[編者按]區別于以往強調人與人連接的互聯網概念，物聯網將互聯的范圍擴展到了物與物。不僅在規模上更大，而且在語義上更豐富。傳統的互聯網和電信網均是以信息傳送為中心，而物聯網是以信息服務為中心，通過與傳感網、互聯網、電信網、云計算平臺相結合，把對物理世界的感知、認識、影響和控制與計算機系統進行融合，實現物理世界、數字虛擬世界和人類感知的統一。本講座將以物聯網的泛在信息感知、泛在網絡融合以及智能信息服務3個層面為線索，分期對物聯網技術進行概要介紹：第1講介紹無線傳感器網絡及泛在感知體系架構；第2講將介紹泛在網絡融合與協同技術；第3講將介紹物聯網的泛在智能業務等。

　　5 研究及產業現狀

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

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

　　有基礎設施網絡和無基礎設施網絡之間存在著顯著的互補特性。前者具有強大的業務平臺、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。盡管這些無線網絡為用戶提供了多種多樣的通信方式、接入手段和無處不在的接入服務，但是，要實現真正自組織、自適應的泛在服務，還需要充分利用不同網絡間的互補特性，通過協同實現異構無線網絡技術的有機結合。

　　終端技術的發展也呈現出明顯的多樣化、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）芯片的數據終端等。終端也具有越來越多的控制智能，成為集承載話音、數據、視頻等多媒體業務，以及連接互聯網完成瀏覽、下載、網上交易等功能為一體的智能化信息終端，尤其是多種無線網絡的重疊覆蓋也使多模終端發展迅速。因此，終端技術的發展也為支持異構網絡融合的協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、產業界各大公司和國際標準化組織都將支持異構網絡融合的終端協同技術作為其面向下一代無線通信網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絡融合的終端協同技術提出了新的網絡模型，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合提出的融合蜂窩網和自組網的無線網絡框架（UCAN）、耶魯大學提出的支持自組織中繼的蜂窩系統（PARCEL）、斯坦福大學提出的基于移動節點輔助的數據轉發網絡模型（MADF）、美國自然科學基金資助的分組多跳無線網（SOPRANO）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（iCAR），都是將蜂窩網絡與移動自組織網絡相結合，在混合無線網絡中實現終端間自組織中繼與協同的典型技術。此外，由歐盟委員會資助的該項目由包括研究組織、產業界及政府部門在內的16家機構共同參與。U2010項目充分利用現有或未來的網絡基礎架構和Ad Hoc網絡的最新研究成果，通過協同技術使得在發生事故、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均基于骨干網絡與自組織網絡的結合架構，使得移動終端可以作為服務的提供者實現協同。

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

　　國際標準組織也對異構網絡的協同技術做了大量研究。例如，國際電信聯盟（ITU）的泛在網絡工作組基于“泛在網絡”的概念，RFID等無線技術提供無處不在的監控、感知和通信能力，并進行了大量的研究和試驗網搭建工作。WWIF提出的未來無線通信的愿景模型——移動泛在業務環境（MUSE），從業務、網絡和終端等各個角度全面闡述了未來無線網絡中可能的各種協同技術。第三代合作伙伴計劃（3GPP）也在TR 25.924中提出機會驅動的多種接入模型（ODMA），在UTRA時分雙工（TDD）模式中對支持移動終端的中繼協同進行了研究。2010年2月2日，中國通信標準化協會（CCSA）也成立了泛在網技術工作委員會（TC10），強調“無所不在”和“ 泛在”的通信理念。

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　　6 應用場景及技術優勢

　　終端協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與協同

　　同一用戶的多個終端設備之間可以通過無線接口實現自組織組網，并進一步管理、維護分布式計算環境中頻繁變化、松散耦合的多個計算設備，并根據終端能力、用戶偏好、業務特性、位置等因素，實現終端能力組件的動態發現、選擇、聚合和適配，協同完成對同一業務的支持。

　　（2）蜂窩網絡與無線多跳技術相結合的終端自組織協同

　　未來蜂窩移動通信網絡面臨的最大挑戰是網絡覆蓋問題。由于蜂窩移動通信網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，因此造成網絡的覆蓋范圍和傳輸性能不穩定，甚至存在盲區。為了解決網絡覆蓋問題，一種方法是增大基站數量和基站輸出功率，但這將明顯增加網絡建設成本。而研究表明，即使采用多入多出技術（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，將蜂窩網絡與多跳無線通信技術相結合的新型網絡結構將是解決網絡覆蓋問題的另一種有效途徑。其中，通過將蜂窩網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，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）蜂窩網絡與無線傳感器網絡相結合的終端自組織協同

　　傳統的無線傳感器網絡中，數量龐大的節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。而這種基于靜態固定數據接入節點的網絡存在著節點能量損耗不均勻、數據傳輸效率低下、部署缺乏靈活性、網絡結構單一、容易產生路由空洞、覆蓋空洞以及瓶頸節點等固有問題，往往導致其整體網絡性能劣化。

　　而基于無線傳感器網絡與蜂窩網絡相結合的層次型網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、協同的網絡環境中。一方面，由于手機、PDA、筆記本電腦等移動終端（移動數據接入點）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絡數據進行雙向傳遞，同時還可以充分地利用蜂窩網絡定位和傳感器網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同工作能夠更顯著提高無線傳感器網絡的性能：將復雜的數據處理、接入處理、數據轉發傳輸、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據錯誤（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絡的網內信息處理量。這種異構網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絡的接入點進行通信，不僅可以通過終端協同執行更有效地數據交互，而且極大地擴展了無線傳感器網絡的應用范圍。

　　通過終端協同技術，能夠帶來如下優勢：

　　（1）充分利用用戶的多種可用終端能力和多種網絡資源，真正實現泛在和異構融合。終端協同技術可以實現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同中繼，以及利用傳感器網絡豐富的感知能力，實現網絡與服務的泛在和異構融合。

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

　　（3）解決盲區覆蓋問題，擴大無線網絡覆蓋。通過將蜂窩網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，還能夠提高單個基站或AP的覆蓋范圍。

　　（4）擴大系統容量。通過多跳轉發機制可以降低發射功率，使得信道空間復用性提高；采用自組織方式建立局部業務，可以減輕接入點的瓶頸效應；通過轉移熱點小區的流量，可以實現資源的動態調節，提高了資源利用率。以上這些優勢都有益于系統容量的提高。

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

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

　　7 主要研究方向

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

　　在支持異構網絡融合的終端協同技術研究中，存在以下問題：

　　（1）基于終端協同的自組織、自適應網絡控制機制

　　有基礎設施網絡與無基礎設施網絡因其不同的特點而具有不同的網絡控制機制。有基礎設施網絡大多采用集中式的網絡控制機制，而無基礎設施網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在路由協議、服務質量（QoS）保障和資源管理等各種控制與管理技術上。在支持異構網絡融合的終端協同技術研究中，必然需要集中式與分布式相結合的、自組織、自適應的網絡控制機制，能夠針對引入終端協同后的動態、多跳、多路徑的無線通信實施有效的控制。

　　（2）基于終端協同的移動性管理技術

　　傳統的移動性管理技術大多研究特定網絡內部的位置管理和水平切換控制，異構網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。有基礎設施網絡中的移動性管理技術相對成熟，而無基礎設施網絡中還沒有系統的移動性管理技術。終端協同技術的引入，可以使得有基礎設施網絡與無基礎設施網絡有機結合。移動終端可能具有多個網絡接口、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更為有效的自組織終端協同。因此，基于終端協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，實現自組織、自適應的通信方式切換控制。

　　（3）基于終端協同的服務協同技術

　　泛在、異構網絡環境中包含有大量可提供不同信息和服務的智能設備。無基礎設施網絡中節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同更加需要高效的服務協同技術，包括基于終端協同的新的服務提供方式，動態、自組織、輕量級的服務廣播、發現和請求機制等，從而高效利用各種網絡資源與服務，這也是實現應用服務自動配置的關鍵。

　　（4）終端協同對系統性能的影響評估

　　目前的終端協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，實現局部性能的優化，對引入自組織多跳通信和多跳接入后對系統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、系統的定量分析，并因此造成了在終端協同技術性能優勢上的分歧和爭議。因此，有必要從網絡覆蓋、系統容量、服務可用性和可靠性等角度定量評價終端協同技術對系統性能的影響，從而對網絡規劃、成本核算、網絡整體性能評價和優化提供有益的參考。

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　　8 總結

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