1 引言
隨著移動通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展,涌現(xiàn)出了大量不同類型的通信網(wǎng)絡(luò),使用戶置身于一種復雜多樣的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(heterogeneous network)環(huán)境中,信息獲取和傳輸?shù)氖侄我约皵?shù)據(jù)存儲和共享的方式發(fā)生了很大變化。當前,網(wǎng)絡(luò)形式種類繁多,各具特點,它們之間是一種共存發(fā)展的關(guān)系,并且從經(jīng)濟和技術(shù)上考慮(在今后很長一段時間內(nèi)沒有哪一種網(wǎng)絡(luò)能夠獨自滿足各類用戶多樣化的通信服務需求),預期這種關(guān)系仍將長期存在。這些網(wǎng)絡(luò)涵蓋有線通信網(wǎng)絡(luò)(主要是PSTN網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng))、無線通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò),特別是體現(xiàn)在各種新興的無線通信網(wǎng)絡(luò)方面,包括2G和3G蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)(如GSM、UMTS、CDMA2000等)、無線個域網(wǎng)(WPAN,如802.15)、無線局域網(wǎng)(WLAN,如802.11)、無線城域網(wǎng)(WMAN, 如802.16)、無線廣域網(wǎng)(WWAN,如802.20)、移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)(MANET)、無線傳感網(wǎng)(WSN)和無線Mesh網(wǎng)(WMN)等。盡管這些異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)為用戶提供了多種多樣的通信方式和網(wǎng)絡(luò)接人手段,但是如果它們之問不能實現(xiàn)有效互聯(lián)互通,則會產(chǎn)生許多信息孤島,無法提供具有端到端服務質(zhì)量(QoS)保證的通信服務,從而大大削弱網(wǎng)絡(luò)的整體效用和用戶的服務體驗。因此,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合互通不僅是構(gòu)建無所不在的通信網(wǎng)絡(luò)的迫切需求,也是今后信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合必須充分利用不同網(wǎng)絡(luò)間的互補特性,解決多種不同類型網(wǎng)絡(luò)的有機融合問題。具體來講,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合就是采用通用的、開放的技術(shù)實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)元的互聯(lián)、互通和集成,涉及到接入網(wǎng)融合、核心網(wǎng)融合、終端融合、業(yè)務融合和運營管理融合等方面。
異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)作和融合已成為目前業(yè)界關(guān)注的焦點。通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合,可以充分利用不同類型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢,獲得多方面的收益:可以極大提升單個網(wǎng)絡(luò)的性能,在支持傳統(tǒng)業(yè)務的同時也為引入新的服務創(chuàng)造了條件;可以擴大網(wǎng)絡(luò)的總體覆蓋范圍,使網(wǎng)絡(luò)具有更好的可擴展性;可以平衡網(wǎng)絡(luò)業(yè)務負載,增加系統(tǒng)容量;可以充分利用現(xiàn)有各種網(wǎng)絡(luò)的資源,降低網(wǎng)絡(luò)運營商和服務商成本,增強競爭力;可以向不同用戶提供各種各自所需的服務,更好地滿足用戶多樣性的需求,提高用戶的滿意度;可以提高網(wǎng)絡(luò)的可用性和可靠性,增強系統(tǒng)的可生存性。
但是也必須認識到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通常是面向不同的應用場景、目標用戶和通信需求設(shè)計的,技術(shù)特點、組網(wǎng)方式、服務性能和覆蓋范圍各異,從低層的信道接入方式到高層的資源管理與控制技術(shù)都不盡相同。因此,實現(xiàn)種類繁多、技術(shù)各異(甚至彼此不兼容)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合互通面臨諸多問題和挑戰(zhàn)。
2 研究發(fā)展現(xiàn)狀
網(wǎng)絡(luò)融合的概念可以追溯到上世紀70年代,當時通信界提出過網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務綜合(Network and Service Integration)的概念,如著名的綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)(ISDN)和寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)(B—ISDN),但是受到業(yè)務和技術(shù)發(fā)展的制約,ISDN未能獲得成功。直至上世紀90年代,隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展,國外提出制訂IMT一2000全球統(tǒng)一移動通信標準的目標,也未能成功。與此同時,上世紀末伴隨著Internet的迅猛發(fā)展,業(yè)界提出了下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)的概念,研究思路由網(wǎng)絡(luò)綜合轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)融合(Network Convergence),首次在統(tǒng)一的IP技術(shù)基礎(chǔ)上展現(xiàn)了信息通信網(wǎng)融合的前景。NGN關(guān)于網(wǎng)絡(luò)融合的研究成果集中體現(xiàn)在由3GPP提出的IP多媒體子系統(tǒng)(IMS)技術(shù),它集成電信網(wǎng)和因特網(wǎng)技術(shù)以及固定網(wǎng)和移動網(wǎng)技術(shù),網(wǎng)絡(luò)融合綜合了互聯(lián)網(wǎng)IP技術(shù)、軟交換技術(shù)和蜂窩核心網(wǎng)技術(shù)。盡管IMS技術(shù)本身有一定局限性,但是作為核心網(wǎng)融合技術(shù)來說,它還是得到業(yè)界的廣泛認同。
實際上,從上世紀90年代以來,電信網(wǎng)、廣電網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的問題就已被提上議事日程,也就是我們常說的“三網(wǎng)融合”。三網(wǎng)融合的目標是實現(xiàn)三大網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通、資源共享和業(yè)務綜合,為廣大用戶提供包括語言、數(shù)據(jù)、廣播電視和多媒體業(yè)務在內(nèi)的多樣性服務。三網(wǎng)融合是信息技術(shù)不斷革新應用的產(chǎn)物,也是信息化不斷深入發(fā)展的必然要求。但是,直至今日還沒有完成真正意義上的“三網(wǎng)融合”。鑒于三網(wǎng)融合已進入實質(zhì)性實施階段,本文主要關(guān)注異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)(特別是異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò))之間的融合互通。
迄今,學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界已就異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合問題相繼提出了:大量解決方案,涵蓋無線網(wǎng)絡(luò)與Internet的融合、無線廣域網(wǎng)與無線局域網(wǎng)的融合以及無線局域網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的融合。歐洲電信標準化組織(ETSI)和其他一些標準化組織已經(jīng)對蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)與WLAN 的融合進行了廣泛的研究。例如WLAN標準化組織建:立了無線互通工作組(WIG)來處理蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)與WLAN的互通機制。針對無線廣域網(wǎng)(如GPRs)與無線局域網(wǎng)的融合,ETSI制定了兩種方案:松耦合和緊耦合方案。舉例來說,在松耦合下,WLAN是作為GPRS網(wǎng)絡(luò)的補充,只利用GPRS網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)據(jù)庫,與GPRS的核心網(wǎng)絡(luò)沒有接口。而在緊耦合下,WLAN則通過特定的網(wǎng)絡(luò)接口直接連接到GPRS核心網(wǎng)。
目前多網(wǎng)融合的發(fā)展方向主要有兩個:一個是以IP骨干網(wǎng)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)融合,另一個是基于Adhoc的多網(wǎng)融合。基于Ad hoc的多網(wǎng)融合系統(tǒng)可以擴展無線通信的覆蓋范圍,提高資源利用率、改善系統(tǒng)吞吐量,平衡業(yè)務流量,降低移動終端的功耗,成為近年來國內(nèi)外研究的熱點,特別是在無線自組網(wǎng)與蜂窩移動通信系統(tǒng)的結(jié)合方面取得了一系列研究成果,提出了許多實用的網(wǎng)絡(luò)模型,如A2GSM (Ad hocassisted GSM)、MCN(Multi—hop Cellular network)、SOPRANO(Self-organizing Packet Radio Ad hoc Net——works with Overlay)、iCAR(Integrated Cellular and Adhoc Relaying System)、UCAN(Unified Cellular and Adhoc network architecture)等。A2GSM在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中支持移動終端多跳中繼,以增加系統(tǒng)容量、增強網(wǎng)絡(luò)覆蓋和解決始終存在的蜂窩覆蓋盲區(qū)問題;MCN提出允許數(shù)據(jù)包從移動節(jié)點多跳傳輸?shù)椒涓C通信系統(tǒng)基站的集成通信網(wǎng)絡(luò)模型;SOPRANO將蜂窩網(wǎng)與無線白組網(wǎng)相結(jié)合,在蜂窩網(wǎng)中引入動態(tài)分布的具有路由中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能的無線路由器,以提供無線因特網(wǎng)和多媒體服務;iCAR的基本思想是通過設(shè)置一定數(shù)量的自組網(wǎng)中繼站(ARS),實現(xiàn)小區(qū)間業(yè)務流量的負載均衡,以控制網(wǎng)絡(luò)擁塞、疏導熱點區(qū)域及避免掉話等。
從全球范圍看,歐盟對于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的研究居于領(lǐng)先地位,開展了一系列研究項目。BRAIN項目提出了無線局域網(wǎng)與通用移動通信系統(tǒng)(UMTS)融合的開放體系結(jié)構(gòu);DRIVE項目研究了蜂窩網(wǎng)和電視廣播網(wǎng)的融合問題;MOBYDICK項目重點探討了在IPv6網(wǎng)絡(luò)體系下的移動網(wǎng)絡(luò)和WLAN的融合問題;MAGNET項目通過設(shè)計、研發(fā)和實現(xiàn)個人網(wǎng)絡(luò)(PN)來為移動用戶在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中提供無處不在、安全的個人服務;EuQoS項目側(cè)重于研究異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的端到端QoS技術(shù)。WINNER項目希望以一個無處不在的無線通信系統(tǒng)代替目前多種系統(tǒng)(蜂窩、WLAN和短距離無線接入等)共存的格局,提高系統(tǒng)的靈活性和可擴展性,能夠在各種無線環(huán)境下自適應地提供各種業(yè)務和服務。這些項目研究范圍涵蓋接入、網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務等方面,既相互競爭又相互合作,從多個層面和角度對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合問題進行了有意義的研究。雖然這些項目提出了不同網(wǎng)絡(luò)融合的思路和方法,但與多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的目標仍有一定距離。最近環(huán)境感知網(wǎng)絡(luò)(Ambient Network)項目提出的基于認知網(wǎng)絡(luò)和無線自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)融合理念,為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的實現(xiàn)提供了更有效的途徑。
Ambient Network項目(簡稱AN)始于2004年,歷時四年,是歐盟第六框架計劃下的一個大型合作項目。它的目標是促進異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)之間的有效互聯(lián)和協(xié)作,使得用戶無論使用何種網(wǎng)絡(luò)都能夠享有豐富易用的服務。AN項目的研究工作涉及到很多方面,包括移動性管理、多種無線接入方式、無線資源管理、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接和路由、服務感知自適應傳輸以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一動態(tài)融合機制等。AN是一種基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)問的動態(tài)合成而提出的全新的網(wǎng)絡(luò)觀念,它不是以拼湊的方式對現(xiàn)有的體系進行擴充,而是通過制定靈活即時生效的網(wǎng)間協(xié)議為用戶提供訪問任意網(wǎng)絡(luò)的能力。AN最大的特點就是采用了多無線接入技術(shù)(MRA),MRA技術(shù)可使終端具有同時與多個接入網(wǎng)絡(luò)保持多條獨立網(wǎng)絡(luò)連接的能力,進而實現(xiàn)終端在不同網(wǎng)絡(luò)間的無縫移動和數(shù)據(jù)的多跳傳輸。而多無線電協(xié)作技術(shù)是MRA技術(shù)的延伸和擴展,其主要功能是實現(xiàn)多無線電問資源共享和不同網(wǎng)絡(luò)間的動態(tài)協(xié)同。為了實現(xiàn)AN項目的目標,支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合和協(xié)作,AN必須能持續(xù)感知底層網(wǎng)絡(luò)的特性,其網(wǎng)絡(luò)管理必須是動態(tài)的、分布式的、自管理的、自維護的和可重配置的,并能自動響應網(wǎng)絡(luò)及周邊環(huán)境的變化。
3 面臨的問題
在未來的融合通信網(wǎng)絡(luò)中,業(yè)務的提供將與網(wǎng)絡(luò)無關(guān),用戶可自由選擇業(yè)務供應商和網(wǎng)絡(luò)接人方式,真正實現(xiàn)任何人(Whoever)在任何地方(Wherever)使用任何終端(Whatever)都可以獲得各種通信服務的目標。但是要真正實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合互通,還面臨一系列問題與挑戰(zhàn),主要包括移動性管理、無線資源管理、呼叫接人控制、網(wǎng)絡(luò)接人選擇以及端到端QoS保證等方面。
移動性管理:移動管理包括位置管理和移動切換兩方面,是實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)融合的關(guān)鍵技術(shù)之一。過去,對移動切換技術(shù)的研究多集中在單一通信系統(tǒng)內(nèi),從用戶的角度出發(fā),主要保證語音業(yè)務和低速率業(yè)務的延續(xù)性和可靠性。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,還需要從網(wǎng)絡(luò)的角度重新設(shè)計切換方案,以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的業(yè)務負載均衡,從而有效利用網(wǎng)絡(luò)資源以滿足用戶對多業(yè)務的需求。因此,如何設(shè)計具有高靈活性、低復雜度并綜合考慮多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的切換算法是當前研究的重點和難點。
無線資源管理:與傳統(tǒng)的單一無線系統(tǒng)相比,異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中的資源不僅僅指無線頻譜,還包括移動用戶的接人權(quán)限、信道編碼、發(fā)射功率和連接模式等。傳統(tǒng)無線資源管理的目標是在有限帶寬的條件下,在綜合考慮網(wǎng)絡(luò)話務量分布和信道時變特性的情況下,合理分配和調(diào)整無線網(wǎng)絡(luò)的可用資源,提高無線頻譜利用率,防止網(wǎng)絡(luò)擁塞和減少信令開銷。為此,需要針對異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計有效的資源管理方式,其中比較著名的當屬聯(lián)合無線資源管理(JR—RM)和多無線資源管理(MRRM)。
呼叫接入控制算法:傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的呼叫接入控制算法已經(jīng)得到廣泛的研究。不同于蜂窩網(wǎng)絡(luò),異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)提供了多種業(yè)務類型,不同類型的業(yè)務需要不同的QoS保證。語音、視頻等實時業(yè)務是時延敏感而分組丟失可承受的,非實時業(yè)務是分組丟失敏感而中等時延敏感的,文件傳輸?shù)缺M力而為業(yè)務是分組丟失敏感但對時延相對不敏感的。不同的網(wǎng)絡(luò)對不同的業(yè)務有不同的支持能力。蜂窩網(wǎng)絡(luò)能夠提供對實時業(yè)務的有效支持,保證其實時陛,但是數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸速率較低;WLAN等短距離通信網(wǎng)絡(luò)提供了較高的數(shù)據(jù)傳輸速率,但是對實時業(yè)務的支持有待進一步提高。目前,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)中CAC算法的研究主要集中在蜂窩/WLAN融合系統(tǒng)中的呼叫接入控制。在基于分組交換的無線網(wǎng)絡(luò)中,使用跨層優(yōu)化將會提高系統(tǒng)性能。因而,在研究異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)CAC算法時,應通過跨層設(shè)計來評估呼叫級(呼叫阻塞率、被迫中斷概率)和分組級的QoS性能。
端到端的QoS保證:由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合是完全基于IP的,因此對于任何具有IP互連能力的通信終端來說,端到端的呼叫不僅會跨越不同所有者的網(wǎng)絡(luò)、采用不同接入技術(shù),而且不同網(wǎng)絡(luò)的QoS支持能力與Qos控制策略可能無法在呼叫發(fā)起之前獲知。因此,在異構(gòu)移動網(wǎng)絡(luò)中提供完善的端到端QoS保證,首先需要提供基于IP的QoS協(xié)商與聯(lián)合資源分配機制;另外,不同網(wǎng)絡(luò)的QoS信息應該能夠在同一體系中被表示與計算,可以引入跨層的反饋交互機制,最終實現(xiàn)自適應的端到端QoS保證。
異構(gòu)環(huán)境下具備QoS保證的關(guān)鍵技術(shù)研究,無論是最優(yōu)化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的資源,還是對接入網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)同工作方式的設(shè)計,都是非常必要的,已成為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的重要研究內(nèi)容。目前的研究主要集中在呼叫接人控制(CAC)、垂直切換、異構(gòu)資源分配和網(wǎng)絡(luò)選擇等資源管理算法方面。傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡(luò)的資源管理算法已經(jīng)被廣泛研究并取得了豐碩的成果,但是在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)中的資源管理由于各網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性、用戶的移動性、資源和用戶需求的多樣性及不確定性,給該課題的研究帶來了極大的挑戰(zhàn)。
異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇:異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇是指移動設(shè)備在眾多無線接入網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)網(wǎng)絡(luò)選擇準則,選擇最優(yōu)接入網(wǎng)絡(luò)的問題,其實質(zhì)是一個最優(yōu)化問題。許多研究者已經(jīng)提出了網(wǎng)絡(luò)接入選擇算法,如隨機接入、高帶寬優(yōu)先接入等。然而,這些算法只考慮用戶端或者只考慮總體網(wǎng)絡(luò)容量,僅適用于單用戶情形,而不適用于多用戶存在情況,并且缺乏對異構(gòu)資源影響的考慮。因此,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇算法需要細致分析異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)選擇的需求和特點,從多層協(xié)調(diào)(物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應用層)的思想出發(fā)研究相應的數(shù)據(jù)信息模型。由于受各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)特征的影響,采用傳統(tǒng)的單目標決策理論,僅僅優(yōu)化某一種性能指標很難找到一種完美的方案,使得在接入選擇時各用戶要求的多個目標同時達到最優(yōu)�?梢詫⒃擃悊栴}看作是多目標優(yōu)化的問題,從而可以引入多目標決策理論,考慮如何在有限資源的限制條件下找到一個平衡方案。亦即在作接入選擇時在多種方案的有效解之間進行權(quán)衡,找出最終的滿意解。
安全問題:同所有的網(wǎng)絡(luò)一樣,安全問題同樣是無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過程中所必須關(guān)注的一個重要問題。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合了各自網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點,也必然會將相應缺點帶進融合網(wǎng)絡(luò)中。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)除存在原有各自網(wǎng)絡(luò)所固有的安全需求外,還將面臨一系列新的安全問題,如網(wǎng)問安全和安全協(xié)議的無縫銜接,以及提供多樣化的新業(yè)務所帶來的新的安全需求等。例如在融合無線自組網(wǎng)的多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)中,允許移動終端與臨近終端通信并為其他終端轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),終端在加入或離開一個子網(wǎng)時無需聲明,很難保證所有移動終端都按預定的協(xié)議進行操作,這些對數(shù)據(jù)的保密與安全帶來了新的安全問題。
4 結(jié)束語
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展,各網(wǎng)絡(luò)將經(jīng)歷從隔離到互通、從互通到協(xié)同乃至融合的演進。也就是說,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合是一個長期逐步演進的過程,當前很多研究仍處于初始階段。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源的復雜性、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的多樣性、各網(wǎng)絡(luò)的差異性等特點給異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的設(shè)計和實現(xiàn)帶來了諸多問題和挑戰(zhàn),涉及移動切換、網(wǎng)絡(luò)資源管理、呼叫接入控制、端到端QoS保證和安全問題等方面�?傊�,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合前景光明、道路曲折,真正實現(xiàn)任何人(Whoever)在任何地方(Wherever)使用任何終端(Whatever)都可以獲得任意通信服務的目標還有很長一段路要走。
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本文標題:異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合——研究發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題
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