移动泛在网络环境(1)

基金项目：国家自然基金项目(60632030)

      当今社会正经历着信息化带来的巨大变革。以移动通信、固定通信、PC机和互联网络为代表的信息网络技术已在过去20年内成功地实现了跨越式大发展，渗透到了工业、农业、商业、文化、教育、社会公共服务、社会保障等社会生活的方方面面，改变着人类的工作生活习惯与思维方式。其中，移动通信在人类生活中的高渗透率引人瞩目。

      移动通信凭借便捷灵活的方式，以及与互联网在新型产业价值链上的融合，已成为当前最具活力的创新领域。

      值得注意的是，在移动通信从2G向3G发展的近10年来，产生了许多种不同的无线传输技术，如PHS、GSM、CDMA、WCDMA、CDMA2000、WiMAX、TD-SCDMA、802.11a/b/g、UWB、LMDS、DVB-S/T/H、MMDS、Bluetooth、Zigbee、RFID等，而目前各国又在研究新的Super3G和Beyond3G的传输技术。显然，未来网络的异构性更加充分。其实，不仅在无线接入方面具有这样的趋势，在终端技术、网络技术和业务平台技术方面，异构化、多样化、泛在化的趋势也同样引人注目。

      多样化和异构性使人们对技术的发展取向出现困惑。为此，世界无线研究论坛(WWRF)成立了愿景委员会专门讨论未来愿景，希望能够通过对愿景的共同构思解决“未来的无线通信能够带来什么样的服务”、“我们需要什么样的服务，什么样的技术在未来比较重要”、“实现这些服务的挑战是什么”等问题。讨论的层面已经不局限于传输，而是涉及到整体的信息系统未来的运行模式。移动泛在业务环境(MUSE)最初是作为对未来无线世界愿景目标的一种尝试性描述在世界无线研究论坛(WWRF)2004年在北京召开的会议上提出的。

      MUSE模型综合考虑了网络和终端对于业务的支撑能力，将网络和终端统一归纳为无处不在的，具备个性化、普遍感知和适配性支持能力的业务环境。

      MUSE所追求的始终最佳业务体验(ABE)的目标强调在用户的环境和状态发生改变的情况下，业务提供方式的智能性、业务生成方式的多样性以及业务对底层网络、终端变化的自适应性，并希望通过各种异构网络之间、个人域网络与运营商网络之间的协同工作，获得丰富多样的新业务。特别地，从解决目前IP网络运营中暴露出来的对于网络控制不到位、网络资源利用率低下和各种现存的异构网络之间互联互通的困难，以及未来移动互联网络异构环境下多网融合与业务应用的无缝切换等一系列重大基础性难题出发，MUSE对实现可控可管前提下的协同工作和资源分配的网络体系架构展开了研究。作为一个未来信息网络的构建模型，MUSE希望在机器之间、机器与人之间、人与现实环境之间实现高效信息交互，并通过新的服务使各种信息技术融入社会行为，从信息采集、传输、处理、反应等方面整体优化信息流通模式，最终通过效率的提升带动人类社会综合劳动生产力的提高，以契合未来社会在信息智能化方面不断的增长需求。

1 MUSE发展现状
      1991年，Xerox PARC公司首席科学家Mark Weiser针对PC时代“让计算机成为人类注意的焦点”的设计理念，提出了“泛在计算(Ubiquitous Computing)”的思想，强调把计算机嵌入到环境或日常生活用工具中去，让计算机本身从人们的视线中消失，让人们注意力的中心回归到要完成的任务本身。

      泛在计算自提出以来一直在学术界和工业界争论不休。对于网络系统而言，无所不在意味着网络、设备的多样化以及无线通信手段的广泛运用，表现出丰富的异构性。通信的问题总是和环境息息相关。以短距离、低电源以及低计算能力为特征的泛在微设备环境必然给组网技术带来变革动因。例如，一些科学家认为传输控制协议/网间协议(TCP/IP)在微型无线传感器这样的资源极度受限的网络条件下有可能显得不够经济，提出了一些在局部使用的互联协议和传输协议，如NanoIP等。泛在计算理念中的“不可见”同样也有可能使得网络体系结构发生更加深远的变革，例如，为了追求流畅性，一些科学家提出泛在通信网络结构应当面向数据而非按照现在这样面向标识来进行处理，以实现对人“不可见”的自动网络路由控制。大体来说，在2000年前，关于泛在网络的研究虽然表现出对无线通信的重视，但是对无线网络的灵活性没有进行充分挖掘。毕竟，短距离通信技术的层出不穷，固定蜂窝移动网络的IP多媒体化才是最近几年的事情。

      得益于微电子、低功率无线通信等技术的飞速发展，泛在计算所必须依赖的硬件技术的突破指日可待，世界各国的科学家普遍相信周边智能时代正在离我们越来越近。欧盟第6框架中信息社会技术(IST)方向确立的一个重大研究主题为“周边智能化”(Ambient Intelligence)，意图多方位多角度地探讨信息基础设施在实现周边的智能化环境时可能遇到的种种问题。日本经过近十年的信息社会的发展，于2004年确定“Ubiquitous Japan”的发展目标来取代之前的“E-Japan”的目标，开展系列研究计划构建未来泛在的信息社会。ICC将2005年国际学术会议的主题确定为“Towards Ubiquitous Era”。这些都反映着整个社会对于周边智能的重视提到了前所未有的程度。人们已经越来越不满足就局部意义上探讨技术问题，希望从社会需求、业务应用、科学、技术等问题上形成未来周边智能时代的整体愿景，并在这个构架下对各种可能面临的问题展开系统化的研究工作。

      目前全IP网络概念使人们坚信，未来网络的主导发展趋向必定是以IP核心网为平台进行网络的融合与演进。

      IP互联网在继续拥有IP网的灵活性和能提供现有Internet的全部业务的基础上，将向下一代互联网(NGI)演化。同时，IP网还应拥有电信网的高稳定性、可靠性和高度的可管理性，能够按运营者对业务的设计要求自主地调度全部网络资源，可管理的IP网将进一步发展，配合各种新增值业务模块演化成为下一代网(NGN)。

      NGN提出了基于服务等级协议(SLA)的可管理的IP网络架构以满足运营商对IP网络资源的控制和管理要求；支持通用移动性以保证不同网络间的漫游和服务的无缝移动；采用开放的应用编程接口(API)实现业务与网络的分离以支持灵活的业务提供能力。这些思想对未来网络的设计具有深远的指导意义。

      在移动通信领域，透过3GPP的Release5/6/7的演进趋势可以明显感受到移动通信的全IP进程以及业务提供能力的日趋个性化。Release5的目标是构造全IP移动网络，即使得语音、数据以及多媒体业务的承载与控制都能够基于IP来完成；而在此基础上Release6和Release7的重点则集中于业务增强以及与其他网络的互通。世界范围内移动通信的发展非常活跃，人们试图在3GPP的Release5/6/7所描绘的无线通信系统和互联网相互融合的基础之上更进一步，设计出下一代移动互联网的愿景模型。

      作为愿景描述，目前有如下一些研究：
      欧盟在2002年提出了“I-centric”的概念，提倡以人为中心的“Cyberspace”的通信空间。
日本提出了“Flying-Carpet”的概念，从业务的视角解析未来可能出现的业务种类。

      本文提出的MUSE从业务的角度出发，认为应用需求必将推动以移动通信网络为代表的广域网络与泛在计算向着相互融合的方向发展，从而演进成一个异构协同网络，以无处不在的灵活的计算为人类提供与其周边设备建立更加和谐联系的综合信息系统。

      MUSE在国际上获得了广泛的认可与关注，在中国也得到了中国移动通信公司、信产部电信研究院、中兴通讯、联想等企业的广泛关注，并在中国通信标准化组织(CCSA)2004年会议中决定以MUSE为蓝本作为中国愿景目标在2005年正式向国际电信联盟(ITU)提出。

      网络体系结构的问题是未来愿景中的核心问题，相关研究得到了人们广泛关注，在国际范围内，以欧盟的信息社会技术系列研究项目最具代表性。

      从欧盟IST整体的部署来看，对于未来可能出现的泛在智能、异构网络协同工作进行了系统的部署，在B3G框架下设置了20多个大型项目，进行全方位多角度的研究。在“Ambient Networks”项目中提出了“Ambient Control Space”的概念，实质上是提供了一种跨域联合控制的模式，表现出了一种协同控制整体观对协议结构设计的可能影响，是当前的研究热点之一。

      在2004年立题的MAGNET项目中提出了个人网络(PN)的概念，以个人为中心，将个人所涉及的个人域网(PAN)、广域网(WAN)、车载域网(VAN)的设备与网络统一纳入到个人网络范畴内，进行通信和业务提供方面的优化，体现了一种新的视角。在INSTINCT项目中，探讨数字视频广播(DVB)网络与宽带码分多址(WCDMA)网络在多媒体业务方面的配合能力，体现出了异构广域网之间的能力差异与互补的可能性。而DVB在欧洲的成功商用使得这一项目备受关注。在E2R项目中，对于软件定义无线电(SDR)技术进行了增强，将重点放在研究网络如何在端到端的情况下支持重配置技术。此外，还有WINNER、MOBDICK、ANWIRE等项目，从多个层面和角度对于异构网络的问题进行了有意义的研究尝试。

      为了进一步协调、融合、宣传泛在智能、异构网络协同的研究成果并推进整个世界在相关领域的研究，欧盟倡议成立了WWRF论坛。总体来说，欧盟项目在应用场景、产业链规划和技术创新等方面都提出一些非常有借鉴意义的思想，整体上更侧重于技术创新和工业化前景。每个项目都体现出一定的创新视角，呈现出一片“百花齐放”的繁荣景象。从中我们也可以看出异构网络之间的协同问题具有广阔的创新空间。

2 网络发展的驱动力

2.1 社会需求
      人类社会对于移动通信有旺盛的需求，这已经从过去几十年内移动通信的飞速发展中得到了证实。同时，移动通信也正在改变着人们的生活方式，移动生活、移动Internet、移动城市等新名词的出现表明移动通信正渗透进社会的方方面面。它使得信息交流突破了时间与空间的局限，极大地加速了社会各元素进行信息交流的频率，从而使得整个社会日常生活节奏加快，形成社会各元素的高效率运作。

      对于效率的追求仍然是未来社会逐步优化其自身发展的必然需求。信息手段的优化对于整体社会效率的提升显然具有直接的影响，但模式上有可能更为高级。当前的方式是人通过对于各种通信工具的运用提高了对各种信息资源的获取能力，以提升自身的工作效率。

      在未来，通信工具、信息资源的极大丰富将使得人以有效方式获取信息的难度加大，需要有各种通信以及信息工具协调配合，协助人们高效地完成各种任务，即通过综合的信息环境来为人主动服务。在未来社会，各种泛在智能设备如传感器网络和移动通信的协同配合将为人们提供状态感知的新业务，如果这种新模式的出现和普及能够使得社会内部的信息交流和决策判断更加高效，就将逐步获得竞争优势，成为未来社会发展的主流。

2.2 产业需求
      从第二代到第三代，移动通信的发展基本特点表现为：业务更加丰富、覆盖范围增大、网络技术灵活高效、传输带宽大幅提高、终端功能与种类多样化。

      但是，产业发展也遇到一些新问题，其中最主要的是异构性问题，并且这种异构性问题随着技术的进步更加突出：旧的技术也许还没有完全获得实施或者还未收回投资，新的更有竞争力的方式就已经出现。这种技术种类之间的过度竞争导致产业发展的整体风险增大。网络的互通性差、融合度差是未来通信产业面对的最为困难的问题之一。这是因为，既便是融合原有的技术也需要有所创新，别说引入新的技术种类了，而由于运营、投资、用户习惯等种种原因，新的技术种类也不可能一夜之间取代旧的技术，从而不可回避地出现异构共存。

      异构性问题导致无缝通信、特别是广域无缝通信的目标变得困难。为了克服这种困难，在技术中需要能够实现多模通信或者采用软件技术对无线通信模式进行配置。从而减小通信产业链各个环节的风险，使整个产业发展稳步向前。

2.3 经济需求
      知识和信息已经成为新经济的核心生产要素，经济信息化要求信息的获取必须快捷、有效。具有智能性的未来通信系统可以理解使用者的需求和潜在需求(如偏好等)，为用户迅速获取有用信息、屏蔽无效信息，避免信息泛滥。

      经历了农业经济、制造经济、服务经济之后，未来将出现“体验经济”，即“创造一种独特的氛围，用一种令人感到赏心悦目的方式来提供服务，顾客为了获得这种舒适的过程而愿意为之付费”。在这种经济模式中，企业不仅仅是在销售实物，更多的是偏向一种生活方式。同样，未来移动通信的发展一定会从服务经济转向体验经济，用户享受到的将更是一种体验、一种生活方式，而不是单纯的通信。

2.4 业务需求
      网络技术的发展以及信息采集终端的部署都是以能够支持丰富的业务为核心的，现有的互联网业务以及通信网业务所普遍存在的问题是缺乏智能性和个性化，也无法有效地屏蔽因为网络异构而带来的业务使用范围以及业务体验上的局限性。信息采集终端的有限部署也导致了信息源的缺乏，同时信息整合和挖掘的不够充分也是现有业务形式和内容单一的原因之一。

      因此未来需要加强对智能业务理论和业务环境表示理论的研究，需要提炼和抽象未来用户的应用需求，在业务开发和业务应用过程中充分考虑用户的主客观感受。考虑到业务生成方法的智能性、环境感知、上下文感知等智能业务的技术可能性，就使得研究和创建智能业务理论成为必然。同时，未来的移动业务应用环境是复杂的，网络的异构性和终端的智能重构给移动业务的应用带来了新的特性和变化。如何将网络和终端的能力抽象为功能和机制的集合，并要求这些能力具备可感知、可表示、可量化、可计算的特征，以利于实现高效、智能的可控可管和协同工作，探索在不同的应用场景下统一的整合这些异构网络的能力，优选出最适合当前用户需求、当前业务需求和当前网络状况的联合网络资源利用的最佳用户体验的量化方式，成为未来业务研究必须要回答和解决的本源性问题。

2.5 网络需求
      在网络传输技术方面，考虑到人们对信息需求的持续增长、频率资源的日益稀缺等因素，对高速率、高频谱效率、低成本的追求从过去到未来都会是驱动技术发展永恒的需求动力。但在网络体系结构方面，变革的因素却复杂得多，这使得未来网络具有许多新特征。

      未来网络统一于IP已经是业界的共识。但是目前的IP网络在可管理和可控制方面远达不到电信级的要求，可控可管的IP网络将是未来网络发展研究的主题之一。

      由于未来网络异构性的不可避免，从优化用户体验的角度出发，异构的核心网和接入网之间无缝的连接性是未来网络发展的趋势；而网络运作的可控性及高效地利用网络资源则是网络运营商所最为关注的问题；从业务支撑的角度来看，构建一个充分利用各种异构网络的能力但又有效屏蔽了这些异构网络细节的业务环境，能够统一地整合这些异构网络能力的未来网络框架是网络发展大势所趋。

      未来网络，需要探索高效的策略管理、接入控制、切换、漫游、安全等机制，需要在包括网络组织行为、网络重构行为、网络资源分配在内的行为集合研究上更进一步。

      目前的移动网和互联网体系不能满足未来人类对于信息交流和智能业务的需求，以用户需求为中心、自顶而下的研究，重新审视网络与终端作为业务支撑环境所应当具备的功能和能力，将对未来网络架构设计产生深远的影响。

      目前迫切需要提出一个具有充分前瞻性的移动互联网体系：探索和规范下一代移动互联网络的功能和属性；指导、规范和承载中国在21世纪前20年对于下一代移动互联网的重大基础问题的研究。研究和归纳作用于体系架构的设计导则和系统设计约束；探索和制订MUSE体系架构中基本理论和关键技术之间的内在依存关系和耦合机制以及探索MUSE体系和其他体系的依存关系和演进策略。

3 MUSE的概念

3.1 基本概念
      未来网络的异构性更加充分。不仅在无线接入方面具有这样的趋势，在终端技术、网络技术和业务平台技术方面，异构化、多样化的趋势也同样引人注目，多样化和异构性使得人们对技术的发展取向出现困惑。

      MUSE正是作为对未来无线世界愿景目标的一种尝试性描述提出的。在MUSE中，通信系统通过各个异构子网络的协同，能够支持不同程度的移动与无缝的连接；同时，泛在智能的终端设备以及传感器网络还能够充分交互环境及上下文信息，诸如个体偏好，用户身体状况、情绪，周围环境的温度、湿度等信息，支持信息空间与物理空间的融合。协同网络同周边的泛在系统的交互与融合，能够产生更为智能的业务提供环境，以向用户提供始终最佳的业务体验，即ABE为目标，主动为高效的适配性服务，而从业务的角度看来，MUSE将提供一个能够充分利用各种异构网络的能力但又有效地屏蔽了这些异构网络细节的业务开发和部署环境，实现业务的迅速开发与部署。这一切可以归纳为：业务创造的丰富多样、业务提供的充分适配。网络协同融合，终端泛在智能，即MUSE的核心思想。

3.2 参考模型
      MUSE演进图如图1所示。图2所示为从用户角度出发得到的MUSE参考模型，MUSE系统主要包含3个功能要素：用户、终端业务环境(TSE)、网络业务环境(NSE)和业务。

      用户以用户身份(UID)表示，它是整个MUSE中业务服务的对象，它是订制了一系列专门业务和拥有个性化偏好的用户的实体甚至集合。一个UID可以代表一个真实的用户、一组用户或合作用户，甚至可以是一个UID的群组。一个用户也可以拥有若干个UID。

      TSE是一个直接为用户提供业务的终端环境。它可以由单个终端设备或一系列网络分布设备组成，也可以包括嵌入日常环境的泛在智能设备。TSE能协同地运用分布的业务能力向用户提供服务，并通过对用户的周围环境以及上下文的感知反馈对终端业务环境以及网络业务环境乃至业务进行充分的交互和适配，从而提供给用户更舒适的体验。不言而喻，TSE和NSE的协同以及互相支持是发挥TSE最大的服务能力的必然保证，这一切都使用户的个人信息空间进一步融入环境中，生活与工作将更加和谐自然。

      NSE包容了各种各样的异构网络，通过协同桥接终端业务环境与业务。在NSE中，异构的网络充分融合并形成协同的自适应、自组织、自管理的网络环境。NSE将根据TSE提供的上下文信息以及用户的偏好进行网络环境的适配，进行高效跨域的资源分配与无缝的业务提供，以向用户提供最佳业务体验。NSE将在其边缘与大量具有典型自组织特色的终端环境交互融合，多个层次上的联合控制与互相支持将为多种丰富的个性化业务提供创造巨大的空间。NSE还将提供开放的平台以推动丰富多样的以用户为中心的业务的快速开发与部署。

      最后，业务通过MUSE提供给用户。业务通过MUSE获得终端环境和网络环境的能力，同时还有用户个性化的信息，并通过与网络环境以及终端环境的协同与适配最终为用户提供ABE的体验模式。而MUSE的开放性为业务提供引入了更大的自由度，高质量的业务将通过MUSE的开放业务环境进行高效快速地部署与应用。

      MUSE愿景的实现，意味着一个以用户为中心的智能通信系统的成功构建。

      泛在的周边设备与协同网络的充分融合将为MUSE世界的人们呈现新颖多样的个性化业务，意味着跨域多重系统的有效组织以及资源的有效利用，人们将从现在阻碍通信的地理、时间和物理限制中解放出来，这必将给人们带来非凡的业务享受，从而改善人们的生活方式。

(待续)

收稿日期：2006-11-20

[摘要] 以向个人提供始终最佳业务体验(ABE)为动力的移动通信与泛在网络的协同与融合，构成移动泛在业务环境(MUSE)，代表了下一代移动无线互联网络的重要发展方向。MUSE的研究涉及计算模式体系、业务平台体系、运营体系和终端构成体系的融合，这些都将涉及对新型网络架构、控制方式、管理方式以及度量方法的探索与革新。网络资源的变迁，促使网络计算模式发生变化。为了使读者对移动泛在网络环境有所了解，本讲座将分3期对MUSE模型进行介绍：第1期介绍MUSE的产生背景，以及未来MUSE发展的愿景模型；第2期介绍MUSE模型中业务实现的关键技术及设计原则；第3期介绍MUSE模型中的网络构架网络的关键技术及设计原则。