泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用

馬滿倉(cāng)

（中國(guó)電子系統(tǒng)工程研究所 北京100840）

1 引言

1988年，普適計(jì)算之父Mark Weiser預(yù)言了未來的網(wǎng)絡(luò)模式：“網(wǎng)絡(luò)如同空氣和水一樣，自然而深刻地融入人類的日常生活和工作中。”20多年過去了，微處理器的性能每隔18個(gè)月提高一倍，通信帶寬增長(zhǎng)到上百M(fèi)bit/s甚至Gbit/s，各種終端變得更小、更輕、更薄、更加便宜和堅(jiān)固，與泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相關(guān)的科技和產(chǎn)業(yè)開始了蓬勃的發(fā)展。這一切預(yù)示著Weiser先生的預(yù)言正在成為現(xiàn)實(shí)，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)開始自然地融入到人類的日常生活和工作中，泛在網(wǎng)絡(luò)正在以飛快的速度發(fā)展。

2 泛在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)涵

2.1 起源

泛在計(jì)算（ubiquitous computing）是 1991年施樂實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Mark Weiser提出的一種超越桌面計(jì)算的全新計(jì)算模式。他認(rèn)為泛在計(jì)算目的在于使計(jì)算機(jī)在整個(gè)物理環(huán)境中都是可獲得的，而用戶覺察不到計(jì)算機(jī)的存在，讓人們注意的發(fā)展中心回歸到要完成的任務(wù)本身。在此基礎(chǔ)上，日韓衍生出了泛在網(wǎng)絡(luò)（ubiquitous network），歐盟提出了環(huán)境感知智能（ambient intelligence），北美提出了普適計(jì)算（pervasive computing）等說法。盡管這些概念的描述不盡相同，但是其核心內(nèi)涵卻相當(dāng)一致。其目標(biāo)都是“要建立一個(gè)充滿計(jì)算和通信能力的環(huán)境，同時(shí)使這個(gè)環(huán)境與人們逐漸地融合在一起”。

現(xiàn)在國(guó)際上對(duì)“泛在網(wǎng)絡(luò)”的研究正在逐步推進(jìn)之中。前幾年，日本和韓國(guó)通過加快推進(jìn)“e-Japan戰(zhàn)略”和“e-Korea計(jì)劃”，使得各自國(guó)家信息通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的水平得到了全面提升。日韓兩國(guó)通信融合發(fā)展大勢(shì)，提出了構(gòu)建可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何人、任何物都能實(shí)現(xiàn)通信的 “泛在網(wǎng)絡(luò)”的構(gòu)想，致力于實(shí)現(xiàn)從 “e時(shí)代”（electronic）向“u 時(shí)代”（ubiquitous）的轉(zhuǎn)變。

2.2 傳感器網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和泛在網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系

（1）三者定義有重疊

傳感器網(wǎng)是利用各種傳感器（光、電、溫度、濕度、壓力等）加上中低速的近距離無(wú)線通信技術(shù)構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，是由多個(gè)具有有線或無(wú)線通信與計(jì)算能力的低功耗、小體積的微小傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它一般提供局域或小范圍內(nèi)物與物之間的信息交換功能。

物聯(lián)網(wǎng)是指在物理世界的實(shí)體中部署具有一定感知、計(jì)算或執(zhí)行能力的各種信息傳感設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實(shí)現(xiàn)信息傳輸、協(xié)同和處理，從而實(shí)現(xiàn)廣域或大范圍的人與物、物與物之間信息交換需求的互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)包括各種末端網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用3個(gè)層次，其中末端網(wǎng)包括各種實(shí)現(xiàn)與物互聯(lián)的技術(shù)，如傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID、二維碼、短距離無(wú)線通信技術(shù)、移動(dòng)通信模塊等。傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)末端采用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

泛在網(wǎng)絡(luò)是指基于個(gè)人和社會(huì)的需求，利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間按需進(jìn)行的信息獲取、傳遞、存儲(chǔ)、認(rèn)知、決策、使用等服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)超強(qiáng)的環(huán)境感知、內(nèi)容感知及其智能性，為個(gè)人和社會(huì)提供泛在的、無(wú)所不含的信息服務(wù)和應(yīng)用。

（2）未來定位不同

未來泛在網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)各有定位，傳感器網(wǎng)是泛在/物聯(lián)網(wǎng)的組成部分；物聯(lián)網(wǎng)采用各種不同的技術(shù)把物理世界的各種智能物體、傳感器接入網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)是泛在網(wǎng)發(fā)展的物聯(lián)階段，通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)之間相互協(xié)同融合是泛在網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)。

3 泛在網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

總的來說，泛在網(wǎng)絡(luò)所涉及的技術(shù)體系有3大類，包括智能終端系統(tǒng)、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及應(yīng)用技術(shù)。

3.1 智能終端系統(tǒng)

在智能終端方面，未來泛在網(wǎng)絡(luò)的智能終端是融合的，不只是傳統(tǒng)意義上的融合通信終端，是對(duì)人進(jìn)行多方面能力延伸的終端。例如：需要具備人對(duì)環(huán)境的感知能力的延伸，多功能傳感技術(shù)、音視頻識(shí)別、理解、監(jiān)測(cè)等技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用；具備人對(duì)物理世界的操作能力的延伸，具有電子控制和遠(yuǎn)程執(zhí)行等能力。

使用智能終端，可降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性、互操作性和擴(kuò)展性；使用智能終端，網(wǎng)絡(luò)的投資成本將會(huì)降低，因?yàn)樗褂酶雍?jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、基于網(wǎng)絡(luò)的可靠性以及在網(wǎng)絡(luò)和終端之間共享網(wǎng)絡(luò)功能；使用智能終端，網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)成本也將會(huì)降低，因?yàn)闃I(yè)務(wù)推出具有靈活性，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作減少了以及升級(jí)機(jī)制簡(jiǎn)單了。

3.2 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

泛在網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的基礎(chǔ)上，增加新的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成的。融合是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的未來發(fā)展趨勢(shì)，即具備融合固定和移動(dòng)業(yè)務(wù)能力和融合電信、互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)業(yè)務(wù)的能力。未來的網(wǎng)絡(luò)需要超強(qiáng)的智能性，即要具備感知環(huán)境、內(nèi)容、語(yǔ)言、文化的能力。泛在網(wǎng)絡(luò)要滿足各種層次的信息化應(yīng)用，要求基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)具有不同安全等級(jí)和不同服務(wù)質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)能力。泛在網(wǎng)絡(luò)最重要的一個(gè)特征是無(wú)縫的移動(dòng)性，移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)是最重要的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。新型光通信、分組交換、互聯(lián)網(wǎng)管控、網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和仿真、多技術(shù)混合組網(wǎng)都是泛在網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.3 應(yīng)用層技術(shù)

泛在網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層主要指為各種具體應(yīng)用提供公共服務(wù)支撐環(huán)境。應(yīng)用平臺(tái)層的主要技術(shù)特征是開放性和規(guī)范性，應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)領(lǐng)域包括軟件中間件、資源描述與組織、各種標(biāo)識(shí)的管理、信息安全保證、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算、數(shù)據(jù)分析與挖掘等。

4 泛在網(wǎng)絡(luò)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，泛在網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已經(jīng)在許多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域提升了服務(wù)水平，如政府管理、金融服務(wù)、后勤；環(huán)境保護(hù)、家庭網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療保健、辦公大樓等的自動(dòng)化和智能化服務(wù)等。近期的熱點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域是食品/藥品安全、市政監(jiān)控、生產(chǎn)監(jiān)控、家庭電信融合、汽車通信和娛樂服務(wù)等。

在瞬息萬(wàn)變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，如果能識(shí)別敵人的作戰(zhàn)意圖，及時(shí)協(xié)調(diào)并組織已方多兵種的戰(zhàn)斗力，就可以有效地破壞敵方的攻擊；如果能精確、快速地評(píng)估戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，協(xié)同調(diào)配己方多兵種兵力，有效地?fù)p毀敵方的戰(zhàn)斗力，就可以掌握戰(zhàn)場(chǎng)的主動(dòng)權(quán)。這一目標(biāo)需要軍用泛在網(wǎng)絡(luò)的支持。通過該網(wǎng)絡(luò)，各級(jí)指揮中心獲取并共享全面的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，有利于制定優(yōu)化的作戰(zhàn)方案；通過該網(wǎng)絡(luò)，作戰(zhàn)要素協(xié)同行動(dòng)，達(dá)到提升整體作戰(zhàn)效能的目標(biāo)。

4.1 軍用泛在網(wǎng)絡(luò)特征

軍用泛在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有如下特征：

·融合的網(wǎng)絡(luò)，各類子網(wǎng)協(xié)同工作，高效利用頻譜資源；

·可靠的、自愈的、自組織的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；

·覆蓋到整個(gè)軍隊(duì)的所有等級(jí)，為作戰(zhàn)人員及各類作戰(zhàn)設(shè)備提供通信支持；

·具有作戰(zhàn)業(yè)務(wù)需求的QoS保障，在指定的時(shí)刻，將特定的信息送達(dá)到特定的人員與設(shè)備，支持人人、時(shí)時(shí)、處處、事事的通信且具有有效的信息采集的能力。

4.2 軍用泛在網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

（1）開放式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

具有開放性、魯棒性、抗毀性、自愈性、自組織性，并滿足軍事業(yè)務(wù)QoS的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)，采用基于宏觀層面的融合及協(xié)作方法解決基于局部的、零散的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間簡(jiǎn)單的“加法”合并問題，使得不同的網(wǎng)絡(luò)能夠互相作用成為一個(gè)整體，形成互補(bǔ)相助的環(huán)境，滿足任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何人、大容量通信需求。

（2）基于認(rèn)知的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)電臺(tái)融合方案

包括自組織的、高效的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境感知技術(shù)，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及業(yè)務(wù)需求的預(yù)測(cè)與估計(jì)技術(shù)，具有自學(xué)習(xí)能力的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源動(dòng)態(tài)優(yōu)化配置策略。通過網(wǎng)絡(luò)資源的高效配置，使網(wǎng)絡(luò)的融合增益大于單一網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單相加的增益。

（3）泛在網(wǎng)絡(luò)的自組織路由技術(shù)

采用軍事異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的路由技術(shù)，以適應(yīng)軍事應(yīng)用環(huán)境中高動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、多類型的QoS業(yè)務(wù)、快速反擊所要求的協(xié)同多播能力、性能差異較大的鏈路條件等。

（4）軍用泛在網(wǎng)絡(luò)的安全保障

在軍事通信環(huán)境中，既能保證異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，又能維護(hù)各網(wǎng)絡(luò)的安全與保密，是泛在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。

5 泛在網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

泛在網(wǎng)絡(luò)目前存在的幾個(gè)主要問題有：互聯(lián)互通、安全、資源、實(shí)施步驟和行業(yè)融合等。

5.1 互聯(lián)互通問題

泛在網(wǎng)必須在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線接入、固定網(wǎng)絡(luò)和有線電視網(wǎng)絡(luò)等為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行互聯(lián)互通才能實(shí)現(xiàn)其無(wú)所不在的基本特征。這就要求在原有各種網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)商之間、不同制式的網(wǎng)絡(luò)之間完全實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。這對(duì)于目前所有的運(yùn)營(yíng)商均是一個(gè)前所未有的挑戰(zhàn)。涉及接口標(biāo)準(zhǔn)定義、系統(tǒng)改造、整體架構(gòu)部署等一系列問題。屏蔽各種制式網(wǎng)絡(luò)之間的技術(shù)差異，使得用戶將注意力集中在服務(wù)上，是泛在網(wǎng)絡(luò)的最終目標(biāo)之一。因此如何在多種制式的網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行互聯(lián)互通，是最先面臨的問題。

5.2 安全問題

（1）異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的認(rèn)證

在泛在網(wǎng)絡(luò)中，不同網(wǎng)絡(luò)間的業(yè)務(wù)使用非常頻繁，這就要求泛在網(wǎng)除了網(wǎng)絡(luò)與用戶之間的相互認(rèn)證之外，還必須進(jìn)行異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的相互認(rèn)證以及用戶與為其服務(wù)的終端之間的相互認(rèn)證，這樣才能保證有一個(gè)讓用戶放心且安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

（2）建立以用戶為中心的信任域

泛在網(wǎng)絡(luò)是以人為本的網(wǎng)絡(luò)。在服務(wù)提供者側(cè)須整合各種網(wǎng)絡(luò)資源、信息裝置、基礎(chǔ)平臺(tái)、應(yīng)用內(nèi)容及解決方案；在服務(wù)使用者側(cè)，必須有一個(gè)讓使用者放心且安全的環(huán)境，使其能隨時(shí)、隨地、方便地建立以自己為中心的信任域來處理任何事情。其節(jié)點(diǎn)具有動(dòng)態(tài)性、智能性，且多種接入方式和多種承載方式融合在一起以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫接入。它要求任何對(duì)象（人或設(shè)備等）無(wú)論何時(shí)、何地都能夠通過合適的方式獲得永久在線的寬帶服務(wù)，隨時(shí)隨地存取所需信息。移動(dòng)泛在網(wǎng)絡(luò)的這些特點(diǎn)，為我們提出了一個(gè)移動(dòng)安全機(jī)制方面新的問題——如何高效、便捷地建立以用戶為中心的信任域。

（3）信任域的動(dòng)態(tài)管理

泛在網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性是指以用戶為中心的信任域中，終端會(huì)隨時(shí)加入或退出，此時(shí)為有效地保障用戶隱私，一般要求終端退出后不知道信任域中的信息交流和業(yè)務(wù)來往，而新加入的終端不知道進(jìn)入信任域之前的任何信息，即保證前向安全性和后向安全性。

5.3 資源問題

（1）碼號(hào)資源

泛在網(wǎng)絡(luò)中的終端數(shù)量會(huì)比以往任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中終端數(shù)量高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，原有的標(biāo)志終端的方法通常用一串碼號(hào)來進(jìn)行，如果在現(xiàn)有的技術(shù)體制內(nèi)開展泛在網(wǎng)應(yīng)用，必須提供充足的碼號(hào)資源來標(biāo)志泛在網(wǎng)內(nèi)的終端，現(xiàn)有碼號(hào)資源會(huì)變得非常貧乏。這對(duì)現(xiàn)有碼號(hào)長(zhǎng)度、分配原則以及回收方法等都提出了挑戰(zhàn)。

（2）頻率資源

針對(duì)移動(dòng)泛在網(wǎng)而言，在一個(gè)無(wú)線信號(hào)發(fā)生器（基站、AP等）覆蓋范圍內(nèi)的無(wú)線泛在網(wǎng)終端的數(shù)量會(huì)是人員數(shù)量的上百倍，因此，原有的頻率分配不能夠保證每個(gè)移動(dòng)終端都能有充足的頻率資源來進(jìn)行通信，這對(duì)于原有的基站布局、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等都提出了挑戰(zhàn)。同時(shí)，泛在網(wǎng)的多媒體特性以及寬帶特性，都對(duì)頻率資源提出了比較高的要求，如何滿足這類業(yè)務(wù)需求也需要在頻率方面進(jìn)行考慮。

（3）IP 地址資源

IP地址資源其實(shí)應(yīng)該算作碼號(hào)資源的一種，這里單獨(dú)提出，主要是為了說明IP地址資源不足的緊迫性。我國(guó)已經(jīng)明確表示要采用IPv6標(biāo)準(zhǔn)來解決原有IPv4標(biāo)準(zhǔn)中IP地址資源不足的問題，但由于種種原因沒有大規(guī)模使用。不僅在泛在網(wǎng)應(yīng)用方面，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體制內(nèi)，IP地址資源已經(jīng)非常緊張，早日實(shí)施IPv6是實(shí)現(xiàn)泛在網(wǎng)應(yīng)用大規(guī)模鋪開的重要前提條件之一。

6 結(jié)束語(yǔ)

泛在網(wǎng)絡(luò)的研究正面臨重大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，未來的發(fā)展可分為3個(gè)階段：泛在連通、泛在融合和泛在擴(kuò)張，目前尚處在泛在連通的初級(jí)階段。發(fā)展泛在網(wǎng)絡(luò)對(duì)于中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有非常重要的積極意義，推進(jìn)泛在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)將帶動(dòng)我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展，通過技術(shù)創(chuàng)新催生新的產(chǎn)品、新的產(chǎn)業(yè)，形成信息產(chǎn)業(yè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。泛在網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)會(huì)有效提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，進(jìn)一步提高信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)水平，解決地區(qū)之間、城鄉(xiāng)之間的信息基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展不平衡的問題。尤其是泛在網(wǎng)絡(luò)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用研究，具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

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