（1）：38～43