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 ........................................................................................................................................ 34 附录A（参考文献） ............................................................................................................................ 35 附录B（XXX附录） ............................................................................................................................. 35
I
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。
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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 AAA ABC ABE 英文全称 authentication, authorization and accounting Always Best connected Always Best Experience 中文含义 认证、授权及帐务 始终最佳连接 始终最佳业务体验 1
M2M NGN/NGI Machine to Machine Next generation network/Next generation Internet Quality of Service Radio Frequency Identification Devices Received Signal Strength Serving GPRS SUPPORT NODE Service Level Agreement Simple Object Access Protocol Universal Plug and Play 机器与机器 控制器局域网 QoS RFID RSS SGSE SLA SOAP UPnP 服务质量 无线射频识别 接收信号强度 GPRS服务支持节点 服务等级协议 简单对象访问协议 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。
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用户A
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（WiFi Ad hoc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
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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。
用户A
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 4
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。
用户A用户B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
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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
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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
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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/IEC JTC1 WG7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，3GPP CT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，3GPP SA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。3GPP MTC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，3GPP SA1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，3GPP SA1工作组冻结了SIMTC R11需求，开始着手R12需求的立项工作；3GPP SA2工作组在2011年2月开始针对SIMTC R11制定解决方案，并将于2012年3月冻结R11课题启动SIMTC R12的TR研究；3GPP CT1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SIMTC R11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。
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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/IEC JTC1 2007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。IEEE 1451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M2M TC（在3GPP中，M2M被称为MTC，即Machine-Type Communications），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M2M overall high level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，ETSI M2M TC已经完成了WI#1(Service Requirements)、WI#3(Smart Metering Use Cases)制定工作，当前的讨论热点集中在WI#2(Functional Architecture)和WI#10(Interfaces)方面。
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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，IETF CoRE(APP)已经提出了CoAP protocol、security bootstrapping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，3GPP SA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Working Item阶段，而无线接入网的增强仍处于研究（Study Item）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。
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业务提供平台IP可达终端接入网关延伸网网关IP终端IP终端IP终端泛在延伸环境资源向上汇聚延伸网网关泛在延伸环境资源向上汇聚轻量IP终端轻量IP终端轻量IP终端扩展同一接口直接通信非IP终端非IP可达终端非IP终端非IP终端 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。
应用发现寻址描述需求处理控制上下文事件聚合鉴权重构TCPIP/轻量级IPUDP非IP
图7 泛在终端中间件架构
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（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（Internet Protocol Version 4，简称为IPv4）和/或网络协议第六版本（Internet Protocol Version 6，简称为IPv6）。目前的互联网工程任务组（Internet Engineering Task Force，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。
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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IPv6协议与终端协议之间的协议转换，例如图1中的Plc网关和Zigbee网关。 5.1.4. 终端能力抽象与描述
互操作的对象为泛在终端的能力，该能力是指终端由其硬件、软件特性所决定的，完成一项任务的本领。能力的发现是终端协同过程中首先需要解决的问题，即协同控制的主设备需要发起能力请求，并接收响应信息以得到所需的待协同终端的能力信息。
现有的关于终端能力方面的研究，其局限性在于：（1）终端只限于手机类的移动终端，通信系统也只考虑了蜂窝网络类的移动通信网络；（2）基于上述原因，终端的能力信息大多仅限于通信能力、处理能力、展现能力和业务能力等，却未涉及感知、上下文获取等能力，不适用于泛在网络环境；（3）终端的能力信息存储在网络侧的服务器中，适用于网络侧向终端提供业务时的适配，不适合小范围或小网内的终端能力互发现。因此，需要针对泛在网环境下的终端能力管理进行研究。
现有的终端能力获取机制，如UAProf机制、Devinf机制等，虽然只是面向移动终端，却可以为本研究提供一些研究思路和设计思想，例如：
（1）可以采用XML的语法表示终端的能力信息；
（2）终端出厂时需要构建完整的基于标准格式的能力信息；
（3）终端能力信息的采集可以采用终端主动上报和服务器采集等方式； （4）终端能力发生变化时，能力信息管理系统内需要对其进行更新与同步； （5）能力信息的维护位置不仅需要考虑到在服务器侧，还应兼顾在终端环境中。 基于上述原因，本课题组对终端能力信息管理系统进行了一定的研究，主要研究了终端侧的能力信息处理装置和网络侧的能力信息处理装置，以支持来自终端侧或网络侧能力信息请求。
5.2. 终端环境上下文管理
与用户行为或终端相关的上下文感知，是泛在网上下文感知的重要组成部分。泛在终端是用户行为的直接感知者，且随着终端设备技术的飞速发展，尤其是智能终端的发展，终端
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能够更好地了解用户行为和习惯，例如地理位置、物理环境、通信习惯、信息偏好、消费倾向等。这些与用户息息相关的信息统称为用户上下文。除了用户上下文，终端本身还具有通信、计算、业务呈现等方面的上下文，也会影响业务的提供，这些上下文成为终端上下文。从某种程度上讲，终端上下文可以是终端的能力信息。用户上下文和终端上下文统称为终端环境上下文。
终端环境上下文的获取及管理通过终端上下文感知中间件来完成，具体包括上下文信息获取模块、上下文信息处理模块、上下文信息管理模块、查询接口等。该中间件架构不仅支持上下文感知应用，使上下文感知应用的开发独立于上下文信息的获取和表示，而且支持上下文信息的查询、存储、融合及推理。
（1）上下文信息获取模块。负责上下文信息的采集，具体的信息包括传感信息、终端能力信息、用户记录等。
（2）上下文信息处理模块。对上下文信息使用解析和融合等技术进行处理，将粗糙的数据转化成上下文管理模块要求的抽象层次。利用已有的历史信息及信息库信息进行交互性推理，并可以利用内建推理规则和自定义推理规则进行推理，前者用于解决上下文信息的不一致性和隐含的上下文信息，后者根据多个上下文信息，推导或演绎更加抽象、高层的上下文信息，以便提供对上下文应用更加有用的上下文信息。
（3）上下文信息管理模块。负责管理上下文信息，实现信息的共享，同时对信息进行存储、查询、更新、添加、删除等操作。
（4）查询接口。主要处理上下文应用对上下文信息的查询请求，包括编程工具/开发环境及应用支撑模块的查询。
6. 网络控制关键技术
6.1. 联合无线资源管理
协同后的终端向网络侧呈现出丰富的无线资源，网络侧需要联合这些无线资源进行业务传输。联合无线资源管理主要负责对无线网络有限的接口资源的分配和管理，并在网络负载分布不均且无线信道状态波动的状况下，灵活分配和及时调整可用资源，其目的就是合理、高效利用无线资源，在保证网络服务质量（Quality of Service，QoS）的前提下，提高资源利用率。
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泛在网条件下，由于各个网络系统之间的异构性，不同网络技术在链路层和物理层显示出鲜明的异构性和不兼容的特点，技术的发展也导致了原有协议的修改需求和新协议的出现，进一步加剧了网络通信协议的异构性，因此，泛在网条件下，就需要设计新的无线资源管理算法和机制对复杂的无线信道、网络资源进行动态配置，合理优化分配以保障业务的服务质量，泛在网条件下的无线资源管理不仅应当包含同构网络无线资源管理的全部体系，还需要新增面向集成和融合不同接入技术的综合无线接入网络的联合资源管理，如网络间的负载均衡分配、网间垂直切换和无缝漫游、服务质量保障等特有的功能。 6.1.1. 无线资源的抽象及描述
相比于传统单一的以频谱资源为主的无线资源，泛在无线网络环境下的联合无线资源在资源构成、资源耦合关系等方面进行了扩展或延伸。首先，资源构成有所扩展，主要表现在资源的取值范围以及资源之间的耦合关系有所扩展。其次，资源的变化情况有所扩展。由于终端接入环境所呈现的异构性，一维随机变量不再能够反映异构无线资源中多种元素的共同变化。为了反映泛在网无线资源的异构性，需要两维或多维变量来表征无线资源的构成，即联合无线资源控制。联合无线资源控制实现无线资源的联合优化使用，主要完成网络间无线资源的协调管理，其目标是扩展网络容量和覆盖范围，最优化无线资源的利用率。
异构无线资源除了传统意义的时空频等资源外，还包括网络侧和终端侧的其他诸多资源，如用户接入权限、业务偏好、终端协作模式、连接网络等资源，不同资源归属类型、表现特征等各不相同；异构资源来源于不同网络或者终端，而各网络或终端具有不同的网络能力或业务能力，具有不同粒度的资源，因而，异构无线资源呈现出多域性、多维性等特征。传统的一维随机变量不再能够反应多域环境下异构无线资源间的相互变化关系，为了反映泛在无线网络无线资源的异构性，需要具有多维特征的随机变量来表征具有多域环境特征的联合无线资源。
无线资源管理的主要功能有计算功能、控制功能和资源配置功能，组成结构包括算法模块、决策模块、资源分配模块、无线资源数据库和对外接口模块，其中以算法模块为核心。算法模块一般包括功率控制、切换控制、准入控制、分组调度、负载控制、拥塞控制等。其中，功率控制使网络接口的干扰电平维持最小，保证移动用户的QoS要求；切换控制负责处理用户的移动性，保证用户越区切换或系统间切换时业务的连续性，并且使业务质量达到预定的QoS要求；准入控制是对于预期的服务质量要求，确保存在空闲的无线资源承载新增业务和切换业务；分组调度是使各分组用户合理的使用系统的可用资源，为各个用户分配数据
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速率和分组长度；负载控制的目的是在给定的限制条件范围内维持网络无线资源的使用；拥塞控制则是保证系统的负载处于稳定的门限以下，具体方法如暂时降低某些低优先级业务的QoS等。
异构网络中终端协同的业务QoS保障主要体现在网络无线资源上的保障。由于涉及到不同网络、不同层面之间的协同与协调，因而，业务的QoS保障自上而下涉及到业务、网络以及MAC不同层面的协同。业务数据包在业务层上如何编码、分流，网络层上如何分片、路由，以及MAC层上细粒度无线资源（时、码、空）的协同，其中包括资源分配、接纳控制、移动性管理、功率控制等联合无线资源管理不同方面研究内容。多终端协同下的联合无线资源管理涉及到业务、网络和MAC层三个层面的不同角度的研究内容。
其中，联合无线资源管理涉及到异构网络中无线资源，由于异构网络呈现的多维特征，异构无线资源的建模是首要的研究问题。针对联合无线资源的异构性及其耦合关系，基于Hilbert多维向量空间模型能够有效的描述及度量联合无线资源的本质特征。利用Hilbert空间类具有的特性，建立业务向量与网络向量，利用范数理论根据两向量角度和距离的关系分析用户需求与网络的相似程度，从而为用户分配最适合需求的网络。针对通信环境的复杂性以及协同终端的多样性，将联合无线资源的属性分解成合适粒度映射到不同特征平面的多维矢量，建立面向多域信息属性的资源描述模型，形成不同层次多域资源信息之间的映射关系。
频谱利用率是无线资源利用程度常用的表征方法，它的主要描述方法包括： （1）移动每信道
在移动与信道的测量中，每一个话路信道的移动单元个数是用来反映频率利用率的。 （2）用户每小区
频率利用率的测量同小区用户数量一起引入来说明无线蜂窝系统的蜂窝小区的覆盖面积以及其他特点。
（3）信道每赫兹
信道数量作为频谱利用率的测量方法。 （4）爱尔兰每兆赫兹
在这种频率利用率的测量中，爱尔兰是用来测量通信强度的。爱尔兰测量一个语言信道或者单位时间内每个信道的通信质量。一个爱尔兰的通信可以占用一个信道的所有时间，0.05E可以占用5%的时间。因此爱尔兰的数量不能够超过信道数量。 16
（5）Erlangs/MHz/km^2测量方法的实际应用
采用Erlangs/MHz/km^2的频谱利用率测量方法对于陆地蜂窝移动通信系统来讲，是充足、广泛并且恰当的。下面，这种测量方法的单元选择将被合理化并且考虑它的实际应用问题。
（6）非正式的频谱利用率测量方法
一种非正式和概念的简单的陆地蜂窝移动通信系统频谱利用率测量方法表示为： Voice Channels/MHz/km^2.这种测量方法中，蜂窝系统在单位区域可以提供的每MHz的语音信道数越多，频谱利用率就越高。“语音信道方法”是用来测量除保护带、监管信道等等之外的信道的。因此，测量需要得到蜂窝系统所采用的多径接入技术的效率。这种方法尤其适用于使用信道间隔已经知道的模拟调制技术的蜂窝系统。尽管如此，
Channels/MHz/km^2的测量方法同样适用于数字系统，如果服务的语音信道的频率带宽的信道数量已经知道的话。在传输间隔给定的情况下，每个传输的信道数量一般是额定的。
另外一个非正式的蜂窝系统频谱利用率测量方法是：Users/MHz/km^2.
它通过测量单位区域服务的每MHz带宽的用户数量来测量蜂窝系统的频谱利用率。 （7）可能的数字系统频率利用率测量方法
数字调制系统的带宽利用率可以用bps/Hz来表示。这种规范可以延伸到新的在数字蜂窝系统中的频谱利用率测量中：kbps/MHz/km^2。根据这种新的频谱利用率测量方法，一个数字系统在单元服务区域可以达到的kbps越多，它的频谱利用率就越高。 6.1.2. 网络资源调度机制
泛在网条件下，异构网络接入技术是泛在网研究的重点之一，异构系统融合多种无线接入技术给无线资源管理带来了巨大挑战。同构网络中的自治的无线资源管理方法不能解决整个异构系统的资源配置和优化，如传统的网络接入策略没有考虑到异构网中不同网络间的差异，无法适应异构融合网络中多接入技术、多业务的特点。
无线资源管理的目标是在有限带宽的条件下，为网络用户提供服务质量（QoS）保障，灵活分配和动态调整无线网络的可用资源，防止网络拥塞和降低信令负荷。网络的接入选择应当综合分析当前的网络状态和新进业务流的资源需求，判定当前网络的可用资源是否满足业务流的QoS需求，从而保证泛在网业务端到端服务质量。
在网络的接入选择策略上，需要考虑的主要指标包括用户偏好、服务类型和网络特性三个方面。用户偏好体现在用户为各种网络预先设定的优先级；服务类型指目标网络可以提供
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的服务种类。网络特性包括接收信号强度RSSI、误码率BER、时延、功耗等。网络的接入选择应当保证用户总数获得最佳连接ABC（always best connected）。ABC服务质量准则的目标是使用户不仅获得连接，并且始终获得质量最好的链接。
在泛在网条件下，用户的网络接入将有更多的选择，在处于多个网络同时可以接入的场景中，对于一个多模终端用户来说，网络信息如何测量、终端信息如何上报、何时触发切换、跨网络切换时的方法、流程及移动过程中的QoS保障等相关内容，均是当前无线资源管理的一项重要研究内容。
与传统的网络切换方法仅仅利用无线信号强度的阈值和滞后值做出切换和选择判断相比，异构网络的切换需要考虑包括信号强度、覆盖范围、网络负载、业务带宽等因素，并且由于异构网络中无线资源具有差异性，不同无线接入网络中影响资源分配的因素不易统一量化表示，难以进行比较，因此需要用到数学方法来实现异构网络的切换管理，目前主要是将切换管理划分成基于多因素的联合判决，采用模糊逻辑智能信号处理的方法来实现异构网络的切换管理。
同时，泛在网条件下的网络切换应当包括水平切换和垂直切换两个方面。如果切换前后的移动终端所在网络为同一网络，即同构网内的切换，此类切换被称为水平切换；相对应的，如果切换前后的移动终端所在网络为不同网络，即异构网络间的切换，则被称为垂直切换。 此外，终端协同模式下还面临业务流的流移动性管理：相比传统的单终端借助网络侧的
分层位置管理和切换控制技术实现单路径业务下的移动性管理，多终端协同模式下的移动性管理则变得更加复杂。终端可能具有多个网络接入能力，并且也可通过终端相对或者绝对位置等上下文信息实现更高效的自组织多终端协同的移动性管理。此外，在基于多终端协同的多流协作传输场景场景中，需要考虑终端群移动对移动性管理及资源适配的影响，优化设计相应的终端群网络选择和群内路由选择等。
6.2. 网络业务传输控制
6.2.1. 多业务流并行传输
网络应用业务的不断丰富和发展，对移动终端的网络连接带宽，尤其是下行连接带宽，提出了越来越高的要求。因此，仅仅使用一种接口将无法满足业务提供的需求。在此背景下，如何利用移动终端的多接口特性，将业务分为多个子流同时传输，是目前研究的热点。例如，目前的移动终端一般都内置了多个网络通信接口，以3G网络通信接口为主，同时搭载WIFI、蓝牙等其它网络通信接口。目前的业务获取方式是，选择链路通信质量最好的接口进行业务 18
传输，比如用户只能通过3G或WIFI中的一种接口获取业务，而在高数据率的业务场景下，使用两种或多种接口同时进行下载将会大大提升用户QoS体验。
上述为单接收终端的场景，即单个业务的数据通过多条路径到达同一个终端后，一起呈现给用户。而在类似于智能家居的场景中，用户周边存在着多种终端，当用户请求视频业务时，视频流和音频流可以分别传输到电视机和音响上，即业务传输到多个终端，由多个终端共同呈现给用户。单终端接收的场景下，业务最终发到一个终端上，呈现给用户。而多终端接收的场景下，业务最终发到多个终端上，多个终端共同呈现给用户。这是两个场景的最大的不同处。
业务分流总体流程一般分为三部分，如图8所示，分别为上下文信息获取、分流决策制定和分流执行。
图8 业务分流总体流程
上下文信息获取。分流决策的制定主要依靠终端的网络环境上下文信息，例如网络负载信息、链路质量信息，此外还包括用户偏好等。
分流决策制定。分流决策的制定者可能是接收业务的用户终端，也可能是接入网侧的无线资源管理装置，更可能是核心网侧的业务服务器或专门的分流服务器。因此，进行分流决策的功能实体可能位于不同层次，功能实体不同，其决策方法以及设计的分流系统也是不同的。因此，应针对上述三种决策场景，研究其共性及个性的解决方案。
分流执行。通过对应用场景的分析可以看出，分流的执行可能发生在核心网处，也可以发生在接入网处，甚至会有多层分流，涉及的分流设备包括核心网服务器、接入网网关等。分流设备如何实现对数据包级的分析与转发，是需要研究的问题，具体包括：分流设备的架构研究，分流决策的获取、分析与存储，分流任务的建立、执行与结束，数据包的分析、处理与分发。
同时，随着终端网络接口的多样化以及多媒体数据业务对于网络带宽的需求也越来越大，使得多业务流并行传输技术在网络资源利用效率、网络带宽聚合以及数据传输安全性等方面显示出诸多优势。为了实现多业务流并行传输，可以分别选择在应用层、网络层以及传输层实现。在应用层实现多业务流并行传输，需要对业务数据进行拆分，并通过多个平行的
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传输层连接实施数据传输，这种方法可以提高数据的吞吐量，但是增加了应用层的复杂度，需要在应用层对数据进行拆分，要求数据具备一定的有序性，同时网络层也能够为业务数据提供可靠性保证，并具备流量控制等方面的功能，与这传输层相关功能冗余。在网络层实现多业务流并行传输可以通过在一条路径上建立TCP连接，在多个路径进行数据传输的方式实现，采用隧道技术，将用于路由的源地址和目的地址对封装在用于标识TCP连接的地址对的外层，在网络层实现多业务流并行传输可以提高业务数据的吞吐量，但是由于所有路径使用同一套拥塞控制机制，会出现由于单个路径上的传输时延大(导致超时重传)或持续的分组乱序(导致快速重传)触发拥塞控制而导致所有路径上的传输性能下降。在传输层实现多业务流并行传输可以通过对每个路径分别建立连接，并将总体的流量控制与单个路径上的拥塞控制解耦，为每条网络路径单独提供拥塞控制机制，这种方式既能够提高业务数据吞吐量而且也不会因为单个路径上触发拥塞控制导致所有路径上的传输性能下降。
目前，3GPP MTC 课题组在与业务传输与处理的相关研究主要集中于拥塞与网络负荷控制技
术以及小数据量传输技术这两个方面。
其中关于拥塞与网络负荷控制技术的研究如下
大量的MTC终端接入到网络，会造成核心网络中的移动性管理节点（如SGSN/MME）过载。可导致核心网信令拥塞和过载的场景如下：MTC应用和/或MTC服务器出现拥塞，无法及时接收处理核心网转发的IP包；外部事件触发大量MTC设备同时接入到网络；固定时间间隔（例如：半小时或15分钟）同时发起应用。使用专用APN的MTC应用，由于需要通过同一个用户面网元（如GGSN/PDN GW）接入，可能会导致GGSN/PDN GW过载。无论是提供MTC服务的归属网络，还是允许MTC设备漫游的拜访网络，都会受到MTC相关的信令拥塞和过载的影响。对拥塞与网络负荷问题有如下解决方案。
通过SGSN/MME进行接入控制，该解决方案适用于基于GTP以及PMIP的EPC网络。SGSN/MME与GGSN/PGW可拒绝以某专有的APN和特定MTC组发起的连接请求；如果有MTC设备提供的接入优先级标识，SGSN/MME可以在较早的时间决定是否拒绝连接请求，基于SGSN/MME内部拥塞控制机制，SGSN/MME可对“低优先级接入”采取与其他优先级不同的接入控制处理方式；为避免MTC设备在上一次连接或附着请求被拒绝之后立即重新发起请求，SGSN/MME可在拒绝消息中携带back-off时间。如果是GGSN/PGW引发的拒绝，SGSN/MME可在GGSN/PGW拒绝消息中附加back-off时间，为避免海量MTC设备同时重新发起接入请求，back-off时间需离散化，SGSN/MME可对back-off时间离散化，并直接赋予每个单独的MTC设备，基于拒绝标识，MTC设备在back-off时间内不得再发起类似的连接请求。 20
采用低优先级接入标识。该解决方案引入了一个概念，即从特定MTC终端或应用（如time tolerant电表）发出的连接请求可被认为是低优先级请求。当出现很多接入请求导致的拥塞问题时，如果能尽早地拒绝这些接入请求（在无线接入流程中）是有很多益处的，这样做可以避免网络资源的进一步消耗。同时，该方案解决了由属于低优先级接入类别的MTC终端引发的网络高负荷问题，对不属于低优先级接入类别的MTC终端引发的网络高负荷不在考虑的范围。该方案避免了网络高负荷带来的问题，对不产生高负荷的MTC终端以及产生高负荷的MTC终端都有益处。
采用MTC分类标识。拥塞可能是某组具有相同特征的大量机器通信终端接入网络造成的，需要以组为粒度进行拥塞控制，但由于目前还不存在组接入信令，核心网只能拒绝单个终端的接入请求（如：附着请求）。虽然核心网可以拒绝机器通信终端接入,但是属于同一个组的不同通信终端持续接入仍然会增加核心网负荷，如果能在无线侧将发给核心网的NAS（非接入层信令）拦截，则可以迅速降低核心网的负荷。但是目前无线侧通常无法获得MTC组标识（可能存在于NAS信令中，需要解码），本方案提出了MTC分类标识的概念，分类标识可以对应于一个或者多个MTC组标识。
基于无线接入网的接入控制。为了避免M2M终端引起的网络拥塞，核心网节点可以发送控制消息给无线接入网节点，或者通过O+M操作，或者通过无线接入网自身的拥塞警报机制，由此来触发无线接入网广播接入控制参数来避免M2M终端进一步试图接入网络。广播的接入控制可以根据以下几种机制：对低优先级的M2M终端的接入控制，无线接入网广播“禁止低优先级M2M终端接入”的接入控制消息；对属于特定M2M组的M2M终端的接入控制，无线接入网广播“禁止特定M2M组的M2M终端接入”的接入控制消息；对特定PLMN类型的M2M终端的接入控制，无线接入网广播“禁止特定PLMN类型的M2M终端接入”的接入控制消息。
下行MTC业务控制。当核心网实体开始过载时，可以触发部分或完全控制低优先级MTC设备或MTC应用产生的信令业务。同时，其他业务仍然正常操作。当SGSN/MME开始过载时（负载超过预先定义的阈值），可以发送消息给SGW，携带控制系数和控制时长。SGW根据接收到的控制系数和控制时长开始MTC设备的下行低优先级MTC业务控制，以减少SGSN或MME的负载。
基于请求类型拒绝连接请求。通常不同的信令请求指示着不同的应用请求。在拥塞时，网络节点计算不同信令请求的数量，在接近发生拥塞的时间的O+M周期内统计的数据可以使用。网络节点拒绝一个或几个统计出来数量最大的请求类型，一直到拥塞消除。或者，运营商或者M2M用户提供不同信令请求的优先级。在拥塞发生时，网络节点拒绝优先级最低的类型的信令请求，一直到拥塞消除。
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其中关于小数据量传输技术的研究如下：
对于M2M业务，很大一部分应用场景是MTC终端发送小数据包给MTC服务器，如远程抄表业务、楼宇监控业务、智能电表业务、POS机等等应用。另外也有部分场景是MTC服务器发送小数据包给MTC终端，大部分以Push业务为主，如气象信息，路况信息，业务控制信息等。终端在收发small data之前，可以处于在线状态，也可以处于离线状态。对于small data的收发，可以对网络进行优化，避免建立专用用户面链路来进行传递，采用更优化的路径进行小数据包发送，以达到节省网络资源，优化网络传递路径的目的。目前认为，数据量小于1K (1024)字节的数据传输为小数据量传输。对小数据量传输问题有如下解决方案。
采用MM NAS信令从MTC终端传递到MME/SGSN。当MTC终端有小数据包需要发送时，可将小数据包封装在MM NAS信令中发给MME/SGSN，由MME/SGSN进一步发给MTC Server。MM NAS信令不限于Attach/TAU/RAU等信令，小数据包可以在PCO中携带，也可以作为MM NAS信令的其他消息参数。
采用SM NAS信令从MTC终端传递MME/SGSN。对于已处于idle或connected模式下的MTC终端，可采用SM NAS信令中携带small data小数据包，如Service Request信令、PDN承载建立/修改信令等NAS信令中携带给MME/SGSN。终端还可将small data携带在PCO中发送给MME/SGSN，MME/SGSN再将该PCO发送给GGSN/PDN GW，由GGSN/PDN GW通过Gi/SGi口发送给MTC Server。
采用GTP承载控制信令传递。当MME/SGSN收到Small data后，如MTC终端通过NAS PDU、NAS信令携带给MME/SGSN，MME/SGSN采用GTP-C承载控制信令携带small data，并将小数据包发送给GGSN/PDN GW，由GGSN/PDN GW通过Gi/SGi口发送给MTC Server。
MTC DeviceGERANNAS signal MessageMME/SGSNGTP-CServing GWGTP-CPDN GWSGi UTRANEUTRANGTP-CGiGGSN图9 采用GTP-C传输
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采用SMS消息传递。MTC终端在SMS短消息中发送小数据包给MTC Server，MME/SGSN通过SGSN/MSC或SMS over SGs将小数据量数据传输给MTC Server，MTC Server需有短消息发送/接收能力并接收SMS消息。
利用默认承载传递。在EPS网络中，所有的MTC终端接入到网络中都会建立EPS默认承载，EPS默认承载通常承载业务或会话的相关信令消息。在small data的传递中，也可以利用默认承载传递，将MTC终端的小数据包承载在默认承载上发给GGSN/PDN GW。在GPRS网络，这需要为每个MTC终端建立一条PDP上下文。
利用直连信令通道传递。MTC终端将小数据包封装在NAS PDU中发给MME/SGSN，MME/SGSN通过T5直连接口，将小数据包通过MTC IWF发送给MTC Server。
UESGSN/MMEMTC IWF/ MTC Server1. Uplink NAS PDU(MTC data)2. MTC data3. MTC response4. Downlink NAS PDU(MTC response) 图10 采用T5接口传递
从3GPP 对MTC 两个方面的研究（拥塞与网络负荷控制技术、小数据量传输技术）可知，MTC 侧重于网络的拥塞和负荷的处理以及针对MTC的特点，侧重研究小数据量传输处理，而本课题所涉及的业务方面的研究侧重于多业务流的并行传输处理，特别是业务分流决策机制、分流的执行。
6.2.2. 终端的多流业务传输控制
协作终端之间通过内部网络互联，互联的形态可有：体域网（BAN）、个域网（PAN）；家域网（HAN）、局域网（LAN）；无线传感网（WSN）、移动Ah-hoc网(MANET)等。协作终端组成的虚拟终端系统内，可与外部通信的物理终端的相应物理端口构成虚拟端口。虚拟终端多流并发传输控制，将基于终端聚合技术的研究成果，研究虚拟终端内的成员间的路由控制与QoS管理，实现多流并发传输。
虚拟终端中，存在一个物理终端，对端到端的通信状态进行控制，起主控作用。主控终端负责与对端建立和维护SCTP耦联，并负责控制和维护本地终端之间的通信。图11给出了虚拟终端SCTP偶联关系示意。虚拟终端与核心网之间的通道即为SCTP偶联，通道两端即为
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SCTP端点。端点是数据报的逻辑发送者和接收者，是一个典型的逻辑实体。一个传送地址（IP地址＋SCTP端口号）唯一标识一个端点。一个端点可以由多个传送地址进行定义，但对于同一个目的端点而言，这些传送地址中的IP地址可以配置成多个，但必须使用相同的SCTP端口。如图11，虚拟终端侧的MN、SN1等物理终端各自具有一个不同的IP地址，而从从SCTP偶联的角度看，这些物理终端具有相同的外部逻辑，即相同的SCTP端口号。
SN与CN之间的流量控制，在MN的协调下分布执行，SN可通过内部互联网络将信息数据传输到目标终端（比如终端MN）实现。
现在的物理终端往往都是多模终端，这就意味着一个物理终端，往往拥有多条流与核心网交互，图11中的IF1、IF2表示各个物理终端的不同端口。因此对于一项业务，物理终端也可采取并行传输的方式进行下载。虚拟终端中各端口的信息也应当在MN中进行注册，便于MN的管理。
业务服务器业务服务器MN虚拟终端SNSN11IF2IF1IF1SNnSCTP端口SCTP偶联核心网虚拟终端内部控制链路信息流核心网总线IF1
图11 虚拟终端内部结构及其与SCTP偶联关系
在多流业务传输过程中，终端侧需要处理异步水平切换、同步水平切换和垂直切换三种特殊场景。异步水平切换，是指物理终端各自在不同时间发生同构外部网络内的越区切换。同步水平切换，是指所有物理终端同时发生越区切换。而垂直切换，是指一个或多个物理终端在异构网之间的切换。
异步水平切换时，特定物理终端可能发生通信中断，也可能发生宿主地址改变。对于前者，主终端只需启动流清除控制，删除无效多宿主流；对后者，主终端还要将新流加入到SCTP偶联。
同步水平切换时，最坏情况下，所有物理终端都发生通信中断，此时，主控终端在通信恢复后，重建与对端的SCTP连接，并根据各物理终端的通信状态，逐步启用多流并发控制。而对于部分物理终端的通信中断，以及网络地址的变更，仍可延用单终端的流控方法，管理和维护SCTP偶联。
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垂直切换时，特定物理终端的宿主地址必定会发生改变，主控制终端可在清除原有多宿主流的同时，立即启动新流加入程序，实现快速切换控制。 6.2.3. 协同终端内的中继传输控制
由多终端构成的虚拟终端，其协作中继存在以下2种不同场景：（i）单跳网络：通信终端直接将来自对端的信息传送到目标终端（ii）多跳网络：经多个终端将信息路由到目标终端。其中，单跳网络适用于以人为中心的泛在协同应用，多跳网络适用于应急指挥现场等应用。协作中继传输控制，延用成熟的协作中继路由技术，依据虚拟终端的预配置和环境感知能力，由主终端选取中继节点，控制路由选择，简化控制流程，完成以下功能：避免或减少通信资源的争用；避免或减少计算资源的争用；平衡传输宽带与耗能之间的矛盾；支持中继节点的动态迁移，提高可靠性。
6.3. 网络环境上下文管理
网络环境上下文信息为自适应的业务提供进行支撑，业务的服务质量除了业务逻辑本身以外，在很大程度上取决于网络环境。在业务传输过程中，如果网络环境发生变化，网络层应该有能力感知到这种变化进而通过相应的调节机制保证业务的连续性，需要在现网的基础上增加反馈控制机制及相应的上下文信息管理机制。
网络环境上下文管理，从本质上讲就是上下文感知，它是位于上下文信息源与目的之间的中间功能实体，其功能包括简单的上下文信息查询、静态的上下文信息关联、动态的上下文信息分发策略以及上下文信息的聚合。 6.3.1. 网络环境上下文管理的架构
网络环境上下文管理架构的设计目标是为系统中各种功能的上下文感知提供通用的协同管理。图10所示为网络环境上下文管理的架构，包含两大构件：其一为上下文协调功能实体，它负责上下文信息的索引、注册及授权以及上下文名称与位置地址之间的转换；其二是上下文管理功能实体，它以分布式的方式在上下文信息源和客户端之间建立适当的上下文关联，对上下文信息的内容进行管理以及提供对于接入控制的支持。另外上下文信息库提供了灵活的上下文存储功能，支持上述两大功能实体的运行。
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上下文信息库 上下文协调功能实体 上下文管理功能实体 上下文 上下文 上下文 系统中支持 系统的传输层 上下文感知的客户端 图12 网络环境上下文管理的架构
从概念上讲，上下文协调功能实体是一个集中式的实体，所有的上下文信息源都需要在它这里注册，它是任何上下文客户端的第一个触点：客户端向该功能实体查询上下文对象的位置，而它将返回维护该对象的信息源的地址。换句话说，上下文协调功能实体并不存储上下文信息而只是指向它们。这种机制与动态DNS非常类似。
上下文管理功能实体将根据上下文客户端的需求动态建立服务；提供上下文信息的整合、转换及推断功能；代表上下文信息源对上下文信息进行缓存，并将信息缓存在不同的网络位置，从而对性能进行优化并缩短客户端获得上下文信息所需的时间。
在上述架构中，还需要关注上下文信息的私密性，因此应有相应的机制来限制上下文信息的分发，并且，在网络中不同节点传递上下文信息时，需要在多个节点处运行授权功能并且授权策略是分布式的。
6.3.2. 基于上下文的业务组合与适配
由于未来的终端环境将是由大量异构终端设备组成的无处不在的、基于感知的虚拟终端网络，未来的业务需要屏蔽终端环境的差异性并且为用户提供智能化的接入，因此，与上下文相关的特色要求主要体现在以下四个方面：
（1）业务的个性化呈现
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为了实现业务的个性化呈现，网络需要记录用户对终端的喜好信息，如终端类型、展示方式等，并且可以随着用户所在环境选择终端或调整展示方式。因此，业务个性化呈现的信息需求包括用户在各种环境下的终端喜好以及呈现方式喜好。
（2）业务的自动适配
网络能够根据用户所在的环境，包括接入网络特点、终端能力等，不需要用户干预，自动选择最有效的终端聚合与重构方式，并且透明地对业务内容进行适配。因此，业务自动适配需要掌握终端设备能力和终端接入网络的方式等信息。
（3）业务的无缝接续
在用户跨越网络边界时，网络不中断业务，并且根据用户的业务和终端环境喜好，调整终端聚合与重构方式，保证业务的持续性。这需要用户不同环境下的终端喜好、用户当前位置以及其终端网络信息的支持。
（4）用户体验一致性的保障
用户体验的一致性指当用户漫游到非归属网络时，仍然能够按照预先设定的质量要求和用户业务喜好使用该业务。这就要求用户终端喜好信息在不同的网络中共享，并且支持变化后的同步更新。
得到业务场景所需的终端业务环境信息后，结合与网络以及用户位置的相关性，可以将上述信息进行归类。根据与网络环境相关还是与用户相关，环境上下文可分为终端环境上下文、终端设备能力上下文和用户终端喜好上下文；根据与用户当前位置的相关性，用户终端喜好上下文进一步分为通用业务喜好和环境相关的业务喜好。
基于上下文得业务组合与适配实例图如图14所示，上下文收集和提取部分负责对当前网络的QoS状态进行扫描并提取有用信息存储至网络上下文信息数据库（隶属于上下文引擎）；通过网络中的QoS传感器采集得到网络运行的实际参数，SLA（Service Level Agreement）生成器对这些参数进行分析，判断网络环境是否发生变化，自动生成当前网络环境的SLA，并提交给上下文信息数据库；业务重配置组件在业务开始传输阶段可以根据当前网络状态自适应的调整业务（业务推迟启动或降低业务质量），在业务交互过程中根据网络状态的实时变化通过控制网络重配置动态调整业务流传输路径保证业务的连续性。
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业务重配置SLA协商网络重配置上下文信息数据库网络上下文信息收集 图14 基于上下文的业务组合与适配实例图
6.4. 移动性管理
6.4.1. 移动性类别
移动性管理需要对多终端协同中涉及到的用户、终端及业务提供移动性支持，包括面向单个终端网络切换的终端移动性管理，为多终端协同传输中的业务子流提供流移动性支持，为协同终端群提供群移动性支持等。面向多终端协同的网络架构中，为网络移动性管理带来的新的特征，尤其是流移动性和群移动性。
（1）流移动性：在基于多终端协同的多流业务传输过程中，参与协作终端的加入、退出及移动会带来承载业务流网络资源的变化，需要及时对业务流匹配不同的网络连接进行传输。在流移动性管理中需要与接纳控制、资源调度等关键技术结合，在业务连续性与用户最佳业务体验的基础上实现合理的业务流迁移。另外，需要与业务适配技术相结合，完成基于流的业务适配功能。
（2）群移动性：进行协作的多个终端组成终端群，群内终端组织结构可能动态变换（终端的加入、退出），终端群负责与外部网络进行互联的节点可能发生变化（如车域网、个域网的移动过程），在切换网络的过程中需要改变它在IP骨干网上的附着点。群移动性的管理需要研究群体切换机制及群内优化选择方法。
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6.4.2. 移动性管理的功能实体
图15给出了多终端协同环境下支持移动性管理所需的各种功能，其中包括三个功能实体，它们分别是：触发实体、切换及位置管理实体和群移动性管理实体。
切切切切切切切切切切切切切
图15 移动性功能实体
触发功能实体主要功能是采集并区分来自移与动性相关的各个事件源的事件，它们将触发切换判决、群组形成等操作；对移动性触发事件进行过滤和分类；对触发事件进行临时存储并附以其他信息（如时间戳、优先等级等）。
切换及位置管理实体提供在同一无线网络的不同接入点之间的切换、不同接入技术之间的切换、不同IP地址空间以及不同业务提供商之间的切换，以及不同终端之间的应用层切换等。
群移动性管理引入了群组的概念，用来描述同时移动的大量节点。群移动性管理实体提供对群组的形成、维护以及管理等功能，并通过选择合适的网关来提供群组与外部网络之间的连接。群组的特征在于通过它能够对处于移动之中的整个网络的移动性进行有效的管理及优化，而不是单独对其中的每个节点进行管理。
7. 网络控制平台
多终端协同的实现需要涉及网络各个层面，网络控制平台主要侧重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配，从而打破单终端的能力差异与限制，充分利用各类终端不同的特征优势，并结合衍生出更丰富的终端协同应用体验。
网络控制平台面向用户提供功能支持和业务部署，包括为用户提供丰富的业务资源；管理延伸环境，为用户提供最佳的业务体验；实现网络控制，优化网络的服务质量。网络控制平台主要实现了网络互连、移动性管理（流移动、群移动）、接入网选择与管理、异构网路跨域管理等功能。
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7.1. 网络控制平台架构
泛在物联应用通信办公医疗教育泛在协同应用物流„„业务管理及适配上下文引擎终端管理AAA„„连接管理网络侧管理无线资源管理移动性管理上下文管理QoS控制策略管理„„终端侧管理功能业务需求处理上下文管理分布式感知计算协同管理互通协议网络连接管理能力抽象及管理互发现控制 图16 多终端协同下网络控制平台框架
面向多终端协同的网络控制平台需要包括一下能力的支撑：
网络连接控制：合理调配网络资源与终端能力、实现资源的有效管理与协作、终端的移动性管理、业务连续性。
泛在业务支撑：将异构网络及各类终端与应用抽象为具体能力，根据业务需求、用户属性与偏好、网络特征等上下文感知信息，实现抽象资源与能力的组合与重构、动态业务发现、业务选择、业务聚合和业务适配，以支持多终端协同的个性化泛在融合服务。
因此网络控制平台至少应包含以下两部分：
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（1）网络业务控制平台：泛在协同环境下的业务聚合与适配；泛在协同环境下的终端管理；泛在协同环境下的组件关键技术。
（2）网络连接控制平台：面向多流多宿主的流移动性管理；泛在网络中的群移动性管理；面向泛在协同终端环境的接入控制；多网协同模式下的资源调度；面向多流多宿主的协同业务传输。 7.2.
网络控制平台与终端的关系
网络控制平台向下需要支持各种异构终端设备的接入及管理，具体包括：
面向泛在协同终端环境的接入控制：泛在网络条件下，面对M2M、H2H及人与物通信等多种通信场景，多终端协同通信模式呈现出新的类型特征，需要对现有接入网络的接纳控制协议和机制进行扩展与补充，网络控制平台能够对多终端协同模式执行自适应随机策略，增强网络的鲁棒性，降低因多终端同时发起接入连接请求而产生的接入碰撞。
多网协同模式下的资源调度：针对泛在无线网络环境下的多终端的协同模式，结合末梢感知环境提供的上下文信息，考虑业务QoS特征，网络负载状况及用户公平性，需要具有面向多终端协同的网络资源调度机制，以达到传输策略和资源分配的适配，为用户提供有效的QoS保障。
提供对泛在延伸网络层移动性的支持，包括流移动性管理和群移动性管理，能够通过网络接入控制和灵活的切换机制实现无缝切换及业务连续性。 7.3.
网络控制平台与业务层的关系
网络控制平台为业务的传输服务，因此网络控制平台要满足业务层的需求，为其提供相应接口和功能。需要支持以下功能的实现：
多用户多终端协同业务聚合模型下的业务发现、选择机制以及动态业务聚合机制。在多用户多终端协同业务聚合模型下，网络控制平台应具有有效的多用户多终端协同业务发现和业务选择机制，为多用户多终端协同条件下业务的初始构建提供基础，满足用户对自动化生成业务的需求；描述用户生成业务数量的增减，聚合与去聚合特性，结合已经建立的指标体系，以高效有序和自适应性为优化目标，设计动态的自适应的业务聚合重构机制。
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应用层的适配。泛在网络环境中，业务应用需要跨越异构网络和终端为用户提供业务，因此，网络控制平台对业务的适配除了要考虑网络和终端的适配机制之外，对业务内容本身也要做相应的适配处理。
8. 总结
8.1.
标准化潜力
面向多终端协同的网络控制技术能够有效的克服单终端在功能、性能、处理速度上的限制瓶颈，提高网络控制效率和用户的最佳业务体验，因此关于面向多终端协同的网络控制技术的标准化工作已经迫在眉睫，但当前各个标准化组织面向多终端协同的网络控制技术的标准化工作还未系统展开，仅有3GPP在M2M领域的研究较为深入。
3GPP MTC课题的主要进展包括以下方面：
3GPP SA1：SA1 SIMTC工作的主要方向是Extended Access Barring、寻址、标识、在线触发、Small Data Transmission等功能需求的确定，目前已确定的需求包括：Extended Access Barring、寻址、标识、在线触发、Small Data Transmission、PS Only；SA1 MTCe工作的主要方向包括：研究如下场景Communication via MTC Gateway Device、MTC Device-to-Device Communication、Co-Located MTC Devices、Location Tracking MTC Feature、Core Network Node Selection、Reusing 3GPP of the IP Multimedia Subsystem Communication capabilities、MTC Device-to-Server Communication的use case和requirement，该方向的讨论时间及关注点都不高，因此目前还停留在use case阶段，并没有确定的需求；SA1 AMTC工作的主要方向为：研究大量MTC应用的引入造成E.164 MSISDN码号资源的短缺问题，分析应用场景及目前码号资源的使用情况，并给出可能的解决建议，目前已经给出了5个跟码号资源有关的use case，并分析了可以替代E.164 MSISDN的其他码号对网络的影响及可行性，并提供短期、中期和长期可能的解决建议。
3GPP SA2：SA2的主要工作包括Identifier、Addessing、Online Trigger、PS Only等方面。目前对Identifier已经有明确结论，主要考虑在MTC-IWF上完成外部ID到IMSI的映射。对Addressing，结论是采用APN Tunnel、Online Trigger的方案来避免Addressing的问题。对于Online Trigger，目前，究竟采用T4流程还是采用T5流程还在争论中。对
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于PS Only，目前在争论的焦点是网络和UE，已经确认的需求是，对于网络而言，需要不依赖于CS实体来提供SMS业务。
3GPP CT1：CT1 NIMTC工作的主要方向包括M2M相关标识，拥塞控制（key issue），寻址/网络选择，安全等，该课题的主要目标是优化现有网络，减少MTC运营开支，降低大量MTC设备工作时对网络的冲击，减少设备的耗电量，以及加快投入新的MTC应用等。
为了实现泛在协同网络环境下可控、可管、可信的多终端协同，需要网络侧进行相应的接入控制、资源管理、业务传输及业务控制。通过上一节的分析可以看出目前标准化组织还未对面向多终端协同的网络控制技术进行系统的研究工作，已有的网络控制技术未能很好的契合该领域的发展。以下几个方面存在标准化的潜力：
（1）联合无线资源的管理机制，负责对无线网络有限的接口资源的分配和管理，并在网络负载分布不均且无线信道状态波动的状况下，灵活分配和及时调整可用资源，使协同终端能够合理、高效的利用无线资源，在保证网络服务质量（Quality of Service，QoS）的前提下，提高资源利用率。
（2）终端能力描述方法与机制，负责对协同终端的能力进行抽象和描述，将终端的各项性能指标抽象为网络可以识别的标准化能力信息，保证了网络在协同多终端向用户提供业务服务过程中终端侧信息的可获得、可理解，是合理、高效配置无线资源，提供最佳业务体验的重要依据。
（3）业传输控制机制，如多业务流并行传输机制等，网络通过业务传输控制机制根据终端能力信息，选择与多终端协同相匹配的数据分发方案，向多终端发送业务数据，能够有效提高网络资源利用效率、网络带宽聚合以及数据传输安全性。 8.2.
多终端协同其他方面影响
在终端协同模式下，除了网络控制层需要执行一系列的联合无线资源调度机制，同时终端侧也面临辅助网络侧进行一定的决策，这也是未来终端的日趋智能化给无线资源管理带来的新特征。其中，终端侧面临自适应的终端协同聚合需求：终端协同系统需要网络业务环境提供的能力支持和辅助协调，以帮助终端侧针对终端能力、用户业务、网络环境的变化进行灵活地自适应调整，以满足用户业务需求。在网络环境和终端能力动态变化的过程中，需要研究相应的终端协商适配机制和终端聚合重构机制来保证业务的连续性，为用户提供始终最佳的业务体检。
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多终端协同模式下的业务流协作传输及资源适配机制及多终端协同对系统性能的影响评估也都是对未来联合无线资源管理的实际考量，其中,
业务流协作传输及资源适配：需要针对特定的业务构建相应自适应控制体系，根据业务流不同的优先级，用户的偏好与需求，以及不同网络承载能力的差异，为业务提供实时动态的业务分流传输和资源调度策路，以保证系统利用率最优化，保证用户服务质量。然而，目前不同无线网络业务流承载模式互异，资源调度策略不同，网络协同下的业务分流缺乏必要的协调机制来保障业务分流以及资源调度井然有序的进行。
多终端协同对系统性能的影响评估：目前的终端协同大多数仅实现了局部性能的最优化，缺乏全面、系统的分析终端协同对整个系统性能的影响。因此需要从终端能力、网络覆盖、网络承载、业务支撑等多角度综合评价终端协同对系统性能的影响，从而对网络控制优化、网络成本控制、用户业务体验等方面提供非常有益的参考依据。 8.3.
遗留问题
在多终端关联的异构网络进行业务的多流并发，将需要考虑延时问题，包括不同异构接入网的延时，以及从终端向主终端转发的延时问题，跟信道、组网、负载有关，延时会影响网络并发多流的控制策略的实施等。针对延时问题的具体解决方案和深入研究，在本课题中将先作为遗留问题在后续的研究中进行深入。
9. 编制历史
版本号 1.0.0 1.1.0 2.0.0 更新时间 2011-08-31 2012-03-01 20XX-XX-XX 主要内容或重大修改 草稿 草案稿修订 34
附录A（参考文献）
序号 1 泛在网多终端协同的网络虚拟化控制平台架构 文档编号 文档名称 发布单位 泛在网技术与发展论坛(2011年第2期) 2 3GPP TR 23.888 V1.5.0（2011-10） 3rdGeneration Partnership 3GPP Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; System Improvements for Machine-Type Communications; (Release 11)
附录B（XXX附录）
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