異構(gòu)融合機(jī)制下物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)研究

銀奕淇　張微　高屹揚(yáng)　范雙南

摘要：隨著移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層將是一種由多種接入方式并存，由多種異構(gòu)無線接入技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)。該文通過系統(tǒng)分析幾種無線接收入網(wǎng)絡(luò)，提出了四種異構(gòu)融合的方案，從而實(shí)現(xiàn)用戶在5W條件下都能感覺到網(wǎng)絡(luò)提供的一致性和統(tǒng)一性服務(wù)。

關(guān)鍵詞：異構(gòu)融合；物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)層

中圖分類號(hào)：TP368文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044（2012）30-7379-02

物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮，其廣泛應(yīng)用將在未來5-15年中為解決現(xiàn)代社會(huì)問題做出極大貢獻(xiàn)。2005 年，國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了一份題為《The Internet of things》的年度報(bào)告，正式將“物聯(lián)網(wǎng)”稱為“the Internet of Things”，是信息和通信技術(shù)中的新維度，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)概念進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)、任意物體之間互聯(lián)，無所不在的網(wǎng)絡(luò)和無所不在的計(jì)算的發(fā)展愿景。[1]按照ITU物聯(lián)網(wǎng)研究組的研究結(jié)論，物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)主要是普適網(wǎng)絡(luò)、下一代網(wǎng)絡(luò)和普適計(jì)算。從下一代網(wǎng)絡(luò)在某種角度看，就是可以連接任何物品的物聯(lián)網(wǎng)。

1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)作為一種形式多樣的聚合性復(fù)雜系統(tǒng)，涉及了信息技術(shù)自上而下的每一層面，其體系結(jié)構(gòu)分為感知控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用服務(wù)層三個(gè)層面。感知控制層由數(shù)據(jù)采集子層、短距離通信技術(shù)和協(xié)同信息處理子層組成。數(shù)據(jù)采集了層通過各種類型的傳感器獲取物理世界中發(fā)生的物理事件和數(shù)據(jù)信息，矩距離通信技術(shù)和協(xié)同處理子層將采集到的數(shù)據(jù)在局部范圍內(nèi)進(jìn)行協(xié)同處理，以提高信息的精度，降低信息冗余度，并通過自組織能力的短距離傳感網(wǎng)接入廣域承載網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)傳輸層將來自感知層的各類信息通過基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綉?yīng)用層，包括移動(dòng)通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)、廣電網(wǎng)、行業(yè)專網(wǎng)及形成融合網(wǎng)絡(luò)等。應(yīng)用服務(wù)層主要將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與行業(yè)專業(yè)系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)廣泛的物物互聯(lián)的應(yīng)用解決方案，主要包括業(yè)務(wù)中間件和行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。[3]

2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)研究

物聯(lián)網(wǎng)感知層所收集的傳感信息相互之間的傳送依賴于網(wǎng)絡(luò)層的各種基礎(chǔ)設(shè)施。目前無線傳感器產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)可隨時(shí)隨地傳送出去，解決了最后一公里的問題，但如果將無線傳感器網(wǎng)所采集的信息傳輸?shù)綌?shù)千公里之外，僅僅依靠其本身的傳輸能力顯然無法解決問題，因此，構(gòu)建一個(gè)將短距離至長距離無線網(wǎng)絡(luò)全部包含其中的完整物聯(lián)網(wǎng)，是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層體系所面臨的首要課題。[4]

2.1 通信網(wǎng)

通信網(wǎng)是利用交換和傳輸設(shè)備，將地理上各種分散終端設(shè)備通過交換系統(tǒng)按一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)互連起來，實(shí)現(xiàn)通信和信息交換的系統(tǒng)。也就是說，有了交換系統(tǒng)才能使某一地區(qū)內(nèi)任意兩個(gè)終端用戶相互接續(xù)，才能組成通信網(wǎng)。通信網(wǎng)由用戶終端設(shè)備，交換設(shè)備和傳輸設(shè)備三部份組成。

2.2 3G網(wǎng)絡(luò)

3G是英文the?3rd?Generation的縮寫，指第三代移動(dòng)通信技術(shù)。是將無線通信與國際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信結(jié)合的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。?3G?系統(tǒng)不僅能支持語音業(yè)務(wù)，還能夠支持中高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體通信，提供快捷、方便的無線應(yīng)用。3G系統(tǒng)能將高速移動(dòng)接入和基于因特網(wǎng)協(xié)議的服務(wù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)INTERNET，滿足多媒體業(yè)務(wù)的要求，提供多種信息服務(wù)。

2.3 GPRS 網(wǎng)絡(luò)

GPRS是指通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service）的簡稱。GPRS仍以GSM系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用無線分組交換技術(shù)，以封包（Packet）式進(jìn)行傳輸，通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供端到端的、廣域的無線IP連接，進(jìn)行提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，通過增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來實(shí)現(xiàn)分組交換，用戶在數(shù)據(jù)通信過程中并不固定占用無線信道，因此GPRS不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)信道資源的合理應(yīng)用，而且連接及傳輸都會(huì)更方便容易。

2.4 廣電網(wǎng)絡(luò)

廣電網(wǎng)通常是由廣播、交互兩個(gè)信道組成的用射頻電纜、光纜、微波、數(shù)據(jù)電纜或其組合來傳輸、分配和交換圖像、聲音及數(shù)據(jù)信號(hào)的多業(yè)務(wù)有線廣播電視網(wǎng)絡(luò)。

2.5 NGB廣域網(wǎng)絡(luò)

NGB是以有線電視數(shù)字化和移動(dòng)多媒體廣播（CMMB）的成果為基礎(chǔ)，以高性能寬帶信息網(wǎng)核心技術(shù)為支撐，全程全網(wǎng)的下一代廣播電視網(wǎng)絡(luò)。NGB有效的實(shí)現(xiàn)了“三網(wǎng)融合”，可以為用戶提供高清晰度電視、數(shù)字視音頻節(jié)目、高速數(shù)據(jù)接入和話音等一站式服務(wù)。同時(shí)還具有可信的服務(wù)保障和可控、可管的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行屬性。

3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層異構(gòu)融合實(shí)現(xiàn)

基于未來物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)信息通信場景，未來各種新接入會(huì)層出不窮，新老交替，即未來的信息通信網(wǎng)是異構(gòu)接入的，隨著移動(dòng)無線INTERNET、移動(dòng)多媒體、移動(dòng)流媒體的超前發(fā)展，使無所不在的普適計(jì)算逐漸成為可能，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“任何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)與任何人進(jìn)行任何種類的信息交換”。移動(dòng)通信與寬帶無線接入的迅猛發(fā)展，多種無線接入技術(shù)與服務(wù)共存，協(xié)同工作，支持無逢的移動(dòng)性和不同類型的無線網(wǎng)絡(luò)的融合，成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要支撐技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)融合，互聯(lián)互通分為兩種情況，一種是在保持現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)上，通過增加某些中間節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，可分為緊耦合和松耦合模式。另一種是采用全新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，如ACENET和AN。

3.1 緊耦合模式

緊耦合模式就是在網(wǎng)絡(luò)融合中，使一個(gè)網(wǎng)絡(luò)A作為另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)B的一個(gè)無線接入網(wǎng)而存在，使用網(wǎng)絡(luò)B的鑒權(quán)、計(jì)費(fèi)和認(rèn)證，上層運(yùn)行的是網(wǎng)絡(luò)B的相關(guān)協(xié)議。因此在結(jié)構(gòu)上，需要增加網(wǎng)元或必要的功能模塊以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的互通；在功能上，使網(wǎng)絡(luò)A可以共用網(wǎng)絡(luò)B所支持的各種資源；在管理上，可以采用統(tǒng)一的接入服務(wù)器為兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供接入服務(wù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一維護(hù)和管理。在緊耦合模式下，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以看作是統(tǒng)一的整體，無需第三方即可實(shí)現(xiàn)互操作，用戶可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的無縫切換，保證切換前后的連續(xù)性，但實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度大，增加了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。

3.2 松耦合模式

松耦合模式就是兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立，互不影響，在實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)融合的技術(shù)要求較低，在實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通過程中，需要第三方網(wǎng)絡(luò)輔助，使用的是標(biāo)準(zhǔn)的各類Internet 協(xié)議，可以共用用戶數(shù)據(jù)、鑒權(quán)等。但是當(dāng)用戶采用雙模終端時(shí)，必須采用移動(dòng)IP的方式才能實(shí)證現(xiàn)移動(dòng)終端在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的切換，而且不能保證切換前后的連續(xù)性，由于各自保持著獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議，雙方采用相互獨(dú)立的安全機(jī)制、移動(dòng)性管理和QoS機(jī)制，因此在網(wǎng)絡(luò)管理上，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的業(yè)務(wù)互通需要通過第三方網(wǎng)絡(luò)互連實(shí)現(xiàn)，大大增加了兩網(wǎng)之間業(yè)務(wù)互通的難度。

3.3 ACENET

ACENET（Ad-hoc cellular NETworks），它把蜂窩網(wǎng)絡(luò)，Ad-hoc 和WLAN網(wǎng)集成在一起，是一種全I(xiàn)P結(jié)構(gòu)，即利用支持IP的Ad-hoc路由協(xié)議或一種全新的用于4G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議以及可變-半徑/多半徑MAC協(xié)議達(dá)到異構(gòu)融合。ACENET網(wǎng)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)多模設(shè)置，可支持CDMA、TDMA、改進(jìn)的無線WAN技術(shù)等通信。

3.4 AN網(wǎng)

AN網(wǎng)（Ambient Network）旨在為NGB和無線系統(tǒng)創(chuàng)建全新的網(wǎng)絡(luò)解決方案，以確保能為用戶提供無處不在的、內(nèi)容豐富且界面有好的服務(wù)。AN網(wǎng)的概念是圍繞Internet設(shè)計(jì)的，遵循全I(xiàn)P移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的方法，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)傳輸功能和控制功能的分離。

4 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中接入網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)融合聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢，由于移動(dòng)用戶數(shù)量的快速增加，無線資源的匱乏等問題，需要大量的頻段。頻段的不同造成不同網(wǎng)絡(luò)同時(shí)覆蓋區(qū)域，不同的移動(dòng)通信系統(tǒng)就必須協(xié)同工作在一個(gè)異構(gòu)通信環(huán)境。本文系統(tǒng)分析了幾種無線接收入網(wǎng)絡(luò)，提出了四種異構(gòu)融合的方案，從而實(shí)現(xiàn)用戶在5W條件下都能感覺到網(wǎng)絡(luò)提供的一致性和統(tǒng)一性服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

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