1 引言

    移動互聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前信息技術(shù)領(lǐng)域的熱門話題之一，它體現(xiàn)了“無處不在的網(wǎng)絡(luò)、無所不能的業(yè)務(wù)”的思想，正在改變著人們的生活方式和工作方式，移動互聯(lián)網(wǎng)使得人們可以通過隨身攜帶的移動終端（智能手機、PDA、平板電腦等）隨時隨地乃至在移動過程中獲取互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，隨著寬帶無線接入技術(shù)和移動終端技術(shù)的迅速發(fā)展，全球已經(jīng)進(jìn)入移動互聯(lián)網(wǎng)周期的早期階段（計算技術(shù)先后經(jīng)歷的5個發(fā)展周期：大型機、小型機、個人電腦、桌面互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)），目前，全球5億Facebook用戶中有2億為移動用戶，Twitter用戶中有一半為移動用戶，40％的微博消息來自移動終端[2]，在國內(nèi)，截至2010年12月，手機上網(wǎng)用戶達(dá)3，03億，較2009年底增加了6930萬人，同時，手機上網(wǎng)用戶在互聯(lián)網(wǎng)用戶中的比例也進(jìn)一步提高，從2009年末的60，8％提升至66，2％。

    移動互聯(lián)網(wǎng)已成為學(xué)術(shù)界和業(yè)界共同關(guān)注的熱點，但對其的定義還沒有達(dá)成共識，比較有代表性的定義由中國工業(yè)和信息化部電信研究院在2011年的《移動互聯(lián)網(wǎng)白皮書》[4]中給出：“移動互聯(lián)網(wǎng)是以移動網(wǎng)絡(luò)作為接入網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)網(wǎng)及服務(wù)，包括3個要素：移動終端、移動網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用服務(wù)，”上述定義給出了移動互聯(lián)網(wǎng)兩方面的含義：一方面，移動互聯(lián)網(wǎng)是移動通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，用戶以移動終端接入無線移動通信網(wǎng)絡(luò)（2G 網(wǎng)絡(luò)、3G 網(wǎng)絡(luò)、WLAN、WiMax等）的方式訪問互聯(lián)網(wǎng)；另一方面，移動互聯(lián)網(wǎng)還產(chǎn)生了大量新型的應(yīng)用，這些應(yīng)用與終端的可移動、可定位和隨身攜帶等特性相結(jié)合，為用戶提供個性化的、位置相關(guān)的服務(wù)。

    1991年Weiser在文獻(xiàn)[5]中提出了“泛在計算”（Ubiquitous Computing），即人們可以在任意時間、任意地點通過合適的終端與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接從而獲取信息與服務(wù)，開啟了對移動互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行研究的先河，此后，移動互聯(lián)網(wǎng)日漸成為信息技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點，著名的國際學(xué)術(shù)會議（Mobicom、MobiSys、INFOCOM、Percom、WWW、SIGCHI等）及期刊（IEEE／ACM TON、COMMUN ACM、IEEE TMC等）上陸續(xù)發(fā)表了大量移動互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的研究成果，移動互聯(lián)網(wǎng)是一個多學(xué)科交叉、涵蓋范圍廣泛的研究領(lǐng)域，涉及互聯(lián)網(wǎng)、移動通信、無線網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)，通過對當(dāng)前移動互聯(lián)網(wǎng)研究的相關(guān)工作進(jìn)行歸類和梳理，形成如圖1所示的移動互聯(lián)網(wǎng)研究體系，這個體系有3個層面，分別為移動終端、接入網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用服務(wù)，其中，移動終端和接入網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施，在該體系中，移動互聯(lián)網(wǎng)研究主要包括移動終端、接入網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用服務(wù)以及安全與隱私保護4個方面，移動終端研究包括終端硬件、操作系統(tǒng)、軟件平臺、應(yīng)用軟件、節(jié)能、定位、上下文感知、內(nèi)容適配和人機交互等，接入網(wǎng)絡(luò)研究包括無線通信基礎(chǔ)理論與技術(shù)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)、多跳無線網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合、移動性管理與無線資源管理等，應(yīng)用服務(wù)研究包括移動搜索、移動社交網(wǎng)絡(luò)、移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用拓展、基于云計算的服務(wù)、基于智能手機感知的應(yīng)用等，安全與隱私保護研究則涉及移動終端、接入網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用服務(wù)3個層面，包括內(nèi)容安全、應(yīng)用安全、無線網(wǎng)絡(luò)安全、移動終端安全、位置隱私保護等。

圖1 移動互聯(lián)網(wǎng)研究體系示意圖

    根據(jù)上述研究體系，本文分別從移動終端、接入網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用服務(wù)以及安全與隱私保護4個方面對移動互聯(lián)網(wǎng)的研究進(jìn)展進(jìn)行分析與討論，第2節(jié)主要介紹移動終端節(jié)能和定位的研究現(xiàn)狀；第3節(jié)著重對異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合、移動性管理、無線局域網(wǎng)和無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的研究工作進(jìn)行總結(jié)；第4節(jié)重點介紹移動搜索和移動社交網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究工作；第5節(jié)則主要討論移動終端安全和位置隱私保護；第6節(jié)介紹我們在WLAN 基站原型系統(tǒng)及無線Mesh網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化方面的研究成果；最后對全文進(jìn)行總結(jié)，提出進(jìn)一步的研究方向。

2 移動終端

    移動終端是移動互聯(lián)網(wǎng)的前提和基礎(chǔ)，隨著移動終端技術(shù)的不斷發(fā)展，移動終端逐漸具備了較強的計算、存儲和處理能力以及觸摸屏、定位、視頻攝像頭等功能組件，擁有了智能操作系統(tǒng)和開放的軟件平臺，當(dāng)前主要的智能終端操作系統(tǒng)有Google的Android、微軟的Windows Mobile、Nokia的Symbian、Apple的iOS和RIM 的Blackberry OS等，采用智能終端操作系統(tǒng)的手機，除了具備通話和短信功能外，還具有網(wǎng)絡(luò)掃描、接口選擇、藍(lán)牙I／O、后臺處理、能量監(jiān)控、節(jié)能控制、低層次內(nèi)存管理、持久存儲和位置感知等功能，這些功能使得智能手機在醫(yī)療衛(wèi)生、社交網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境監(jiān)控、交通管理等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用，

    移動終端研究不僅涵蓋終端硬件、操作系統(tǒng)、軟件平臺及應(yīng)用軟件[6－9]，還包括節(jié)能、定位、上下文感知、內(nèi)容適配和人機交互等技術(shù)[10－15]，其中，節(jié)能和定位至關(guān)重要，提高能量利用效率可以增強移動終端的續(xù)航能力，獲取終端位置則是使用基于位置服務(wù)的前提，本文將重點介紹移動終端節(jié)能和定位的研究進(jìn)展。

    2.1 節(jié)能技術(shù)

    移動終端依賴電池工作，出于便攜性的考慮，移動終端的尺寸和重量受到嚴(yán)格限制，制約了電池體積和容量的擴充，隨著移動終端軟硬件功能的增強，不斷增長的能耗需求和有限的電池容量之間的矛盾也日益加劇，制約著移動互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，因此，如何提高移動終端的能量利用效率成為移動互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一個備受關(guān)注的研究方向，

    在硬件方面，芯片、顯示屏等元器件的低功耗設(shè)計、元器件的合理布局等都是降低能耗的有效手段，在軟件方面，主要的研究工作有智能電池[16]、圖形用戶界面的節(jié)能設(shè)計[17]、基于休眠的節(jié)能方法[18]、針對TCP 協(xié)議的節(jié)能優(yōu)化[19]、系統(tǒng)級電源管理[20－21]和無線通信節(jié)能機制[22－29]，下面將具體闡述系統(tǒng)級電源管理和無線通信節(jié)能機制的相關(guān)研究工作。

    （1）系統(tǒng)級電源管理

    系統(tǒng)平臺可通過動態(tài)的電源管理來提高電池能量利用效率[20]，根據(jù)系統(tǒng)各組件的負(fù)載，動態(tài)地調(diào)整其工作狀態(tài)（開啟，關(guān)閉，低性能運行），也就是將無任務(wù)正在執(zhí)行的系統(tǒng)組件關(guān)閉或使其低性能運行，并在任務(wù)達(dá)到時將其開啟運行，以最少數(shù)量的運行組件實時地滿足動態(tài)的用戶功能和性能需求，從而減少不必要的能量消耗，系統(tǒng)級電源管理的通用機制如圖2所示，組件觀測模塊搜集系統(tǒng)中各個運行組件的負(fù)載信息，并將其傳遞給電源決策模塊；電源決策模塊根據(jù)這些負(fù)載信息，做出電源管理決策，并將狀態(tài)遷移的命令下發(fā)給各個運行組件，現(xiàn)有的工作大多數(shù)都孤立地對系統(tǒng)各組件進(jìn)行觀測并做出相應(yīng)的電源決策，沒有考慮它們之間的交互，Min等人[21]提出了一種系統(tǒng)級集成電源管理方法，考慮了系統(tǒng)主要組件（CPU、無線接口、顯示屏等）間的交互，極大地降低了系統(tǒng)能耗。

圖2 系統(tǒng)級電源管理的通用機制

    （2）無線通信節(jié)能機制

    無線接口是移動終端中主要的能量消耗組件之一，在其進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，能量消耗最為顯著[22]，現(xiàn)有的無線通信節(jié)能機制主要有以下3種：多種無線技術(shù)混合機制、802，11MAC層協(xié)議優(yōu)化以及基于接入點AP（Access Point）下載調(diào)度的能耗優(yōu)化。

    ①多種無線技術(shù)混合機制

    現(xiàn)有的多種無線技術(shù)（WLAN、GSM、藍(lán)牙等）在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，其能耗存在差異，能耗檢測結(jié)果表明，WLAN 接口相比于其它無線接口（GSM、藍(lán)牙等），在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時消耗的能量最多[23]，鑒于不同接口之間的能耗差異，Raghunathan等人[24]利用WLAN高速率、高能耗的特點以及藍(lán)牙低能耗、低速率的特點，提出了一種WLAN 接口和藍(lán)牙接口混用機制，在設(shè)備發(fā)現(xiàn)和連接建立時使用藍(lán)牙接口，而在數(shù)據(jù)傳輸時使用WLAN接口，從而有效地降低無線通信的能耗。

    ②802.11MAC層協(xié)議優(yōu)化

    在20世紀(jì)90年代后期，IEEE 802，11標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)為WLAN 設(shè)備定義了節(jié)能模式（Power SavingMode，PSM），該模式實現(xiàn)在MAC層，有3種工作狀態(tài)：Off、Sleep和Awake，在Off狀態(tài)，無線接口被關(guān)閉，不能進(jìn)行任何操作；在Sleep狀態(tài)，無線接口不能監(jiān)聽信道和傳輸數(shù)據(jù)，但還需消耗少量的能量；Awake狀態(tài)還可以進(jìn)一步分為3種模式：傳輸、接收和空閑，這3種模式下能量的消耗不同，但都明顯高于Sleep狀態(tài)[25]，PSM 已經(jīng)在WLAN 設(shè)備上被廣泛使用，但需要在網(wǎng)絡(luò)性能和能耗進(jìn)行權(quán)衡，處于Sleep狀態(tài)時間過長，傳輸延遲較大；處于Sleep狀態(tài)過短，需要消耗較多的能量，為了解決這個問題，文獻(xiàn)[26－28]提出了一些改進(jìn)的方法，Krashinsky等人[26]提出了BSD（Bounded Slowdown）協(xié)議，終端通過不斷降低偵聽AP Beacon幀的頻率來增加處于Sleep狀態(tài)的時間，可以減少能耗，但延遲問題沒有解決，Qiao等人[27]在BSD協(xié)議的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，稱為智能PSM，動態(tài)估計處于Sleep狀態(tài)的時間并以此喚醒終端來偵聽AP的Beacon幀，Anastasi等人[28]提出了一種跨層節(jié)能方法，根據(jù)應(yīng)用行為和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)動態(tài)調(diào)整節(jié)能策略，根據(jù)應(yīng)用層流量特征，用一個下載間隙和Think間隙組成的序列來表示MAC層行為；并使用基于Agent和Timeout的方法來發(fā)現(xiàn)Think間隙的開始；在Think間隙開始的時候，切換到Off模式；當(dāng)檢測到應(yīng)用層請求時，切換到標(biāo)準(zhǔn)PSM 模式。

    ③基于AP下載調(diào)度的能耗優(yōu)化

    基于AP下載調(diào)度的能耗優(yōu)化是一種針對終端下行流量通信、以AP為中心的節(jié)能機制，通過對所有與其連接的終端的下行流量進(jìn)行集中調(diào)度，使得所有終端的下行流量通信的能耗總和最小，而不是只考慮某個終端的節(jié)能，所有終端以GPMM（GenericPower Management Model）模式連接到AP，在該模式下，終端并非一直處于Awake狀態(tài)，AP的調(diào)度以BP（burst period）為單位，長度為L＋1個時隙，包含一個時隙的TIM（Traffic Indication Map）和L個時隙的數(shù)據(jù)報文，在每個BP的開始，終端被喚醒并接收TIM，根據(jù)TIM 來判斷是否需要接收數(shù)據(jù)，若不需要接收數(shù)據(jù)，立即返回到Sleep狀態(tài)；否則，終端要保持Awake狀態(tài)直至該BP中的最后一個報文被調(diào)度，因此，該問題是一個優(yōu)化問題，以最小化每個BP中終端的平均能耗為目標(biāo)。

    j在BP-q時段的能耗，采用不同的調(diào)度策略，最佳的BP長度也不同。

    2.2 定位技術(shù)

    位置相關(guān)是移動互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的重要特點之一，因此，移動終端定位與移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展緊密相連，是一個關(guān)鍵的、不可或缺的研究課題，定位，也稱為位置感知，是指借助已知空間中的一組參考點的位置來獲得該空間中移動用戶的位置的過程[30]，定位技術(shù)主要有3類[31]：衛(wèi)星定位技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)、感知定位技術(shù)，衛(wèi)星定位技術(shù)利用太空中的人造衛(wèi)星對移動終端進(jìn)行定位，如GPS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等；網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)利用網(wǎng)絡(luò)基站（或者接入點）等基礎(chǔ)設(shè)施對移動終端進(jìn)行定位，如2G網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)、WLAN 等；感知定位技術(shù)在指定空間內(nèi)部署傳感器，當(dāng)移動終端進(jìn)入傳感器的感知區(qū)域時，則能判定其位置，如無線射頻識別技術(shù)（RFID）、紅外、藍(lán)牙等。

    在應(yīng)用不斷發(fā)展的背景下，定位系統(tǒng)的運行環(huán)境、使用范圍、用戶體驗都有了新的變化，定位技術(shù)面臨著新的挑戰(zhàn)，衛(wèi)星定位的研究開展較早[32]，技術(shù)比較成熟，在室外能有效地定位，但幾乎不能覆蓋到人們經(jīng)常工作和活動的室內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)定位和感知定位等適用于室內(nèi)定位的技術(shù)成為當(dāng)前的研究熱點[33]，近年來，隨著WLAN 作為一種與3G網(wǎng)絡(luò)互補融合的寬帶無線接入方式被廣泛部署以及支持WLAN的移動終端的日益普及，WLAN 室內(nèi)定位引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，下面將具體介紹WLAN室內(nèi)定位的研究現(xiàn)狀。

    根據(jù)定位原理的不同，WLAN定位可以分為以下類：最近AP定位[34－35]、幾何計算定位[36－41]和位置指紋（Location FingERPrint）定位。

    （1）最近AP定位

    在WLAN中，每個AP都有一定的信號覆蓋范圍，進(jìn)入該區(qū)域的移動終端通過與它的連接實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入，因此，移動終端必然在其所連接的AP的鄰近區(qū)域里，可以用AP位置來粗略表示該終端的位置，目前有多種方法可以獲取AP上記錄的所連接終端的信息，例如采用RADIUS（Remote AuthenticationDial In User Service）服務(wù)器來負(fù)責(zé)WLAN用戶的認(rèn)證[34]，在WLAN中實現(xiàn)基于SNMP（Simple Network Management Protocol）的網(wǎng)絡(luò)管理[35]等等，最近AP定位的優(yōu)點是簡單，易于實現(xiàn)，無需在終端安裝額外的硬件和軟件，但定位的準(zhǔn)確性不高。

    （2）幾何計算定位

    幾何計算定位則利用幾何學(xué)的原理來計算待測目標(biāo)的位置，主要有以下兩類方法：距離測量法[36－40]和角度測量法。

    距離測量法通過測量待定位目標(biāo)與其它多個參考點（位置已知）之間的距離來計算待測物體的位置，距離測量方法有多種，如通過測量無線電信號的到達(dá)時間（Time of Arrival，TOA）[36]、時間差（TimeDifference of Arrival，TDOA）[37]、往返時間（Roundtrip Time of Flight，RTOF）[38]或到達(dá)相位（Phase of Arrival，POA）[39]來估計距離、利用無線電信號傳播的數(shù)學(xué)模型把在用戶端測得的信號強度（Received Signal Strength，RSS）[40] 轉(zhuǎn)化為距離等等。

    角度測量法，也稱為到達(dá)角度法（Angle ofArrival，AOA）[41]，利用兩個參考點（位置已知）發(fā)射信號到達(dá)用戶的角度來計算用戶位置。

    （3）位置指紋定位

    位置指紋是指用戶所處位置的場景特征，位置指紋定位的原理是：用戶利用所處位置觀測到的位置指紋，查詢位置指紋的樣本數(shù)據(jù)集，根據(jù)特定的匹配規(guī)則來估計所處的位置，位置指紋有多種表示，如用戶所處位置的RSS、信噪比、TOA 等，其中，RSS易于測量，不需要額外的軟硬件支持，而受到廣泛關(guān)注，微軟研究的RADAR定位系統(tǒng)[42]就采用了一個RSSI（RSS Index）的樣本數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集包含了實驗范圍內(nèi)的多個采樣位置上測得的信號強度信息（多個方向上來自不同AP的RSSI），在進(jìn)行定位時，用戶只需測得當(dāng)前位置的信號強度信息，然后以一定規(guī)則查詢匹配樣本數(shù)據(jù)即可完成位置估計，不需要轉(zhuǎn)換成到AP的距離進(jìn)行幾何計算。

    位置指紋定位分為兩個階段[30]，即離線采集階段和實時定位階段，如圖3所示，在離線采樣階段，首先在定位環(huán)境中確定若干采樣點，記錄在每個采樣點位置的信號強度信息（來自所有AP的RSSI），構(gòu)建一個關(guān)于信號強度信息和采樣點位置（可以是物理位置，也可以是邏輯位置）關(guān)系的位置指紋庫；在實時定位階段，用戶通過實時測量獲取信號強度信息，并將其與位置指紋庫中的信息進(jìn)行匹配，從而估計該終端的位置。

圖3 位置指紋定位

    根據(jù)位置匹配方法的不同，位置估計算法可以分為以下兩類：確定性算法[42－45]和基于概率的算法[46]，確定性算法主要有k－最近鄰算法（KNearestNeighbor，KNN）[42]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[43]、支持向量機（Support Vector Machine，SVM）[44]、最小M－頂點多邊形（Small M－vertex Polygon，SMP）[45]等；基于概率的方法利用條件概率為位置指紋建立模型，并通過貝葉斯推理來估計用戶的位置。

    位置估計算法既可以在服務(wù)器端執(zhí)行，也可在移動終端執(zhí)行，服務(wù)器模式需要終端將信號強度信息提交給服務(wù)器，并從服務(wù)器獲得位置估計的結(jié)果，這種模式適用于計算能力弱的終端，但存在用戶隱私泄露的隱患[47]，由于移動終端的計算資源有限，準(zhǔn)確性不是定位的唯一目標(biāo)，同時需要考慮到計算復(fù)雜性、能耗和存儲空間，一些學(xué)者已經(jīng)開始研究如何在不降低定位準(zhǔn)確度的情況下降低系統(tǒng)開銷，降低信號強度信息的維度（AP的數(shù)量）是一個有效手段，Youssef等人[48]利用可用AP的子集來降低計算復(fù)雜性，其中信號最強的一些AP被選擇；Chen等人[49]對AP進(jìn)行選擇時，以AP的位置判別能力作為標(biāo)準(zhǔn)；King等人[50]提出了一種位置指紋信息的選擇方法，從而避免拷貝所有的位置指紋信息，另外，由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的動態(tài)變化，會導(dǎo)致位置指紋庫中信息過期，從而影響定位的準(zhǔn)確度，如何以較小的開銷實現(xiàn)位置指紋庫的動態(tài)更新，目前這方面的研究工作還很少。

    綜上所述，位置指紋定位與其它定位技術(shù)相比，雖然定位準(zhǔn)確度不及幾何計算定位，但其表現(xiàn)出來的優(yōu)點更具吸引力，該方法不需要知道AP的位置、發(fā)射功率等信息，不需要終端額外的硬件支持，易于在終端實現(xiàn)，因此，位置指紋定位成為目前WLAN室內(nèi)定位技術(shù)的主流。

3 接入網(wǎng)絡(luò)

    接入網(wǎng)絡(luò)是移動互聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，按照網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的不同，現(xiàn)有的無線接入網(wǎng)絡(luò)主要有五類：衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)（2G網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)等）、無線城域網(wǎng)（WiMax）、無線局域網(wǎng)（WLAN）、基于藍(lán)牙的無線個域網(wǎng)，它們在帶寬、覆蓋、移動性支持能力和部署成本等方面各有長短，例如，蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大，移動性管理技術(shù)成熟，但存在著低帶寬、高成本等缺陷；WLAN有著高帶寬、低成本的優(yōu)勢，但其覆蓋范圍有限，移動性管理技術(shù)還不成熟。

    隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，無線接入網(wǎng)絡(luò)所要支撐的業(yè)務(wù)已經(jīng)由以前單一的語音業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合語音、數(shù)據(jù)、圖像的多媒體業(yè)務(wù)，現(xiàn)有的無線接入網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足其在帶寬、覆蓋、實時性等多個方面的需求，關(guān)于下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)（4G網(wǎng)絡(luò)）的設(shè)計思路和發(fā)展方向，主要有以下3種：革新式的發(fā)展路線、單系統(tǒng)演進(jìn)的發(fā)展路線和多系統(tǒng)融合演進(jìn)的發(fā)展路線[52]，革新式的發(fā)展路線，即定義全新的無線接口、通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，開發(fā)成本高且難以推廣部署，在時效性和實用性上都有所欠缺；單系統(tǒng)演進(jìn)的發(fā)展路線，即充分利用現(xiàn)有的某種無線接入系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)，通過技術(shù)增強來實現(xiàn)系統(tǒng)的平滑過渡，是一種低成本的系統(tǒng)升級方案，但系統(tǒng)性能提高有限，不能作為一種長遠(yuǎn)的發(fā)展路線；多系統(tǒng)融合演進(jìn)的發(fā)展路線，即將現(xiàn)有的多種無線接入技術(shù)有效地結(jié)合起來，實現(xiàn)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合，這種發(fā)展路線既具備了單系統(tǒng)演進(jìn)路線的低成本、低風(fēng)險的優(yōu)點，又能夠有效提高系統(tǒng)性能來滿足用戶需求，是一種實用性和時效性都很強的長期發(fā)展路線。

    接入網(wǎng)絡(luò)研究涉及無線通信與網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)，主要包括信息理論與編碼、信號處理、寬帶無線傳輸理論、多址技術(shù)、多天線MIMO、認(rèn)知無線電、短距離無線通信、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)、無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)、新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合、移動性管理、無線資源管理等[53－60]，本文將重點介紹異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合、移動性管理、無線局域網(wǎng)和無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展。

    3.1 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合

    關(guān)于異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合的研究最早可以追溯到1995年由美國加州大學(xué)伯克利分校發(fā)起的BARWAN（Bay Area Wireless Access Network）計劃[61]，該計劃提出并實現(xiàn)了多模移動終端在無線局域網(wǎng)和無線廣域網(wǎng)之間的垂直切換方案，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ETSI）和第三代合作伙伴計劃（3GPP）對3G網(wǎng)絡(luò)與WLAN之間的互連互通進(jìn)行了深入的研究[62－64]，歐盟第六框架計劃（EUFP6）中的AmbientNetworks[65]、DRiVE[66]、WINNER[67]和EVEREST[68]等計劃在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和核心功能實現(xiàn)等方面也取得了豐碩的研究成果。

    異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的融合架構(gòu)包含兩個方面的要素：一是各種無線接入系統(tǒng)之間以何種方式互連互通；二是各種功能模塊如何進(jìn)行劃分，即各項管理功能（計費、無線資源管理和移動性管理等）在網(wǎng)絡(luò)實體上的分布以及這些實體在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的位置[69]，按異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成的緊密程度不同，異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可分為緊耦合（tight coupling）和松耦合（loosecoupling）兩類。

    （1）緊耦合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

    緊耦合是指參與構(gòu)成異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的無線接入系統(tǒng)之間存在主從關(guān)系，以3G網(wǎng)絡(luò)與WLAN的互連互通為例，3G 網(wǎng)絡(luò)與WLAN 之間存在主從關(guān)系，WLAN 的AP通過專用的接入網(wǎng)關(guān)連接到3G網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)[70]，這樣，WLAN 只是3G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個無線接入網(wǎng)，WLAN的所有業(yè)務(wù)都被引入到3G網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)中，而且WLAN 和3G 網(wǎng)絡(luò)的無線接入網(wǎng)共享3G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供的認(rèn)證、授權(quán)和計費功能和信令協(xié)議，多模終端在3G網(wǎng)絡(luò)和WLAN之間的垂直切換也可以由3G網(wǎng)絡(luò)的移動性管理功能來實現(xiàn)，雖然這種架構(gòu)在網(wǎng)間切換時延、失敗率和丟包率方面比松耦合架構(gòu)小，但是存在著許多缺點：①使用范圍有限，3G網(wǎng)絡(luò)必須向WLAN開放自己的網(wǎng)絡(luò)接口，其網(wǎng)絡(luò)的安全和商業(yè)利益有可能受到威脅，只有這兩個網(wǎng)絡(luò)同屬于一個運營商時才能使用緊耦合架構(gòu)；②可擴展性不強，將WLAN業(yè)務(wù)引入到3G網(wǎng)絡(luò)中，勢必會影響3G網(wǎng)絡(luò)的性能，需要調(diào)整原有3G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部署和業(yè)務(wù)規(guī)劃，WLAN終端需要實現(xiàn)3G網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和使用3G網(wǎng)絡(luò)規(guī)定的認(rèn)證機制。

    （2）松耦合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

    松耦合是指參與構(gòu)成異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的無線接入系統(tǒng)以相互獨立的、平等的方式集成在一起，不存在任何從屬關(guān)系，以3G 網(wǎng)絡(luò)與WLAN 互連互通為例，3G網(wǎng)絡(luò)和WLAN 之間沒有從屬關(guān)系，各自獨立組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)間的移動性管理一般由網(wǎng)絡(luò)層解決，在用戶更換接入網(wǎng)絡(luò)時，通過移動IP等技術(shù)來保持原有會話不中斷，并實現(xiàn)位置管理[70]，與緊耦合方式相比，松耦合方式在使用范圍和可擴展性方面都具有先天的優(yōu)勢。

    現(xiàn)有的松耦合架構(gòu)主要包括：直接互連的松耦合架構(gòu)、基于專用核心網(wǎng)的松耦合架構(gòu)和基于IP核心網(wǎng)的松耦合架構(gòu)。

    ①直接互連的松耦合架構(gòu)

    直接互連的松耦合架構(gòu)，以最直接的方式，通過網(wǎng)關(guān)將各種無線接入系統(tǒng)兩兩連接起來，例如，文獻(xiàn)[71]提出利用專用的GPRS－WLAN 移動網(wǎng)關(guān)（GWMG）實現(xiàn)GPRS與WLAN之間的互連，在該架構(gòu)中，必須在每兩個接入系統(tǒng)之間部署專用的網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)間的互連，而且要求任意兩個無線接入系統(tǒng)之間建立服務(wù)等級協(xié)議（Service LevelAgreement，SLA）。

    ②基于專用核心網(wǎng)絡(luò)的松耦合架構(gòu)

    基于專用核心網(wǎng)絡(luò)的松耦合架構(gòu)，通過建立專用的第三方核心網(wǎng)絡(luò)，將各種無線接入系統(tǒng)都連接到專用核心網(wǎng)絡(luò)中，例如，在MIRAI計劃[72]和SMART計劃[73]所提出的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，需要建立兩個專用核心網(wǎng)絡(luò)，即基礎(chǔ)接入網(wǎng)和公共核心網(wǎng)，其中，基礎(chǔ)接入網(wǎng)負(fù)責(zé)為多模終端提供統(tǒng)一的控制／信令信道，協(xié)助多模終端完成位置更新和網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)等過程，而公共核心網(wǎng)則承擔(dān)著各無線接入系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換以及整個網(wǎng)絡(luò)中的資源管理、用戶身份認(rèn)證和用戶信息管理等功能。

    基于IP核心網(wǎng)絡(luò)的松耦合架構(gòu)則無需建立專用的核心網(wǎng)絡(luò)，而是利用覆蓋范圍遍及全球的Internet作為核心網(wǎng)絡(luò)，并將IP或IPv6協(xié)議作為異構(gòu)系統(tǒng)之間的互連協(xié)議，例如，BRAIN 計劃所提出的BRAIN架構(gòu)[64]、文獻(xiàn)[74]的AMC架構(gòu)、文獻(xiàn)[75]的NGMN架構(gòu)。

    文獻(xiàn)[74]提出了一種基于IP和可信第三方的泛在移動通信架構(gòu)AMC（Architecture for ubiquitousMobile Communications），如圖4所示，該架構(gòu)中新定義了兩種網(wǎng)絡(luò)實體：網(wǎng)絡(luò)互操作代理（NetworkInteroperating Agent，NIA）和交互網(wǎng)關(guān)（Interworking Gateway，IG），第三方的NIA具有認(rèn)證、計費、切換管理、運營商間簽訂的SLA信息數(shù)據(jù)庫等功能模塊；IG則具有認(rèn)證、計費、流量管理、無縫漫游、移動IP外地代理、移動性管理等功能模塊，異構(gòu)的接入系統(tǒng)通過各自的IG與NIA相連，并通過NIA實現(xiàn)異構(gòu)接入系統(tǒng)間的IG交互，配合完成垂直切換所要求的認(rèn)證、授權(quán)、計費功能以及移動IP注冊過程等。

圖4 基于NIA的泛在移動通信架構(gòu)AMC

    文獻(xiàn)[75]給出了一種下一代移動網(wǎng)絡(luò)（Next Generation Mobile Network，NGMN）的分層體系結(jié)構(gòu)，通過基于IPv6架構(gòu)的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)平臺實現(xiàn)多種無線接入網(wǎng)絡(luò)的融合，如圖5 所示，3G 網(wǎng)絡(luò)、WLAN等不同接入網(wǎng)絡(luò)的基站或接入點連接到接入路由器（Access Router，AR），而這些AR則向上連接到移動錨點（Mobility Anchor Point，MAP），每個MAP構(gòu)成一個域，帶有本地用戶歸屬服務(wù)器（Home Subscriber Server，HSS）、以及認(rèn)證、授權(quán)和計費服務(wù)器（Authentication，Authorization andAccounting，AAA），包含與其連接的多個AR及其所屬的基站和接入點，每個接入網(wǎng)關(guān)（Gateway，GW）連接多個MAP，為域間切換提供支持。

    3種松耦合架構(gòu)的對比如表1所示，對于直接互連的松耦合架構(gòu)，每兩種異構(gòu)系統(tǒng)都需要實現(xiàn)互連，技術(shù)復(fù)雜度高，網(wǎng)絡(luò)的可擴展性很差，同時也導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本高和建設(shè)周期長，因此，這種架構(gòu)只適用于數(shù)目很少的無線接入系統(tǒng)間的互連，基于專用核心網(wǎng)絡(luò)的松耦合架構(gòu)不需要在每兩個無線接入系統(tǒng)之間建立直接連接，只需通過每個無線接入系統(tǒng)與核心網(wǎng)絡(luò)的連接來實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)間的間接互連，同時，每種無線接入系統(tǒng)只需與第三方建立服務(wù)等級協(xié)議，而不必與所有其它的無線接入系統(tǒng)建立服務(wù)等級協(xié)議，與直接互連的松耦合架構(gòu)相比，具有很好的可擴展性，然而，建立專用核心網(wǎng)絡(luò)，其技術(shù)復(fù)雜度高，建設(shè)成本高，建設(shè)周期長，基于IP核心網(wǎng)絡(luò)的松耦合架構(gòu)，不僅具有很好的可擴展性，還能夠充分利用現(xiàn)有的Internet網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，從而有效地降低異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)復(fù)雜度、降低建設(shè)成本、縮短建設(shè)周期，綜上所述，基于IP核心網(wǎng)絡(luò)的松耦合架構(gòu)在可擴展性、技術(shù)復(fù)雜度、建設(shè)成本和建設(shè)周期這4個方面體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，因此，該架構(gòu)能夠在學(xué)術(shù)界和業(yè)界取得廣泛的共識，被認(rèn)為是未來異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合最有可能的架構(gòu)形式。

    3.2 移動性管理

    未來的接入網(wǎng)絡(luò)將是多種接入技術(shù)共存、相互補充的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)，如何實現(xiàn)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)間的無縫切換是移動性管理需要解決的首要問題，在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，由于接入技術(shù)的復(fù)雜多樣性，完全基于物理層和鏈路層來提供移動性管理非常困難，需要一種通用的協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)層提供異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)間的位置管理、尋呼和切換等操作，屏蔽不同種類的無線接入網(wǎng)絡(luò)的差異，IP移動性管理[59]能夠為移動終端在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的漫游提供了統(tǒng)一的解決方案，但是其作為網(wǎng)絡(luò)層的移動性管理，將底層網(wǎng)絡(luò)視作透明，沒有搜集底層網(wǎng)絡(luò)相關(guān)信息的途徑，會存在網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)不夠及時、網(wǎng)絡(luò)選擇不夠準(zhǔn)確等問題，切換延遲也較大，因此，在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，有必要在二層協(xié)議和三層協(xié)議之間提供一套與媒體無關(guān)的切換技術(shù)，與IP移動性管理協(xié)議相結(jié)合，共同實現(xiàn)無縫的移動性管理，IEEE在2003年1月啟動了相關(guān)的研究，并于2004年1月成立了IEEE802，21媒體獨立切換工作組，致力于開發(fā)一個媒體無關(guān)的切換標(biāo)準(zhǔn)。

    （1）IP移動性管理

    移動IPv6（Mobile IPv6，MIPv6）是IP移動性管理中的一種基本技術(shù)，能夠滿足移動終端在IPv6網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)隨意移動和漫游的需求，MIPv6協(xié)議有著足夠大的地址空間和較高的安全性，能夠?qū)崿F(xiàn)自動的地址配置并有效解決了三角路由問題，但是其存在著切換延遲長、數(shù)據(jù)丟包率高和信令開銷大等問題，為了解決這些問題，IETF 工作組對MIPv6進(jìn)行改進(jìn)，分別提出了分層移動IPv6（Hierarchical MIPv6，HMIPv6）[78]和移動IPv6快速切換（Fast Handover for MIPv6，F(xiàn)MIPv6）[79]，HMIPv6[78]通過引入移動錨點（Mobility AnchorPoint，MAP）來實現(xiàn)分級管理，即當(dāng)終端在MAP域內(nèi)運動時，只需向MAP發(fā)送綁定更新消息進(jìn)行本地注冊即可，從而減小終端與區(qū)域外網(wǎng)絡(luò)間的信令交互的開銷，F(xiàn)MIPv6[79]則針對移動IPv6中移動檢測、新轉(zhuǎn)交地址配置和綁定更新等過程帶來較大切換延遲的問題，通過引入鏈路層移動預(yù)測機制，在終端切換到新網(wǎng)絡(luò)前完成移動檢測、轉(zhuǎn)交地址配置與重復(fù)地址檢測過程，從而減小切換延遲。

    上述MIPv6及其改進(jìn)協(xié)議在實現(xiàn)移動性管理時要求終端必須支持MIPv6功能，增加了部署和管理的復(fù)雜度，加大了終端的能耗，為此，IETF 于2004年成立工作組致力于研究基于網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域移動性管理協(xié)議，并于2008年推出PMIPv6（ProxyMobile IPv6）規(guī)范[80]，PMIPv6協(xié)議新增了兩種功能實體：移動接入網(wǎng)關(guān)（Mobility Access Gateway，MAG）和本地移動錨點（Local Mobility Anchor，LMA），MAG負(fù)責(zé)檢測終端的連接和離開以及初始化終端向LMA 的綁定注冊過程；而LMA 則負(fù)責(zé)維持移動終端的可達(dá)狀態(tài)，因此，該協(xié)議不需要終端參與任何與IP移動相關(guān)的信令流程，簡化了終端操作；同時，該協(xié)議還具有信令開銷小、切換時延短、可擴展性高等優(yōu)勢，但是，該協(xié)議只能在區(qū)域內(nèi)為終端提供移動性支持，如何與MIPv6結(jié)合，提供高效的全局移動性支持，還需要進(jìn)一步的研究。

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本文標(biāo)題：移動互聯(lián)網(wǎng)：終端、網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)（上）

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