基于多終端協同的業務流控制

中圖分類號：TN915 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 (2012) 03-0016-004

摘要：文章基于IP多媒體子系統(IMS)分層網絡架構模型，設計了一種基于多終端的業務流控制系統構架。根據該系統架構和多終端協同的特征，文章提煉出基于多終端協同的業務流控制所面臨的關鍵技術需求。滿足這些需求可充分發揮網絡與終端融合協同所帶來的個人化、智能化業務能力，改善信息傳輸服務質量，為用戶提供智能化業務體驗。文章通過闡述兩種典型的多終端協同應用場景——多網協作傳輸和移動性管理，說明了基于多終端協同的業務流控制所具有的重要意義。

關鍵詞：移動泛在業務環境；多終端協同；業務流控制

Abstract:In this paper， we propose an architecture for a multiterminal service-flow control system. This architecture is based on IMS layered-network architecture. We outline the technology requirements for this system. When these requirements are met， networks and terminals can cooperate， and personalized and intelligent services can be created. The architecture improves transmission and provides intelligent user experience. We describe two typical cooperative multiterminal applications: multinetwork cooperative transmission， and mobility management. From these， we can determine the effectiveness of a multiterminal-based service-flow control system.

Key words: mobile ubiquitous service environment; multi-terminal cooperation; service-flow control

隨著微電子、芯片及信息通信技術的飛速發展，人類將逐步進入泛在網絡時代，網絡邊緣發生較大的變化，越來越多的智能終端出現在網絡邊緣或用戶周邊，并能夠通過多種有線或無線的方式實現互聯[1]。世界無線研究論壇(WWRF)預測，“到2017年，全球將出現7萬億無線終端服務于70億人口”[2]。這些終端不僅僅包括傳統的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、帶有射頻識別技術(RFID)芯片的數據終端以及具備一定決策能力的網絡控制設備等。此外，終端也具有越來越多的智能控制，成為集承載話音、數據、視頻等媒體業務及連接互聯網等功能為一體的智能化信息終端，尤其是多種無線網絡的重疊覆蓋也使多模終端發展迅速。

終端技術的發展呈現出明顯的多樣化、智能化、多模化趨勢。因此，終端技術的發展也為實現移動泛在網絡愿景——移動泛在業務環境(MUSE)[3]提供重要的前提和可能。隨著信息服務高帶寬化、內容形式多元化、業務提供智能化的發展，對各種網絡的終端以及其網絡控制提出更高的要求。

可以預見，在不久的將來移動泛在業務環境下將出現由多終端協同為用戶提供信息服務的場景。未來的網絡將會是一個融合協同的網絡，終端可能跨異構的通信業務網絡為用戶提供高質量的服務，包括蜂窩網、Internet網、家庭網、車載網、固定電話網、廣播電視網，甚至物聯網。因此，在現網下研究如何支持多終端協同應用及其相關技術具有重要意義，不僅給業務提供方式帶來新的選擇，也為未來的移動泛在業務環境下的協同應用奠定基礎。

1 終端協同系統的特征

本文的多終端協同是指用戶終端側的多個終端之間產生協同關系，基于靈活的互聯協同技術突破單一終端能力受限，自組織地實現終端協同聚合形成支持豐富業務內容的終端協同系統，動態地自適應用戶業務需求及網絡環境的變化，實現不同無線接入網間的網絡資源與終端能力的有效利用，并充分發揮網絡與終端融合協同所帶來的個人化、智能化業務能力，改善信息傳輸服務質量，為用戶提供智能化的業務體驗。

多終端協同作為解決復雜多變的移動泛在業務環境下系統適變性問題的一種科學思路，其呈現出諸多新特點，主要體現在以下幾個方面：

(1)泛在性

越來越多的智能終端將出現在網絡邊緣和用戶周圍，嵌入其學習、生活、工作等空間，通過靈活的互聯和協同技術實現交互，使得任何用戶在任何時間任何地點都能獲得具有服務質量(QoS)保證的信息服務。

(2)異構性

包括通信技術、設計模式、操作系統、智能控制、網絡歸屬、終端能力、業務提供鏈的商業模式異構性。

(3)自治性

在移動泛在業務環境中，終端分布式地嵌入在用戶周邊，且周邊環境支持用戶、對象和業務的交互，不存在任何中心控制基礎設施，終端協同呈現出自組織的趨勢。隨著網絡融合規模增大，因為網絡動態性和連接不穩定性，終端協同系統將不斷涌現出自愈、自管理、自發現、自調整、自優化等特性。

(4)協同性

業務融合的需求必然驅動著終端協同技術向前發展。用戶周邊的終端內部互聯以及與外部終端互聯互通和協同，借助異構網絡間不同層次的融合協同，比如認知無線網絡、中繼傳輸、終端覆蓋方式協同等[4]，提升系統對復雜多變環境的自適應能力，以最佳用戶體驗為目標，為用戶提供無縫的智能化業務。

(5)自適應

在移動泛在網絡中，用戶業務、周圍環境、終端參數、網絡性能等上下文信息都是動態變化的，終端協同需充分利用上下文信息即時適配業務的可用性及異構網絡的動態性，自適應地調整優化決策，增強協同系統適變性，提高業務QoS和用戶體驗。

(6)移動性

在同一業務會話過程中，用戶可能多次更換終端，不同的終端具有不同的能力，系統要根據終端能力為用戶提供服務；同時會話可以從一個終端移動到另一個終端，從一個網絡移動到另一個網絡。無論被叫用戶身處何地，使用何種網絡和終端，其他用戶都能與之一致地通信，保持用戶本地個性化操作環境的一致。

(7)以用戶為中心

業務提供模式從用戶需求角度出發，與用戶所處的業務環境、網絡環境、周邊環境進行溝通，或是與一些用戶感興趣的對象進行交互時，不關注對方是人或是物，身處何處以及使用何種技術，只關心問題的解決。

2 業務流控制系統架構

在移動泛在業務環境下的多終端協同中，業務環境、網絡環境和終端環境之間將會相互作用。本文基于IP多媒體子系統(IMS)分層網絡架構模型[5]，根據終端能力以及網絡能力的抽象和控制、業務與控制分離、控制與承載分離的思想，設計支持基于多終端的業務流控制的系統架構，如圖1所示。

上述系統架構主要分為業務層、控制層、承載層和終端側4個層面，由上下文信息服務器、業務應用服務器、增強IMS功能、異構網絡承載層和終端協同系統五大部分組成。其中上下文信息服務器負責跨層多域的信息感知推理，將從業務層提取的業務上下文信息，從控制層和承載層提取的策略上下文信息和網絡上下文信息以及終端系統提取的用戶上下文信息結合在一起，為業務流控制的準確性和可靠性提供豐富的上下文支持和保障；增強IMS功能和業務應用服務器組成了控制層和業務層；異構網絡承載層是多種無線接入網融合協同組成的統一承載平面；終端系統則是基于多終端協同，通過個域網組網，構成一個具有豐富資源共享和廣泛廣域網接入能力的智能終端子系統。各自的具體功能總結如下：

(1)業務應用服務器

是分層網絡架構中業務層各種業務應用服務器的基本功能實體。負責為用戶提供各種業務的，用于搭建文件傳輸協議(FTP)、網絡電視(IPTV)等業務的應用層服務器軟件，提供FTP、VoIP和IPTV等實時或非實時業務。

(2)上下文信息服務器

作為跨層多域的信息感知推理的網絡實體，負責搜集、存儲和處理跨業務層、控制層、承載層和終端系統的業務上下文信息、策略上下文信息、網絡上下文信息和用戶上下文信息，為其他網絡實體決策提供相應的上下文信息的檢索和解譯。

(3)增強IMS功能

是分層網絡架構中控制層各功能實體的簡化。作為異構網絡協同機制的控制中心，它由協同流控服務器、分流控制服務器和分流處理服務器組成。

(4)協同流控服務器

負責根據用戶服務質量要求和業務具體參數決策異構網絡協同業務流控制方案，并將參考決策結果發送給分流控制服務器和分流處理服務器，最后針對兩個服務器的反饋結果進行修訂。

(5)分流控制服務器

負責訪問上下文感知服務器，提取相應上下文信息，通過協同業務流控制方案計算流量控制參考結果，與分流處理服務器和相應接入網節點及其參與業務的終端系統進行交互，將反饋結果發送回協同流控服務器，最后將經過修訂的協同流控決策結果發送給分流處理服務器。

(6)分流處理服務器

負責按照分流控制服務器的會話啟動協議(SIP)信令要求，對數據包進行比例拆分和封裝，最終實現多業務流協同傳輸，并根據協同流控服務器的指令實時動態調整業務流量。

(7)異構網絡承載層

是分層網絡架構中承載層各功能實體的簡化。由各種無線接入網組成，作為網絡中數據傳輸必不可少的環節，負責傳輸部分信令和全部話音和數據。為業務應用服務器和用戶終端之間，建立一個具有高效性和高可靠性的傳輸通道。

(8)終端系統

作為業務的發起者和用戶業務體驗重要部分，負責終端應用的用戶端程序和用戶接口，提供終端客戶與其他服務器的信令和數據交互接口，并負責搜集終端用戶所處環境的上下文信息、用戶歷史記錄和用戶主觀偏好等信息傳送給上下文服務器。

3 業務流控制關鍵技術需求

移動泛在業務環境下的多終端協同被看作是未來移動通信技術的核心組成部分之一，也是現階段異構網絡融合的關鍵技術研究熱點之一。但是，也需要看到基于多終端協同的業務流控制將會面臨著一些關鍵技術需求，包括如下幾個方面：

(1)自適應地終端協同聚合

終端協同系統需要網絡業務環境提供的能力支持和輔助協調，以幫助終端側針對終端能力、用戶業務、網絡環境的變化進行靈活地自適應調整，以滿足用戶業務需求。在網絡環境和終端能力動態變化的過程中，需要研究相應的終端協商適配機制和終端聚合重構機制來保證業務的連續性，為用戶提供始終最佳的業務體檢。

(2)業務流協作傳輸及資源適配

需要針對特定的業務構建相應的自適應網絡控制體系，根據業務流不同的優先級，用戶的偏好與需求，以及不同網絡承載能力的差異，為業務提供實時動態的業務分流傳輸和資源調度策路，以保證系統利用率最優化，保證用戶服務質量。然而，目前不同無線接入網業務流承載模式互異，資源調度策略不同，網絡融合協同下的業務分流傳輸缺乏必要的協調機制以及資源調度來保障業務分流井然有序的進行。

(3)終端協同模式下的流移動性管理

相比傳統的單終端借助網絡側的分層位置管理和切換控制技術實現單路徑業務下的移動性管理，多終端協同模式下的移動性管理則變得更加復雜。終端可能具有多種網絡接入能力，并且也可通過終端相對或者絕對位置等上下文信息實現更高效的自組織多終端協同下的移動性管理。此外，在基于多終端協同的業務流協作傳輸場景中，需要考慮終端的群移動對移動性管理及資源適配的影響，優化設計相應的終端群網絡選擇和群內路由選擇等機制。

(4)多終端協同對系統性能的影響評估

目前的大多數多終端協同方案僅考慮局部性能最優，缺乏全面、系統地分析終端協同對整個系統性能的影響。因此需要從終端能力、網絡覆蓋、網絡承載、業務支撐等多角度綜合評估多終端協同對系統整體性能的影響，從而對網絡控制優化、網絡成本控制、用戶業務體驗等方面提供非常有益的參考依據。

4 多終端協同的應用場景

4.1 多網協作傳輸應用場景

基于上述的系統架構，本文通過多網協作傳輸應用場景，以說明由于終端受限于硬件復雜度及承載能力的限制，只具備單一網絡接入網絡的單模終端不能支持所有業務應用和用戶QoS需求，而基于多終端協同的業務流控制機制能夠有效擴展網絡和終端的通信能力，為用戶提供內容更加豐富的業務應用，從而有效應對單一網絡通信能力受限及無線資源利用率較低的挑戰。多終端協同的協作傳輸場景如圖2所示。

(1)終端A、B、C、D、E通過無線短距離通信技術組成終端協同系統，其中終端A具有無線局域網(WLAN)接入能力，終端B具有時分同步碼分多址(TD-SCDMA)接入能力，終端C具有寬帶碼分多址(WCDMA)接入能力。

(2)終端A為業務的發起者，記為主終端，通過WLAN進行FTP下載業務，但是單鏈路的數據傳輸能力有限，不能完全滿足業務發起者的個人需求。主終端A希望通過終端協同系統中的其他終端進行協作傳輸以提高數據下載的鏈路吞吐量。主終端A向業務控制服務器發起協作傳輸請求，業務控制服務器進行協同分流控制決策后，告知主終端A協同終端為B、C以及相應的分流決策信息。

(3)主終端A同終端B、C進行信令交互，告知其各自的業務流量比例及相關協同信息。

(4)FTP業務流在媒體分流服務器按照分流控制決策將業務流分成3個業務子流，分別通過WLAN網、TD-SCDMA網、WCDMA網，對應于鏈路1、鏈路2、鏈路3傳輸到主終端A、終端B、終端C。在終端協同系統內部，終端B和C再將數據包轉發給主終端A，從而在主終端A處實現業務流聚合，充分利用網絡資源，提高資源利用率。

4.2 移動性管理的應用場景

傳統的移動性管理一般是通過網絡內部的位置信息管理和水平切換，或者通過網間的分層位置信息管理和垂直切換，并且不同網絡的移動性管理策略各不相同[6]。多終端協同下的移動性管理則變得更加復雜、更加多樣、更加靈活。移動性管理的應用場景如圖3所示。圖3通過特定的應用場景來說明多終端協同模式下的移動性管理的靈活性，其可以將位置管理、定位技術、位置服務相結合，實現自適應地通信會話切換控制。

(1)終端A、終端B、終端C、個域網控制節點(CP)組成個域網，其中終端A不具有廣域網的接入能力，終端B具有WLAN，終端C具有WCDMA接入能力，CP具有廣域網接入能力。

(2)CP收集個域網終端上下文信息，并向上下文信息服務器注冊。

(3)終端A向終端B發出協同請求，欲借助其廣域網接入能力實現觀看IPTV節目，業務流如鏈路1所示。

(4)由于終端移動或信號質量不穩定，終端B監測到當前協同服務質量較低并反饋給終端A，終端A向控制節點CP發出更換協同終端請求，即切換請求。

(5)業務控制服務器根據候選終端上下文信息(包括位置信息、終端能力、IP地址等)制訂聚合決策及切換決策，將選中的協同終端信息反饋給CP。CP將該信息轉發給終端A。

(6)終端A并向相關從協同終端C發出協同下載請求，從而實現IPTV業務流從鏈路1到鏈路2的切換，從整個個域網看，鏈路1到鏈路2的切換屬于異構網絡間的垂直切換，此外，為了實現業務的連續一致性在個域網終端側緩存業務。

5 總結與展望

多終端協同技術能克服單終端能力有限的局限性，基于網絡終端通信交互能力的共享，聯合為用戶提供個人化、智能化業務，是未來移動泛在業務環境下的應用趨勢。多終端協同和業務流控制技術涉及終端、網絡和業務等各個層面，同時各節點之間可直接或間接地建立多條不同的QoS要求的傳輸鏈路，以滿足不同業務的傳輸要求。因此基于跨層設計思想，綜合考慮終端側的能力集、物理層的信道建模、媒體訪問控制(MAC)層的隊列狀態、網絡層的承載能力、應用層的業務建模以及用戶的速率和延時需求，將系統性能優化目標構建為協同聚合、接入控制、速率分配、資源調度等子問題，實現面向鏈路的自適應資源適配管理和業務QoS保障從而保證網絡承載傳輸的可靠性，提高無線資源利用率，保證不同業務的QoS要求以及用戶之間的公平性，將會是未來移動通信和4G發展中的研究熱點之一。

6 參考文獻

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[5] 波伊克塞爾凱 M， 邁耶 G. IMS: IP多媒體子系統概念與服務 [M]. 望育梅， 周勝， 譯. 北京: 機械工業出版社， 2011.

[6] AKYILDIZ I F， JIANG Xie， MOHANTY S. A survey of mobility management in next-generation all-IP-based wireless systems [J]. IEEE Wireless Communications， 2004，11(4): 16-28.

收稿日期：2012-03-05

作者簡介

田輝，北京郵電大學教授、博導；主要從事3G、B3G、4G移動通信系統關鍵技術及無線網絡研究，包括新型網絡架構、MAC協議、無線資源分配機制、跨層優化、路由技術等；已發表論文100余篇，出版著作9部，申請發明專利42項，其中9項授權、6項已成功轉讓；獲國家科學技術發明獎二等獎1項，中國通信學會科技進步一等獎1項。

胡錚，北京郵電大學博士畢業，北京郵電大學副教授；主要從事下一代移動泛在網絡理論和關鍵技術研究工作，主要關注移動泛在業務環境(MUSE)、泛在終端網絡和認知無線網絡；已發表論文30余篇，申請專利12項。

張平，北京郵電大學教授、博士生導師；北京郵電大學學術委員會委員、泛網無線通信教育部重點實驗室主任，國家寬帶無線通信重大專項建議書起草人之一，信息產業部IMT-Advanced推進工作組專家。