面向多终端协同的网络控制技术研究 精品.docx
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面向多终端协同的网络控制技术研究精品
面向多终端协同的网络控制技术
研究报告
2011-8
目录
1.范围1
2.术语、定义和缩略语1
2.1.术语和定义1
2.2.缩略语1
3.需求分析2
3.1.应用场景分析2
3.2.技术需求分析5
4.当前国内外标准情况8
5.终端间协同技术10
5.1.终端设备间的互通互操作10
5.2.终端环境上下文管理13
6.网络控制关键技术14
6.1.联合无线资源管理14
6.2.网络业务传输控制18
6.3.网络环境上下文管理25
6.4.移动性管理28
7.网络控制平台29
7.1.网络控制平台架构30
7.2.网络控制平台与终端的关系31
7.3.网络控制平台与业务层的关系31
8.总结32
8.1.标准化潜力32
8.2.多终端协同其他方面影响33
8.3.遗留问题34
9.编制历史35
附录A（参考文献）36
附录B（XXX附录）36
前言
本研究报告主要介绍了面向多终端协同的网络控制技术，重点对多终端协同技术、网络控制技术及平台等内容进行了分析。
研究报告分为八个章节，第一章确定本报告的研究范围，主要为泛在网络中面向多终端协同的网络控制技术的研究；第二章为本研究报告涉及到的术语、定义和缩略语；第三章对多终端协同的应用场景需求进行了分析，提出了本研究所涉及的网络架构及关键技术；第四章对国内外的标准化工作进行了介绍，通过分析可以看出相关标准化工作仍处于起步阶段，关于面向多终端协同的网络控制技术仍然存在未知性和不确定性；第五章对终端间协同的关键技术进行了研究，主要是对异构网络互通架构和终端协议框架进行了分析与总结；第六章对联合无线资源管理、网络业务传输控制、网络环境上下文管理等网络控制的关键技术进行了研究；第七章对网络控制平台的主要功能组件及其与业务层、终端侧等接口进行了定义与分析；第八章针对本报告所研究内容进行了总结；第九章为研究报告编制历史。
1.范围
本研究报告旨在对面向多终端协同的网络控制技术进行研究，具体涉及多终端协同、网络控制等方面的关键技术，以及网络控制平台的架构与接口。
网络控制，利用上下文感知及抽象的终端和网络能力，从网络侧协助实现不同终端、不同子网间的协同服务以及资源的有效利用与调度。
本研究报告适用于整个泛在网络系统。
2.术语、定义和缩略语
2.1.术语和定义
多终端协同：
利用多种终端共同为用户提供泛在网服务，实现协同而统一的体验，从而摆脱单个终端在功能、性能、处理能力等方面的限制。
上下文信息的定义
上下文信息是用来描述某实体当前所处状况的任何信息。
某实体可以是用户、网络或者应用本身。
例如，用户的上下文信息包括用户所处的网络环境（用户位置、可用设备、网络等）以及用户的物理状态（例如，身份、个人偏好以及使用记录等）；网络的上下文信息包括网络描述（例如，网络标识、位置、接入类型、覆盖范围、IP地址）、网络的一般性资源（例如，带宽、所支持的业务、可用的媒体端口、可用的服务质量、安全等级）以及流的上下文信息。
2.2.缩略语
缩略语
英文全称
中文含义
AAA
authentication,authorizationandaccounting
认证、授权及帐务
ABC
AlwaysBestconnected
始终最佳连接
ABE
AlwaysBestExperience
始终最佳业务体验
M2M
MachinetoMachine
机器与机器
NGN/NGI
Nextgenerationnetwork/NextgenerationInternet
控制器局域网
QoS
QualityofService
服务质量
RFID
RadioFrequencyIdentificationDevices
无线射频识别
RSS
ReceivedSignalStrength
接收信号强度
SGSE
ServingGPRSSUPPORTNODE
GPRS服务支持节点
SLA
ServiceLevelAgreement
服务等级协议
SOAP
SimpleObjectAccessProtocol
简单对象访问协议
UPnP
UniversalPlugandPlay
通用即插即用
3.需求分析
3.1.应用场景分析
本节对多终端协同的应用场景进行分析，以对终端的互通互操作和网络控制技术进行研究，以论证本研究的必要性和可行性。
依据终端的归属和协同的复杂度，多终端协同的模式分为三种，即单用户的多终端协同、多用户的单终端协同以及多用户的多终端协同。
（1）单用户多终端的协同
单用户多终端协同类似于个人网的概念,指用户随身携带多个终端，如智能手机、PDA等，为了充分发挥每个终端及其网络接口的优势，将归属于同一个用户的这些终端协同起来，实现业务数据的分流传输，以获得业务体验的提升。
场景如图1所示，用户A随身携带了PC、智能手机和平板电脑，利用平板电脑友好的人机界面及处理器较强的计算能力，与智能手机高速下行速率的互补优势，让智能手机协同平板电脑进行流媒视频观看，相比传统的在平板电脑或者智能手机上观看媒体视频可以为用户带来更好的业务体验。
图1单用户多终端的协同场景
场景分析：
在该应用场景中，用户所持有的多个终端设备通过网络控制技术协同为用户提供网络业务服务，网络控制在协同过程中负责各个终端的接入网选择与管理工作，根据用户所持各终端的类型、功能和处理能力等参数，为各终端分配合适的接入网。
在协同过程中网络控制能够完成用户偏好信息和终端环境信息的采集，根据业务需求合理的调用各终端，提高终端设备利用率，进而为用户提供最佳的QoS体验。
从终端业务侧考虑，在该应用场景中，网络控制能够对用户所持的各终端设备进行网络定位，对用户的位置信息进行管理，通过聚合各终端的网络带宽，保证用户下载视频等多媒体业务过程中的连续性，提高用户业务体验。
同时，由于该场景中，网络所调用的各终端均属于同一用户，用户享有所有被调用终端的控制权限，因此网络可以根据用户的业务需求获取全部终端的调用权限，而不需要对这些终端进行额外的认证鉴权等操作，这使得网络可以根据用户需求向用户提供更多个性化的网络业务服务和业务组合。
（2）多用户单终端协同
多用户的单终端协同类似于个域网的概念，是指将位于同一个位置的多个用户终端协同起来为主用户提供服务，其中主用户是指业务的最初发起者，而为主用户转发数据的用户称作从用户。
场景如图2所以，用户A是主用户，其在应用商店上下载一个应用软件，用户A发现单路径下载速率过低或者其身边用户正处于业务闲置状态（这里假设是用户B），借助网络控制平台，主用户可以向从用户发起协同请求，请求从用户为其协同下载并通过个域网连接技术（WiFiAdhoc模式、蓝牙等）转发数据。
同时，从用户参与协同的积极性可通过一些协同激励机制得以保证。
从上述场景的功能描述中可以看出，通过具有不同能力（如接入技术、终端应用功能）的多个用户的终端协同，可以实现终端P2P互通和终端功能互补以克服单终端能力的局限性。
图2多用户单终端协同场景
场景分析：
在该应用场景中，用户仅持有单个终端，在向网络发出业务请求的过程中，往往会出现由于终端能力不足，导致网络无法向用户提供业务服务的情况出现，因此多用户单终端协同下载网络业务服务具有很强的必要性。
网络控制在该应用场景中，首先通过资源发现机制，采集主用户周围的终端环境信息，根据业务需求选择调用合适的从用户终端，并完成各终端的能力聚合和网络重构工作，在网络侧实现各终端之间能够互连互通，保证各终端能够协同的为用户提供网络业务服务。
从终端业务侧考虑，网络控制应当能够对不同用户所持终端进行管理，当终端出现损毁等意外退出的情形时，能够及时的完成新终端的加入，同时对业务进行重新组合和适配，保证网络业务的连续性，提升用户的业务体验。
在该场景中，网络控制能够通过向从用户支付合理的终端协同费用等方式，以鼓励用户向网络开放其终端的调用权限，同时，从安全角度考虑，为了保证用户隐私和设备的安全，网络控制应当能够保证参与协同的终端只向主用户开放一定的终端使用权限，而下载得到的网络业务数据也只能提供给主用户。
（3）多用户多终端协同
多用户的多终端协同场景，是上述两种协同应用场景的复杂组合，每个用户拥有一个虚拟终端群，终端协同是多个虚拟终端群之间的协同。
场景如图3所示，归属于用户A的终端群由智能手机、PC、平板电脑组成，用户B具有一个类似配置的终端群，由于用户多个终端的能力以统一的能力集的形式在网络侧呈现，故称作虚拟终端群。
用户A希望下载一个应用软件到其智能手机上，在网络控制平台的辅助下，用户A借助用户B的终端群的能力完成数据下载并使得业务吞吐量得到提升。
用户B终端群中的终端对于用户A来说是透明的，这种模式使得主用户无需关注协同终端的具体细节，屏蔽了用户的主观因素，简化了协同交互过程，具有可操作性强的优点。
图3不同网络的多个终端协同
场景分析：
在该应用场景中，用户向网络发出业务请求后，网络通过调用多个虚拟终端群共同向用户提供业务服务，不仅涉及到各终端群之间的协同，还需要涉及不同网络间的协同。
该应用场景中，网络控制需要能够采集用户周围的终端环境信息，根据业务需求选择调用合适的终端群，并完成各终端群的能力聚合和网络重构工作，在网络侧实现各终端群之间能够互连互通，保证各终端群能够协同的为用户提供网络业务服务，同时，能够对各终端群的网络接入进行选择和管理，保证各接入网之间的相互协同，并且能够完成各虚拟终端群在移动过程中的移动性管理工作，保证业务下载的连续性，提升用户的业务体验。
异构网络的终端协同，要获得更佳的资源利用性能，必须考虑网络之间的互通，如使用联合无线资源管理的技术架构实现多个网络上传播的流、网络上下文、控制方式的互通和协调。
3.2.技术需求分析
本研究涉及的网络架构为泛在网络协同架构，如图4所示，包括感知延伸层、网络/业务层、业务提供层、应用层。
感知延伸层通过各个节点内部互联以及与外部终端、设备的互联互通和协同，实现对物理世界信息的采集、标示和交互，为泛在环境中多终端的协同、网络的控制决策提供环境信息的支撑。
感知延伸层具体包含的终端类型有传感器、执行器、RFID读写器、智能终端及设备等，按照应用场景分为办公域、家庭域、车域等。
网络/业务层用于对感知延伸层信息的传递、路由和控制提供支撑，为泛在网环境中人与人、人与物、物与物之间的通信提供保障。
网络层可以细分为：
接入网子层和核心网子层。
接入网子层用于完成对感知延伸层节点和终端设备的接入、协议转换和控制，实现终端系统的聚合和重构以及异构网络的数据融合。
具体的网络接入类型包括：
WIFI、Zigbee、WiMAX、UWB、HFC、移动接入等。
核心网子层为采集到的信息提供传递控制、存储、关联和分析，支持分布式、扁平化信息处理方式，在泛在网中，向上支撑应用，向下优化网络互联。
网络层面具体包含的网络形态有：
通信网、互联网、广电网、NGN/NGI以及行业网等。
业务提供层主要提供行业资源共享和行业服务融合的平台，协同业务的提供、适配和管理。
业务提供层具体包括的引擎有能力服务器、上下文服务器、终端管理服务器、业务适配等，向上提供标准的API接口。
应用层以最佳用户体验为目标，向用户提供无缝的智能化信息和通信服务，为各种行业具体应用提供公共服务支撑环境，既满足面向公众的行业公众服务，也可以满足行业内部特定应用需求的行业专用服务；既有泛在网基本的物联感知应用，也有更为智能的协同应用。
针对上述泛在协同架构，多终端协同主要体现在以下三个方面：
（1）终端和设备对应的连接资源的协同
⏹网络虚拟化、资源管理、面向业务的智能资源映射（含端到端重构）
⏹网络连接控制（多宿主多连接多终端多流传输）
⏹网络连接上下文管理及自适应
（2）终端和设备包含的计算/设备能力的协同
⏹终端中间件与终端业务合成（SoA）
⏹协同执行环境
⏹终端环境上下文管理及自适应
（3）终端和设备对应的业务构件的协同
图4泛在协同架构
⏹后台业务构件化与合成
⏹业务生成环境（Operator、SNS、UGS）
⏹基于终端协同环境上下文的业务提供与智能重构
为实现上述多终端协同下的网络控制，本课题将对以下几方面关键技术进行研究：
（1）对多终端协同的关键技术进行研究。
通过上述应用场景的分析可以看出，终端之间的互通互操作是终端协同的基础，需要针对复杂异构网络和IP/非IP混合网络提出互通方案，解决终端协议框架、寻址等关键问题。
在终端的协议框架上，比较可行的方式是采用中间件的架构。
需要实现终端能力的描述和获取，以及终端环境上下文的感知和获取。
（2）对网络控制关键技术进行研究。
针对协同后的终端展现出的多无线资源特性，需要在网络侧采用联合无线资源管理装置，对无线资源进行管理，以使业务流在最合适的无线链路中进行传输。
同时，协同终端的多接口性另业务流的分流和并行传输成为可能，因此，需要对分流场景进行分析，得到可行的分流架构和分流方案。
网络侧处理的智能性还体现在对于网络环境上下文的考虑，需要基于网络环境上下文，对无线资源和业务流处理进行优化，以实现最佳的用户体验。
（3）网络控制平台是上述网络控制的实施者，除了需要实现网络连接控制和网络业务控制外，还应实现终端管理、移动性管理等功能，并与AAA服务器进行交互。
网络控制平台向上应提供与业务提供层和应用层的接口，向下应提供与感知/延伸层终端的接口。
4.当前国内外标准情况
随着泛在网络研究工作的逐步深入，很多标准化组织对行业相关性较强的网络控制技术进行了一定的标准化研究工作，其中3GPP、IETF、ETSI及ITU的研究工作尤为显著。
ISO/IECJTC1WG7针对传感器网络参考架构、协同信息处理架构等方面启动了研究和标准化工作。
3GPP针对M2M的研究主要从移动网络出发，研究M2M应用对网络的影响，包括网络优化技术等。
在核心网方面，3GPPCT工作组主要负责研究过载控制，处理大量MTC设备同时接入网络、传输数据带来的拥塞问题。
在系统业务方面，3GPPSA工作组主要研究过载控制，处理大量MTC设备，还有低优先级，其他功能，低如低功率、低移动性。
3GPPMTC课题在2009年11月正式列为R10阶段讨论议题，原计划于2010年09月完成，重点解决网络过载/拥塞场景，但由于会议进度等原因，在R10阶段MTC课题的进展依然比较缓慢。
直至2010年08月，3GPPSA1工作组才基本完成NIMTC的R10需求与场景制定，同年9月开始针对SIMTC的R11需求及场景进行制定，同时立项MTCe_FS研究可能的场景及需求，在2011年11月，3GPPSA1工作组冻结了SIMTCR11需求，开始着手R12需求的立项工作；3GPPSA2工作组在2011年2月开始针对SIMTCR11制定解决方案，并将于2012年3月冻结R11课题启动SIMTCR12的TR研究；3GPPCT1工作组在2010年5月将NIMTC作为R10课题进行立项后，于同年十月正式开展相关协议的实质性修改，2011年8月开始对SIMTCR11项目进行立项，将于2012年3月对R11项目进行冻结。
3GPP对于M2M的研究范围为：
只讨论移动网的M2M通信；只定义M2M业务，不具体定义特殊的M2M应用；无线侧和网络侧的改进，不讨论跟（x）SIMs和/或（x）SIM管理的新模型相关的内容。
IEEE标准协会标准化委员会通过IEEE1888TM标准，这是一个适用于泛在绿色网络的控制协议标准。
通过远程监控、操作、管理和维护，IEEE1888可以帮助消耗更少的能源及对环境造成更小的影响，并为人们提供安全、舒适以及便利的环境。
IEEE1888工作组由中国电信、天地互连公司、清华大学、北京交通大学发起，并得到世界各国其他组织的支持。
CCSA的技术工作委员会TC3、TC5、TC8，已经开始对泛在网的需求和架构、M2M业务研究、WSN与电信网结合的总体技术要求、TD网关设备要求、无线传感网安全技术要求等进行研究和行业标准制定的工作，同时还完成了M2M技术的移动通信网物流信息服务的一系列标准。
TC10中目前的工作有泛在网的需求泛在网总体框架与技术要求、泛在网络标识、解析与寻址体系、泛在网和物联网标准工作指南、泛在网IPv6相关技术、M2M应用通信协议技术要求、如车载网等典型泛在网应用场景的规范和研究以及对传感网及其感知节点进行了研究，其中项目组中项目编号为2010B76《泛在网络的鲁棒性技术研究》的项目中，对网络控制的过载和自愈等控制进行研究。
ITU是最早进行传感网标准化的组织之一，侧重从NGN角度进行泛在传感网（USN）研究。
USN要求（Y.2221）和USN中间件要求（F.744）已经完成，现正制定USN安全（X.usnsec1-3）和应对气候变化（F.USN-cc）方面的标准。
ISO/IECJTC12007年底成立传感网研究组（SGSN），并于2009年发布了《SGSN技术报告》。
同年10月，正式成立传感网标准化工作组（WG7），目前传感网参考架构和美国提出的传感网智能电网应用接口标准已经立项。
IEEE1451系列传感器接口标准规定了智能传感器的通用接口命令和操作集合，一定程度上解决了当前工业总线标准不统一的问题，降低了传感网应用集成开发的难度。
ETSI于2008年底成立M2MTC（在3GPP中，M2M被称为MTC，即Machine-TypeCommunications），致力于M2M业务及运营需求、端到端高层架构、应用、解决方案间的互操作性研究，旨在制定一种水平化、不针对特定M2M应用的端到端解决方案的标准。
ETSI针对M2M领域的主要工作内容包括：
收集和定义M2M场景需求；定义并且维护M2Moverallhighlevel架构；识别现有标准所没有覆盖的M2M的需求，并对这些需求进行标准化。
所涉及的技术范围包括：
业务需求、总体高层架构、设备标识/命名/寻址、QoS、安全/隐私、计费、管理/配置、硬件接口考虑、端到端互操作、与现有架构的映射、测试规范等。
目前为止，ETSIM2MTC已经完成了WI#1（ServiceRequirements）、WI#3（SmartMeteringUseCases）制定工作，当前的讨论热点集中在WI#2（FunctionalArchitecture）和WI#10（Interfaces）方面。
IETF是全球互联网相关技术规范的主要研发和制定者，为了能够在IP网络上提供面向对象的应用，IETF致力于制定出一套面向资源的网络应用协议框架。
2009年底，IETF召开了关于传感器网络领域协议、应用和安全的讨论会，并于2010年成立了负责传感网络标准化的CoRE工作组。
目前为止，IETFCoRE（APP）已经提出了CoAPprotocol、securitybootstrapping等提案。
另外还有部分研究集中在对现有移动通信网络协议的增强，使其能更好的适应泛在网的业务特点。
主要的移动通信标准化组织均已开展相关工作，3GPPSA和RAN分别针对网络架构、核心网以及无线接入网开展了工作，目前网络架构的增强已经进入实质性工作的WorkingItem阶段，而无线接入网的增强仍处于研究（StudyItem）阶段。
5.终端间协同技术
5.1.终端设备间的互通互操作
5.1.1.终端互通架构
泛在网中存在泛在网终端、泛在网节点、泛在网网关等，而终端、节点与网关间互联互通则是多终端协同的基础。
。
针对终端环境短距离通信的高度异构性，需要研究不同协议平台的互连互通机制，例如支持Zigbee、6LoWPAN、BlueTooth、WIFI、RFID等通信协议的泛在终端之间的互通。
可以采用基于网关的互通机制，同时兼顾大量节点自组织的情况。
互连互通涉及终端寻址、接口标准化、协议转换及标准化、系统架构改造及部署等问题，是泛在网的基本工作和目标之一。
终端互通互发现方案目前有多种方式，如通过增加同一通信模块实现、通过网关中转实现、通过统一IP网络化实现。
目前公司正在研究统一IP网络化的实现方案。
典型的终端环境如图6所示，网络中存在着各种异构终端，例如PLC终端、WLAN终端、Zigbee终端等。
图6终端环境互通架构示例
5.1.2.终端协议框架
泛在终端环境的多样性和异构性，体现在其具有多种硬件平台、多种操作系统、多种形式的资源和服务上。
为了屏蔽不同的泛在设备，向上层泛在应用提供统一的接口，以降低应用的开发难度，通常采用中间件技术设计终端架构。
图7示出了一种泛在终端中间件架构，该架构的特点在于，向上层应用提供标准的API接口，从而降低应用开发的难度。
同时，中间件架构是可裁剪的，每个功能组件可以完全或部分裁剪。
同样地，中间件具有良好的可扩展性，可以按需添加新的功能组件。
图7泛在终端中间件架构
（1）网络层/传输层
针对网络中的三类终端研究IP可达性和非IP可达性，包括：
支持传统IP协议栈的终端、支持轻量级IP协议栈的终端、以及非IP协议栈终端。
（2）互通互操作层
互通互操作层包括发现、描述、控制、事件、鉴权、寻址等功能组件。
发现：
新设备加入网络时，可以通过自动多播消息宣告自身及服务，也可以通过自动多播消息搜索感兴趣的设备及服务。
发现机制可参考UPnP的SSDP协议。
描述：
设备发现其他设备之后，通过进一步的交互获取其描述信息，包括设备描述、服务描述等。
该过程类似于有关单位提出的汇聚过程。
涉及XML句法，描述机制可参考UPnP设备模板。
控制：
设备在收到其他设备及其服务描述后，可以向这些服务发起控制执行请求，目标设备处理请求并返回响应。
控制协议可参考UPnP的SOAP协议。
事件：
面向设备及其服务，当设备获取了其他设备及其服务的描述后，就具有了对该设备及其服务的事件触发能力。
事件机制可参考UPnP的GENA协议。
鉴权：
需要考虑终端与网关之间、终端与统一业务平台之间、终端与终端之间的鉴权与认证。
寻址：
为实现非IP可达环境下即插即用，需对非IP终端实现虚拟IP寻址，或采用其他方案。
（3）应用层
互通互操作有可能发生在终端之间，因此除了统一业务平台的演示方式外，还可在终端上进行演示。
因此，终端应支持在互通互操作层之上进行功能演示等应用的开发。
5.1.3.寻址方式
如前所述，为实现泛在终端的访问和控制，终端可以采用IP架构和非IP架构。
其中，IP架构是指无线传感器网络中的每个节点均支持IP协议，例如，网络协议第四版本（InternetProtocolVersion4，简称为IPv4）和/或网络协议第六版本（InternetProtocolVersion6，简称为IPv6）。
目前的互联网工程任务组（InternetEngineeringTaskForce，简称为IETF）正在积极制定适用于无线传感器网络的轻量级IPv6，其工作包括IPv6报头压缩、IPv6报文分片与重组、帧格式适配、地址分配和映射、邻居发现等。
在非IP架构下，泛在终端不支持IP协议，需要网关等设备实现地址解析。
在此情况下，泛在终端在加入网络时，可以向网络侧服务器申请IPv4/IPv6地址；网络侧服务器为泛在终端分配一个未被占用的IPv4/IPv6地址；服务器或其它终端在访问该终端时，可以先向网络侧服务器或网关查询地址信息，并根据地址信息向该终端发送IP数据包；最终由网关设备完成IPv
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