基于多终端协同的业务流控制
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中图分类号：TN915 文献标志码：A 文章编号：1009-6868 (2012) 03-0016-004
摘要：文章基于IP多媒体子系统(IMS)分层网络架构模型，设计了一种基于多终端的业务流控制系统构架。根据该系统架构和多终端协同的特征，文章提炼出基于多终端协同的业务流控制所面临的关键技术需求。满足这些需求可充分发挥网络与终端融合协同所带来的个人化、智能化业务能力，改善信息传输服务质量，为用户提供智能化业务体验。文章通过阐述两种典型的多终端协同应用场景——多网协作传输和移动性管理，说明了基于多终端协同的业务流控制所具有的重要意义。
关键词：移动泛在业务环境；多终端协同；业务流控制
Abstract:In this paper, we propose an architecture for a multiterminal service-flow control system. This architecture is based on IMS layered-network architecture. We outline the technology requirements for this system. When these requirements are met, networks and terminals can cooperate, and personalized and intelligent services can be created. The architecture improves transmission and provides intelligent user experience. We describe two typical cooperative multiterminal applications: multinetwork cooperative transmission, and mobility management. From these, we can determine the effectiveness of a multiterminal-based service-flow control system.
Key words: mobile ubiquitous service environment; multi-terminal cooperation; service-flow control
随着微电子、芯片及信息通信技术的飞速发展，人类将逐步进入泛在网络时代，网络边缘发生较大的变化，越来越多的智能终端出现在网络边缘或用户周边，并能够通过多种有线或无线的方式实现互联[1]。世界无线研究论坛(WWRF)预测，“到2017年，全球将出现7万亿无线终端服务于70亿人口”[2]。这些终端不仅仅包括传统的PC机、手机，还包括具有丰富感知能力和一定计算能力、通信能力的传感器、带有射频识别技术(RFID)芯片的数据终端以及具备一定决策能力的网络控制设备等。此外，终端也具有越来越多的智能控制，成为集承载话音、数据、视频等媒体业务及连接互联网等功能为一体的智能化信息终端，尤其是多种无线网络的重叠覆盖也使多模终端发展迅速。
终端技术的发展呈现出明显的多样化、智能化、多模化趋势。因此，终端技术的发展也为实现移动泛在网络愿景——移动泛在业务环境(MUSE)[3]提供重要的前提和可能。随着信息服务高带宽化、内容形式多元化、业务提供智能化的发展，对各种网络的终端以及其网络控制提出更高的要求。
可以预见，在不久的将来移动泛在业务环境下将出现由多终端协同为用户提供信息服务的场景。未来的网络将会是一个融合协同的网络，终端可能跨异构的通信业务网络为用户提供高质量的服务，包括蜂窝网、Internet网、家庭网、车载网、固定电话网、广播电视网，甚至物联网。因此，在现网下研究如何支持多终端协同应用及其相关技术具有重要意义，不仅给业务提供方式带来新的选择，也为未来的移动泛在业务环境下的协同应用奠定基础。
1 终端协同系统的特征
本文的多终端协同是指用户终端侧的多个终端之间产生协同关系，基于灵活的互联协同技术突破单一终端能力受限，自组织地实现终端协同聚合形成支持丰富业务内容的终端协同系统，动态地自适应用户业务需求及网络环境的变化，实现不同无线接入网间的网络资源与终端能力的有效利用，并充分发挥网络与终端融合协同所带来的个人化、智能化业务能力，改善信息传输服务质量，为用户提供智能化的业务体验。
多终端协同作为解决复杂多变的移动泛在业务环境下系统适变性问题的一种科学思路，其呈现出诸多新特点，主要体现在以下几个方面：
(1)泛在性
越来越多的智能终端将出现在网络边缘和用户周围，嵌入其学习、生活、工作等空间，通过灵活的互联和协同技术实现交互，使得任何用户在任何时间任何地点都能获得具有服务质量(QoS)保证的信息服务。
(2)异构性
包括通信技术、设计模式、操作系统、智能控制、网络归属、终端能力、业务提供链的商业模式异构性。
(3)自治性
在移动泛在业务环境中，终端分布式地嵌入在用户周边，且周边环境支持用户、对象和业务的交互，不存在任何中心控制基础设施，终端协同呈现出自组织的趋势。随着网络融合规模增大，因为网络动态性和连接不稳定性，终端协同系统将不断涌现出自愈、自管理、自发现、自调整、自优化等特性。
(4)协同性
业务融合的需求必然驱动着终端协同技术向前发展。用户周边的终端内部互联以及与外部终端互联互通和协同，借助异构网络间不同层次的融合协同，比如认知无线网络、中继传输、终端覆盖方式协同等[4]，提升系统对复杂多变环境的自适应能力，以最佳用户体验为目标，为用户提供无缝的智能化业务。
(5)自适应
在移动泛在网络中，用户业务、周围环境、终端参数、网络性能等上下文信息都是动态变化的，终端协同需充分利用上下文信息即时适配业务的可用性及异构网络的动态性，自适应地调整优化决策，增强协同系统适变性，提高业务QoS和用户体验。
(6)移动性
在同一业务会话过程中，用户可能多次更换终端，不同的终端具有不同的能力，系统要根据终端能力为用户提供服务；同时会话可以从一个终端移动到另一个终端，从一个网络移动到另一个网络。无论被叫用户身处何地，使用何种网络和终端，其他用户都能与之一致地通信，保持用户本地个性化操作环境的一致。
(7)以用户为中心
业务提供模式从用户需求角度出发，与用户所处的业务环境、网络环境、周边环境进行沟通，或是与一些用户感兴趣的对象进行交互时，不关注对方是人或是物，身处何处以及使用何种技术，只关心问题的解决。
2 业务流控制系统架构
在移动泛在业务环境下的多终端协同中，业务环境、网络环境和终端环境之间将会相互作用。本文基于IP多媒体子系统(IMS)分层网络架构模型[5]，根据终端能力以及网络能力的抽象和控制、业务与控制分离、控制与承载分离的思想，设计支持基于多终端的业务流控制的系统架构，如图1所示。
上述系统架构主要分为业务层、控制层、承载层和终端侧4个层面，由上下文信息服务器、业务应用服务器、增强IMS功能、异构网络承载层和终端协同系统五大部分组成。其中上下文信息服务器负责跨层多域的信息感知推理，将从业务层提取的业务上下文信息，从控制层和承载层提取的策略上下文信息和网络上下文信息以及终端系统提取的用户上下文信息结合在一起，为业务流控制的准确性和可靠性提供丰富的上下文支持和保障；增强IMS功能和业务应用服务器组成了控制层和业务层；异构网络承载层是多种无线接入网融合协同组成的统一承载平面；终端系统则是基于多终端协同，通过个域网组网，构成一个具有丰富资源共享和广泛广域网接入能力的智能终端子系统。各自的具体功能总结如下：
(1)业务应用服务器
是分层网络架构中业务层各种业务应用服务器的基本功能实体。负责为用户提供各种业务的，用于搭建文件传输协议(FTP)、网络电视(IPTV)等业务的应用层服务器软件，提供FTP、VoIP和IPTV等实时或非实时业务。
(2)上下文信息服务器
作为跨层多域的信息感知推理的网络实体，负责搜集、存储和处理跨业务层、控制层、承载层和终端系统的业务上下文信息、策略上下文信息、网络上下文信息和用户上下文信息，为其他网络实体决策提供相应的上下文信息的检索和解译。
(3)增强IMS功能
是分层网络架构中控制层各功能实体的简化。作为异构网络协同机制的控制中心，它由协同流控服务器、分流控制服务器和分流处理服务器组成。
(4)协同流控服务器
负责根据用户服务质量要求和业务具体参数决策异构网络协同业务流控制方案，并将参考决策结果发送给分流控制服务器和分流处理服务器，最后针对两个服务器的反馈结果进行修订。
(5)分流控制服务器
负责访问上下文感知服务器，提取相应上下文信息，通过协同业务流控制方案计算流量控制参考结果，与分流处理服务器和相应接入网节点及其参与业务的终端系统进行交互，将反馈结果发送回协同流控服务器，最后将经过修订的协同流控决策结果发送给分流处理服务器。
(6)分流处理服务器
负责按照分流控制服务器的会话启动协议(SIP)信令要求，对数据包进行比例拆分和封装，最终实现多业务流协同传输，并根据协同流控服务器的指令实时动态调整业务流量。
(7)异构网络承载层
是分层网络架构中承载层各功能实体的简化。由各种无线接入网组成，作为网络中数据传输必不可少的环节，负责传输部分信令和全部话音和数据。为业务应用服务器和用户终端之间，建立一个具有高效性和高可靠性的传输通道。
(8)终端系统
作为业务的发起者和用户业务体验重要部分，负责终端应用的用户端程序和用户接口，提供终端客户与其他服务器的信令和数据交互接口，并负责搜集终端用户所处环境的上下文信息、用户历史记录和用户主观偏好等信息传送给上下文服务器。
3 业务流控制关键技术需求
移动泛在业务环境下的多终端协同被看作是未来移动通信技术的核心组成部分之一，也是现阶段异构网络融合的关键技术研究热点之一。但是，也需要看到基于多终端协同的业务流控制将会面临着一些关键技术需求，包括如下几个方面：
(1)自适应地终端协同聚合
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。
(2)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的自适应网络控制体系，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，目前不同无线接入网业务流承载模式互异，资源调度策略不同，网络融合协同下的业务分流传输缺乏必要的协调机制以及资源调度来保障业务分流井然有序的进行。
(3)终端协同模式下的流移动性管理
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。终端可能具有多种网络接入能力，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下的移动性管理。此外，在基于多终端协同的业务流协作传输场景中，需要考虑终端的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机制。
(4)多终端协同对系统性能的影响评估
目前的大多数多终端协同方案仅考虑局部性能最优，缺乏全面、系统地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估多终端协同对系统整体性能的影响，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。
4 多终端协同的应用场景
4.1 多网协作传输应用场景
基于上述的系统架构，本文通过多网协作传输应用场景，以说明由于终端受限于硬件复杂度及承载能力的限制，只具备单一网络接入网络的单模终端不能支持所有业务应用和用户QoS需求，而基于多终端协同的业务流控制机制能够有效扩展网络和终端的通信能力，为用户提供内容更加丰富的业务应用，从而有效应对单一网络通信能力受限及无线资源利用率较低的挑战。多终端协同的协作传输场景如图2所示。
(1)终端A、B、C、D、E通过无线短距离通信技术组成终端协同系统，其中终端A具有无线局域网(WLAN)接入能力，终端B具有时分同步码分多址(TD-SCDMA)接入能力，终端C具有宽带码分多址(WCDMA)接入能力。
(2)终端A为业务的发起者，记为主终端，通过WLAN进行FTP下载业务，但是单链路的数据传输能力有限，不能完全满足业务发起者的个人需求。主终端A希望通过终端协同系统中的其他终端进行协作传输以提高数据下载的链路吞吐量。主终端A向业务控制服务器发起协作传输请求，业务控制服务器进行协同分流控制决策后，告知主终端A协同终端为B、C以及相应的分流决策信息。
(3)主终端A同终端B、C进行信令交互，告知其各自的业务流量比例及相关协同信息。
(4)FTP业务流在媒体分流服务器按照分流控制决策将业务流分成3个业务子流，分别通过WLAN网、TD-SCDMA网、WCDMA网，对应于链路1、链路2、链路3传输到主终端A、终端B、终端C。在终端协同系统内部，终端B和C再将数据包转发给主终端A，从而在主终端A处实现业务流聚合，充分利用网络资源，提高资源利用率。
4.2 移动性管理的应用场景
传统的移动性管理一般是通过网络内部的位置信息管理和水平切换，或者通过网间的分层位置信息管理和垂直切换，并且不同网络的移动性管理策略各不相同[6]。多终端协同下的移动性管理则变得更加复杂、更加多样、更加灵活。移动性管理的应用场景如图3所示。图3通过特定的应用场景来说明多终端协同模式下的移动性管理的灵活性，其可以将位置管理、定位技术、位置服务相结合，实现自适应地通信会话切换控制。
(1)终端A、终端B、终端C、个域网控制节点(CP)组成个域网，其中终端A不具有广域网的接入能力，终端B具有WLAN，终端C具有WCDMA接入能力，CP具有广域网接入能力。
(2)CP收集个域网终端上下文信息，并向上下文信息服务器注册。
(3)终端A向终端B发出协同请求，欲借助其广域网接入能力实现观看IPTV节目，业务流如链路1所示。
(4)由于终端移动或信号质量不稳定，终端B监测到当前协同服务质量较低并反馈给终端A，终端A向控制节点CP发出更换协同终端请求，即切换请求。
(5)业务控制服务器根据候选终端上下文信息(包括位置信息、终端能力、IP地址等)制订聚合决策及切换决策，将选中的协同终端信息反馈给CP。CP将该信息转发给终端A。
(6)终端A并向相关从协同终端C发出协同下载请求，从而实现IPTV业务流从链路1到链路2的切换，从整个个域网看，链路1到链路2的切换属于异构网络间的垂直切换，此外，为了实现业务的连续一致性在个域网终端侧缓存业务。
5 总结与展望
多终端协同技术能克服单终端能力有限的局限性，基于网络终端通信交互能力的共享，联合为用户提供个人化、智能化业务，是未来移动泛在业务环境下的应用趋势。多终端协同和业务流控制技术涉及终端、网络和业务等各个层面，同时各节点之间可直接或间接地建立多条不同的QoS要求的传输链路，以满足不同业务的传输要求。因此基于跨层设计思想，综合考虑终端侧的能力集、物理层的信道建模、媒体访问控制(MAC)层的队列状态、网络层的承载能力、应用层的业务建模以及用户的速率和延时需求，将系统性能优化目标构建为协同聚合、接入控制、速率分配、资源调度等子问题，实现面向链路的自适应资源适配管理和业务QoS保障从而保证网络承载传输的可靠性，提高无线资源利用率，保证不同业务的QoS要求以及用户之间的公平性，将会是未来移动通信和4G发展中的研究热点之一。
6 参考文献
[1] 张平, 苗杰, 胡铮, 等. 泛在网络研究综述 [J]. 北京邮电大学学报, 2010,33(5):1-6.
[2] Wireless world research forum [EB/OL]. [2011-11-23]. www.省略/.
[3] ZHANG Ping, JI Yang, FENG Zhiyong. Mobile ubiquitous network environment [J]. ZTE Communications, 2007,13(1):58-62.
[4] 张平. 移动泛在融合的通信业务发展趋势 [J]. 电信工程技术与标准化, 2008,21(1):1-5.
[5] 波伊克塞尔凯 M, 迈耶 G. IMS: IP多媒体子系统概念与服务 [M]. 望育梅, 周胜, 译. 北京: 机械工业出版社, 2011.
[6] AKYILDIZ I F, JIANG Xie, MOHANTY S. A survey of mobility management in next-generation all-IP-based wireless systems [J]. IEEE Wireless Communications, 2004,11(4): 16-28.
收稿日期：2012-03-05
作者简介
田辉，北京邮电大学教授、博导；主要从事3G、B3G、4G移动通信系统关键技术及无线网络研究，包括新型网络架构、MAC协议、无线资源分配机制、跨层优化、路由技术等；已100余篇，出版著作9部，申请发明专利42项，其中9项授权、6项已成功转让；获国家科学技术发明奖二等奖1项，中国通信学会科技进步一等奖1项。
胡铮，北京邮电大学博士毕业，北京邮电大学副教授；主要从事下一代移动泛在网络理论和关键技术研究工作，主要关注移动泛在业务环境(MUSE)、泛在终端网络和认知无线网络；已30余篇，申请专利12项。
张平，北京邮电大学教授、博士生导师；北京邮电大学学术委员会委员、泛网无线通信教育部重点实验室主任，国家宽带无线通信重大专项建议书起草人之一，信息产业部IMT-Advanced推进工作组专家。