[編者按]區(qū)別于以往強(qiáng)調(diào)人與人連接的互聯(lián)網(wǎng)概念，物聯(lián)網(wǎng)將互聯(lián)的范圍擴(kuò)展到了物與物。不僅在規(guī)模上更大，而且在語義上更豐富。傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)均是以信息傳送為中心，而物聯(lián)網(wǎng)是以信息服務(wù)為中心，通過與傳感網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、云計算平臺相結(jié)合，把對物理世界的感知、認(rèn)識、影響和控制與計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)物理世界、數(shù)字虛擬世界和人類感知的統(tǒng)一。本講座將以物聯(lián)網(wǎng)的泛在信息感知、泛在網(wǎng)絡(luò)融合以及智能信息服務(wù)3個層面為線索，分期對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行概要介紹：第1講介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及泛在感知體系架構(gòu)；第2講將介紹泛在網(wǎng)絡(luò)融合與協(xié)同技術(shù)；第3講將介紹物聯(lián)網(wǎng)的泛在智能業(yè)務(wù)等。

　　5 研究及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

　　無線通信技術(shù)近些年來得到了迅猛的發(fā)展，各種層出不窮的無線技術(shù)共同為用戶提供了泛在、異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，包括無線個域網(wǎng)（如Bluetooth）、無線局域網(wǎng)（如WiFi）、無線城域網(wǎng)（如WiMAX）、無線移動廣域網(wǎng)（如2G、3G）、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，以及Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

　　這些異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)分別具有各自不同的背景、目標(biāo)、發(fā)展方向、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等。從網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)角度，可以將其分為兩大類：一是有基礎(chǔ)設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)，這類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中包含基站、接入點(diǎn)、路由器等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，例如蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)等；二是以Ad Hoc技術(shù)為基礎(chǔ)和典型代表的無基礎(chǔ)設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)，這類網(wǎng)絡(luò)以動態(tài)性、多跳性、無中心性及自組織性為顯著特點(diǎn)，例如移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

　　有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)和無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)之間存在著顯著的互補(bǔ)特性。前者具有強(qiáng)大的業(yè)務(wù)平臺、完善的運(yùn)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(yùn)營模式和管理體系。盡管這些無線網(wǎng)絡(luò)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(wù)，但是，要實(shí)現(xiàn)真正自組織、自適應(yīng)的泛在服務(wù)，還需要充分利用不同網(wǎng)絡(luò)間的互補(bǔ)特性，通過協(xié)同實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。

　　終端技術(shù)的發(fā)展也呈現(xiàn)出明顯的多樣化、智能化、多?；厔?。終端類型日益豐富，除了傳統(tǒng)的PC機(jī)、手機(jī)，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(shù)（RFID）芯片的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)、視頻等多媒體業(yè)務(wù)，以及連接互聯(lián)網(wǎng)完成瀏覽、下載、網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)的重疊覆蓋也使多模終端發(fā)展迅速。因此，終端技術(shù)的發(fā)展也為支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的協(xié)同技術(shù)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(chǎn)業(yè)界各大公司和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織都將支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的終端協(xié)同技術(shù)作為其面向下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)研究的重要組成部分，做了大量的研究和試驗(yàn)工作。

　　許多國際知名大學(xué)和研究組織都針對基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的終端協(xié)同技術(shù)提出了新的網(wǎng)絡(luò)模型，并試圖解決其中的一些關(guān)鍵技術(shù)。例如，貝爾實(shí)驗(yàn)室和加利福尼亞大學(xué)聯(lián)合提出的融合蜂窩網(wǎng)和自組網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)框架（UCAN）、耶魯大學(xué)提出的支持自組織中繼的蜂窩系統(tǒng)（PARCEL）、斯坦福大學(xué)提出的基于移動節(jié)點(diǎn)輔助的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)模型（MADF）、美國自然科學(xué)基金資助的分組多跳無線網(wǎng)（SOPRANO）項(xiàng)目、美國喬治亞技術(shù)學(xué)院開展的Sphinx研究項(xiàng)目、紐約州立大學(xué)提出的支持中繼的蜂窩和自組織集成系統(tǒng)（iCAR），都是將蜂窩網(wǎng)絡(luò)與移動自組織網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，在混合無線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)終端間自組織中繼與協(xié)同的典型技術(shù)。此外，由歐盟委員會資助的該項(xiàng)目由包括研究組織、產(chǎn)業(yè)界及政府部門在內(nèi)的16家機(jī)構(gòu)共同參與。U2010項(xiàng)目充分利用現(xiàn)有或未來的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的最新研究成果，通過協(xié)同技術(shù)使得在發(fā)生事故、事變、災(zāi)難、危機(jī)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(xué)的研究項(xiàng)目ABASSMUS、HyWercs和SoNI均基于骨干網(wǎng)絡(luò)與自組織網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合架構(gòu)，使得移動終端可以作為服務(wù)的提供者實(shí)現(xiàn)協(xié)同。

　　產(chǎn)業(yè)界的各大公司為了優(yōu)化無線通信網(wǎng)絡(luò)性能及開拓新的服務(wù)模式，也對終端協(xié)同技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，并配合網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)。例如，SIBM提出的一種支持多跳的混合無線網(wǎng)絡(luò)模型（HWN）；Lucent提出的支持自組織方式的全球移動通訊系統(tǒng)（GSM）網(wǎng)絡(luò)（A-GSM）等對下一代GSM蜂窩網(wǎng)中繼能力進(jìn)行研究，在盡可能減少對現(xiàn)有GSM系統(tǒng)改動的基礎(chǔ)上，使移動臺具有中繼功能，由此增強(qiáng)GSM網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力。

　　國際標(biāo)準(zhǔn)組織也對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同技術(shù)做了大量研究。例如，國際電信聯(lián)盟（ITU）的泛在網(wǎng)絡(luò)工作組基于“泛在網(wǎng)絡(luò)”的概念，RFID等無線技術(shù)提供無處不在的監(jiān)控、感知和通信能力，并進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)網(wǎng)搭建工作。WWIF提出的未來無線通信的愿景模型——移動泛在業(yè)務(wù)環(huán)境（MUSE），從業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)和終端等各個角度全面闡述了未來無線網(wǎng)絡(luò)中可能的各種協(xié)同技術(shù)。第三代合作伙伴計劃（3GPP）也在TR 25.924中提出機(jī)會驅(qū)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(xié)同進(jìn)行了研究。2010年2月2日，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）也成立了泛在網(wǎng)技術(shù)工作委員會（TC10），強(qiáng)調(diào)“無所不在”和“ 泛在”的通信理念。

{$page$}

　　6 應(yīng)用場景及技術(shù)優(yōu)勢

　　終端協(xié)同的主要應(yīng)用場景包括：

　?。?）同一用戶多個終端設(shè)備間的自組織組網(wǎng)與協(xié)同

　　同一用戶的多個終端設(shè)備之間可以通過無線接口實(shí)現(xiàn)自組織組網(wǎng)，并進(jìn)一步管理、維護(hù)分布式計算環(huán)境中頻繁變化、松散耦合的多個計算設(shè)備，并根據(jù)終端能力、用戶偏好、業(yè)務(wù)特性、位置等因素，實(shí)現(xiàn)終端能力組件的動態(tài)發(fā)現(xiàn)、選擇、聚合和適配，協(xié)同完成對同一業(yè)務(wù)的支持。

　?。?）蜂窩網(wǎng)絡(luò)與無線多跳技術(shù)相結(jié)合的終端自組織協(xié)同

　　未來蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)面臨的最大挑戰(zhàn)是網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題。由于蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和傳輸性能不穩(wěn)定，甚至存在盲區(qū)。為了解決網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題，一種方法是增大基站數(shù)量和基站輸出功率，但這將明顯增加網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。而研究表明，即使采用多入多出技術(shù)（MIMO）、自適應(yīng)天線技術(shù)等先進(jìn)的信號處理技術(shù)，也不足以解決該問題。因此，將蜂窩網(wǎng)絡(luò)與多跳無線通信技術(shù)相結(jié)合的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將是解決網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題的另一種有效途徑。其中，通過將蜂窩網(wǎng)絡(luò)與多跳無線通信技術(shù)結(jié)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(qū)，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(xié)同（移動中繼）常常用于群組通信、應(yīng)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(yùn)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(bǔ)充。

　?。?）蜂窩網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的終端自組織協(xié)同

　　傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)量龐大的節(jié)點(diǎn)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(wù)。而這種基于靜態(tài)固定數(shù)據(jù)接入節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)存在著節(jié)點(diǎn)能量損耗不均勻、數(shù)據(jù)傳輸效率低下、部署缺乏靈活性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一、容易產(chǎn)生路由空洞、覆蓋空洞以及瓶頸節(jié)點(diǎn)等固有問題，往往導(dǎo)致其整體網(wǎng)絡(luò)性能劣化。

　　而基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠更有效地解決上述問題，并更適合應(yīng)用在未來泛在、異構(gòu)、協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。一方面，由于手機(jī)、PDA、筆記本電腦等移動終端（移動數(shù)據(jù)接入點(diǎn)）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(yōu)勢，具有多接口的手機(jī)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(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙向傳遞，同時還可以充分地利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位和傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的混合模式為用戶提供更豐富的基于位置的服務(wù)；另一方面，多個移動終端之間的協(xié)同工作能夠更顯著提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能：將復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、接入處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸、路由維護(hù)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(shù)據(jù)錯誤（或丟包），還可以利用移動終端相對較強(qiáng)的計算能力減輕無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)內(nèi)信息處理量。這種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)進(jìn)行通信，不僅可以通過終端協(xié)同執(zhí)行更有效地數(shù)據(jù)交互，而且極大地擴(kuò)展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍。

　　通過終端協(xié)同技術(shù)，能夠帶來如下優(yōu)勢：

　?。?）充分利用用戶的多種可用終端能力和多種網(wǎng)絡(luò)資源，真正實(shí)現(xiàn)泛在和異構(gòu)融合。終端協(xié)同技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)各種無線技術(shù)的真正有機(jī)結(jié)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(xié)同中繼，以及利用傳感器網(wǎng)絡(luò)豐富的感知能力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)的泛在和異構(gòu)融合。

　?。?）提高通信的靈活性?；趨f(xié)同技術(shù)為用戶和終端提供了多樣化的接入方式和服務(wù)提供方式，能夠充分利用有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)與無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢互補(bǔ)，獲得較好的網(wǎng)絡(luò)性能、靈活性和擴(kuò)展性，成為未來移動通信系統(tǒng)的一種重要組成形式。

　?。?）解決盲區(qū)覆蓋問題，擴(kuò)大無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。通過將蜂窩網(wǎng)絡(luò)與多跳無線通信技術(shù)結(jié)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(qū)，還能夠提高單個基站或AP的覆蓋范圍。

　?。?）擴(kuò)大系統(tǒng)容量。通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制可以降低發(fā)射功率，使得信道空間復(fù)用性提高；采用自組織方式建立局部業(yè)務(wù)，可以減輕接入點(diǎn)的瓶頸效應(yīng)；通過轉(zhuǎn)移熱點(diǎn)小區(qū)的流量，可以實(shí)現(xiàn)資源的動態(tài)調(diào)節(jié)，提高了資源利用率。以上這些優(yōu)勢都有益于系統(tǒng)容量的提高。

　　（5）實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。各無線覆蓋區(qū)的業(yè)務(wù)量往往并不平衡并且動態(tài)變化，引入自組網(wǎng)的動態(tài)中繼，可以將一個小區(qū)的流量分流到周邊小區(qū)，從而有效地緩解了由于容量飽和而造成的業(yè)務(wù)阻塞和切換失敗。

　　（6）組內(nèi)直接通信，不占用基站和網(wǎng)絡(luò)無線資源。對于距離比較近的移動節(jié)點(diǎn)，可以通過自組織通信方式直接通信，減少系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的總?cè)萘俊?/P>

　　7 主要研究方向

　　支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的終端協(xié)同技術(shù)被看作是未來移動通信技術(shù)的核心組成部分之一，也是現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)之一。但是，應(yīng)該看到在這種以終端協(xié)同為基礎(chǔ)的有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)與無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，無線技術(shù)的異構(gòu)性、各種無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)所共有的多跳性、動態(tài)性和自組織性，以及終端之間的協(xié)同性也帶來了路由協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、移動性管理、服務(wù)提供、系統(tǒng)性能評價等方面的諸多問題。

　　在支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的終端協(xié)同技術(shù)研究中，存在以下問題：

　?。?）基于終端協(xié)同的自組織、自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)制

　　有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)與無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)因其不同的特點(diǎn)而具有不同的網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)制。有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)大多采用集中式的網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)制，而無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的無中心性則適合采用分布式的控制機(jī)制。這種控制機(jī)制基本思想的差異體現(xiàn)在路由協(xié)議、服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障和資源管理等各種控制與管理技術(shù)上。在支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的終端協(xié)同技術(shù)研究中，必然需要集中式與分布式相結(jié)合的、自組織、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)制，能夠針對引入終端協(xié)同后的動態(tài)、多跳、多路徑的無線通信實(shí)施有效的控制。

　?。?）基于終端協(xié)同的移動性管理技術(shù)

　　傳統(tǒng)的移動性管理技術(shù)大多研究特定網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的位置管理和水平切換控制，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的移動性管理技術(shù)則關(guān)注不同接入技術(shù)間的分層位置管理和垂直切換控制。有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)中的移動性管理技術(shù)相對成熟，而無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)中還沒有系統(tǒng)的移動性管理技術(shù)。終端協(xié)同技術(shù)的引入，可以使得有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)與無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)有機(jī)結(jié)合。移動終端可能具有多個網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)更為有效的自組織終端協(xié)同。因此，基于終端協(xié)同的移動性管理技術(shù)需要將位置管理與定位技術(shù)、位置服務(wù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自組織、自適應(yīng)的通信方式切換控制。

　?。?）基于終端協(xié)同的服務(wù)協(xié)同技術(shù)

　　泛在、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中包含有大量可提供不同信息和服務(wù)的智能設(shè)備。無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的對等特性使得任何一個移動終端都可以擔(dān)任服務(wù)的提供者。終端之間的自組織協(xié)同更加需要高效的服務(wù)協(xié)同技術(shù)，包括基于終端協(xié)同的新的服務(wù)提供方式，動態(tài)、自組織、輕量級的服務(wù)廣播、發(fā)現(xiàn)和請求機(jī)制等，從而高效利用各種網(wǎng)絡(luò)資源與服務(wù)，這也是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)自動配置的關(guān)鍵。

　?。?）終端協(xié)同對系統(tǒng)性能的影響評估

　　目前的終端協(xié)同技術(shù)方案大多針對特定應(yīng)用場景中的某一具體問題展開，實(shí)現(xiàn)局部性能的優(yōu)化，對引入自組織多跳通信和多跳接入后對系統(tǒng)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(tǒng)的定量分析，并因此造成了在終端協(xié)同技術(shù)性能優(yōu)勢上的分歧和爭議。因此，有必要從網(wǎng)絡(luò)覆蓋、系統(tǒng)容量、服務(wù)可用性和可靠性等角度定量評價終端協(xié)同技術(shù)對系統(tǒng)性能的影響，從而對網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、成本核算、網(wǎng)絡(luò)整體性能評價和優(yōu)化提供有益的參考。

{$page$}

　　8 總結(jié)

　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)同可以發(fā)生在終端、網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)等各個層面。相對于基于網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)革新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同技術(shù)、基于開放業(yè)務(wù)接口的業(yè)務(wù)協(xié)同技術(shù)，終端協(xié)同技術(shù)更靈活、更經(jīng)濟(jì)，也更利于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的平滑演進(jìn)。因此，研究終端間的自組織協(xié)同技術(shù)，在通信的末梢區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)各種終端能力、通信方式和接入手段的有機(jī)結(jié)合，并充分利用無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的多跳和自組織特性實(shí)現(xiàn)與有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，將會是未來移動通信和B3G/4G發(fā)展中的研究熱點(diǎn)之一。  （待續(xù)）