物联网组成原理-移动互联网分析

移动互联网是当前信息技术领域的热门话题之一，它体现了“无处不在的网络、无所不能的业务”的思想，正在改变着人们的生活方式和工作方式。移动互联网使得人们可以通过随身携带的移动终端（如智能手机、平板式计算机等）随时随地乃至在移动中获取互联网服务。随着宽带无线接入技术和移动终端技术的迅速发展，全球已经进入移动互联网周期的早期阶段（计算技术先后经历的5个发展周期：大型机、小型机、PC、桌面互联网、移动互联网）。

移动互联网已成为学术界和业界共同关注的热点，但对其的定义还没有达成共识。我国工业和信息化部电信研究院在2011年的《移动互联网白皮书》中给出了比较有代表性的定义：“移动互联网是以移动网络作为接入网络的互联网及服务，包括3个要素：移动终端、移动网络和应用服务。”上述定义包含了移动互联网两方面的含义：一方面，移动互联网是移动通信网络与互联网的融合，用户以移动终端接入无线移动通信网络（2G网络、3G网络、4G网络、WLAN、WiMax等）的方式访问互联网；另一方面，移动互联网还产生了大量新型的应用，这些应用与终端的可移动、可定位和随身携带等特性相结合，为用户提供个性化、位置相关的服务。

1991年Weiser提出了“泛在计算”（ubiquitous computing），即人们可以在任意时间、任意地点通过合适的终端与网络进行连接从而获取信息与服务，开启了移动互联网的研究的先河。此后，移动互联网日渐成为信息技术领域的研究热点。

移动互联网是一个多学科交叉、涵盖范围广泛的研究领域，涉及互联网、移动通信、无线网络、嵌入式系统等技术。通过对当前移动互联网研究的相关工作进行归类和梳理，形成移动互联网研究体系。这个体系有3个层面，分别为移动终端、接入网络和应用服务。其中，移动终端和接入网络是应用服务的基础。在该体系中，移动互联网研究主要包括移动终端、接入网络、应用服务及安全与隐私保护4个方面。移动终端研究包括终端硬件、操作系统、软件平台、应用软件、节能、定位、上下文感知、内容适配和人机交互等。接入网络研究包括无线通信基础理论与技术、蜂窝网络、无线局域网、多跳无线网络、异构无线网络融合、移动性管理与无线资源管理等。应用服务研究包括移动搜索、移动社交网络、移动互联网应用拓展、基于云计算的服务、基于智能手机感知的应用等。安全与隐私保护研究则涉及移动终端、接入网络、应用服务3个层面，包括内容安全、应用安全、无线网络安全、移动终端安全、位置隐私保护等。

1.移动终端

移动终端是移动互联网的前提和基础。随着相关技术的不断发展，移动终端逐渐具备了较强的计算、存储和处理能力及触摸屏、定位、视频摄像头等功能组件，拥有了智能操作系统和开放的软件平台。当前主要的智能终端操作系统有美国Google公司的Android系统、美国Apple公司的iOS系统、美国Microsoft公司的Windows Phone系统和加拿大RIM公司的Blackberry OS系统等。采用智能终端操作系统的手机，除了具备通话和短信功能外，还具有网络扫描、接口选择、蓝牙I/O、后台处理、能量监控、节能控制、低层次内存管理、持久存储和位置感知等功能。这些功能使得智能手机在医疗卫生、社交网络、环境监控、交通管理等领域得到越来越多的应用。移动终端研究不仅涵盖终端硬件、操作系统、软件平台及应用软件，还包括节能、定位、上下文感知、内容适配和人机交互等技术。其中，节能和定位至关重要。提高能量利用效率可以增强移动终端的续航能力。获取终端位置则是使用基于位置服务的前提。

（1）节能技术

移动终端依赖电池工作。出于便携性的考虑，移动终端的尺寸和重量受到严格限制，从而制约了电池体积和容量的扩充。随着移动终端软硬件功能的增强，不断增长的能耗需求和有限的电池容量之间的矛盾也日益加剧，制约着移动互联网的广泛应用。因此，如何提高移动终端的能量利用效率成为移动互联网领域一个备受关注的研究方向。

在硬件方面，芯片、显示屏等元器件的低功耗设计，元器件的合理布局等，都是降低能耗的有效手段。在软件方面，主要的研究工作有智能电池、图形用户界面的节能设计、基于休眠的节能方法、针对TCP的节能优化、系统级电源管理和无线通信节能机制。

（2）定位技术

位置相关服务是移动互联网服务的重要特点之一，因此移动终端定位与移动互联网的发展紧密相连，是一个关键的不可或缺的研究课题。定位，也称为位置感知，是指借助已知空间中的一组参考点的位置来获得该空间中移动用户的位置的过程。定位技术主要有三类：卫星定位技术、网络定位技术、感知定位技术。卫星定位技术利用太空中的人造卫星对移动终端进行定位，如GPS、北斗卫星导航系统、伽利略卫星导航系统等；网络定位技术利用网络基站（或者接入点）等基础设施对移动终端进行定位，如2G网络、3G网络、WLAN等；感知定位技术在指定空间内部署传感器，当移动终端进入传感器的感知区域时，则能判定其位置，如RFID、红外、蓝牙等。

在应用不断发展的背景下，定位系统的运行环境、使用范围、用户体验都有了新的变化，定位技术面临着新的挑战。卫星定位的研究开展较早，技术比较成熟，在室外能有效地定位，但几乎不能覆盖人们经常工作和活动的室内。网络定位和感知定位等适用于室内定位的技术成为当前的研究热点。近年来，随着WLAN作为一种与3G网络互补融合的宽带无线接入方式被广泛部署及支持WLAN的移动终端日益普及，WLAN室内定位引起了国内外学者的广泛关注。根据定位原理的不同，WLAN定位可以分为最近AP定位、几何计算定位和位置指纹（location fingerprint）定位。

2.接入网络

接入网络是移动互联网的重要基础设施之一。按照网络覆盖范围的不同，现有的无线接入网络主要有五类：卫星通信网络、蜂窝网络（如2G网络、3G网络等）、无线城域网（如WiMax）、WLAN、基于蓝牙的无线个域网。它们在带宽、覆盖、移动性支持能力和部署成本等方面各有长短。例如，蜂窝网络覆盖范围大，移动管理技术成熟，但存在着低带宽、高成本等缺陷；WLAN有着高带宽、低成本的优势，但其覆盖范围有限，移动管理技术还不成熟。

随着移动互联网的飞速发展，无线接入网络所要支撑的业务已经由以前单一的语音业务转变为综合语音、数据、图像的多媒体业务，现有的无线接入网络已经无法满足其在带宽、覆盖、实时性等多个方面的需求。关于第四代无线通信网络（4G网络）的设计思路和发展方向，主要有三种：革新式的发展路线、单系统演进的发展路线和多系统融合演进的发展路线。革新式的发展路线，即定义全新的无线接口、通信协议和网络架构，开发成本高且难以推广部署，在时效性和实用性上都有所欠缺；单系统演进的发展路线，即充分利用现有的某种无线接入系统中的基础设施和技术，通过技术增强来实现系统的平滑过渡，是一种低成本的系统升级方案，但系统性能提高有限，不能作为一种长远的发展路线；多系统融合演进的发展路线，即将现有的多种无线接入技术有效地结合起来，实现异构无线网络融合，这种发展路线既具备了单系统演进路线的低成本、低风险的优点，又能够有效提高系统性能来满足用户需求，是一种实用性和时效性都很强的长期发展路线。

接入网络研究涉及无线通信与网络的基础理论与关键技术，主要包括信息理论与编码、信号处理、宽带无线传输理论、多址技术、多天线MIMO、认知无线电、短距离无线通信、蜂窝网络、无线局域网、无线Ad-Hoc网络、无线传感器网络、无线Mesh网络、新型网络体系结构、异构无线网络融合、移动性管理、无线资源管理等。

（1）异构无线网络融合

关于异构无线网络融合的研究最早可以追溯到1995年由美国加州大学伯克利分校发起的，海湾无线接入网，（Bay Area Wireless Access Network，BARWAN）计划，该计划提出并实现了多模移动终端在无线局域网和无线广域网之间的垂直切换方案。欧洲电信标准协会和第三代合作伙伴计划（3GPP）对3G网络与WLAN之间的互联互通进行了深入的研究。欧盟第六框架计划（EUFP6）中的AmbientNetworks、DRiVE、WINNER和EVEREST计划等在异构无线网络的架构和核心功能实现等方面也取得了丰硕的研究成果。

异构无线网络的融合架构包含两个方面的要素：一是各种无线接入系统之间以何种方式互联互通；二是各种功能模块如何进行划分，即各项管理功能（计费、无线资源管理和移动性管理等）在网络实体上的分布及这些实体在网络架构中的位置。按异构网络集成的紧密程度不同，异构无线网络架构可分为紧耦合（tight coupling）和松耦合（loose coupling）两类。

（2）移动性管理

未来的接入网络将是多种接入技术共存、相互补充的异构无线网络。如何实现异构无线网络间的无缝切换是移动性管理需要解决的首要问题。在异构无线网络中，由于接入技术的复杂、多样，完全基于物理层和链路层来提供移动性管理非常困难，需要一种通用的协议在网络层提供异构接入网络间的位置管理、寻呼和切换等操作，来屏蔽不同种类的无线接入网络的差异。IP移动性管理能够为移动终端在异构无线网络环境中的漫游提供了统一的解决方案，但是其作为网络层的移动性管理，将底层网络视作透明，没有搜集底层网络相关信息的途径，会存在网络发现不够及时、网络选择不够准确等问题，切换延迟也较大。因此，在异构无线网络环境中，有必要在二层协议和三层协议之间提供一套与媒体无关的切换技术，与IP移动性管理协议相结合，共同实现无缝的移动性管理。IEEE在2003年1月启动了相关的研究，并于2004年1月成立了IEEE 802.21媒体独立切换工作组，致力于开发一个媒体无关的切换标准。

（3）无线局域网

无线局域网是移动互联网中一种重要的无线接入方式，具有带宽高、部署成本低等优势，可以和3G网络形成技术上的互补。目前，无线局域网在全球得到广泛部署，覆盖区域已经从热点分布向大面积热区分布发展。

传统的无线局域网采用AP与有线交换机直接连接的组网方式。其中，AP独立完成用户的无线接入、权限认证、安全策略实施，被称为“胖”AP。随着越来越多企业和运营商开始大规模的无线局域网建设，这种基于“胖”AP的组网方式日益暴露出许多突出的问题。由于网络没有集中式的管理功能，需要以手动方式逐一对AP进行配置、管理与监控，大规模无线局域网由成百上千个AP组成，网络管理的负担非常大。另外，AP设备通常位于室外，物理安全无法得到保证，将所有功能都在AP中实现，包括认证、加密等一些安全配置，会使得AP成为泄密渠道。为了解决上述问题，满足网络可扩展性和安全需要，各大厂商推出了基于集中控制型架构的无线局域网解决方案，即无线控制器（Access Controller，AC）+“瘦”AP的模式，简称AC-AP架构。AC-AP架构对无线局域网的功能进行了重新划分，AC负责无线网络的接入控制、AP的配置监控、漫游管理、安全控制等功能；而“瘦”AP只负责IEEE 802.11报文的加解密、IEEE 802.11的物理层功能等简单功能。由于无线局域网功能被分散到AC和“瘦”AP两个独立的设备上，需要AC和“瘦”AP之间通过相应的交互控制协议来协同完成，该协议是AC-AP架构的核心。

到目前为止，AC-AP交互控制协议没有公认的国际标准，各厂商在实现上都采用私有协议，因而不同厂商的AC和AP产品无法实现互通。出于对未来无线局域网互通性的考虑，IETF成立了的无线接入点控制和配置（Control And Provisioning of Wireless Access Points，CAPWAP）工作组，进行AC-AP架构及AC-AP交互控制协议技术的研究，制定统一的AC-AP交互控制协议。在工作组成立最初，有4个候选协议被推选出来作为CAPWAP协议的草案初稿，它们分别是轻量接入点协议（Light Weight Access Point Protocol，LWAPP）、安全轻量接入点协议（Secure Light Access Point Protocol，SLAPP）、CAPWAP隧道协议（CAPWAPTunneling Protocol，CTP）、无线局域网控制协议（Wireless LAN Control Protocol，WiCoP）。经过深入研究，LWAPP因为和工作组定义的目标最为相近，且协议本身比较完善而最终被采纳，作为工作组草案的基础标准。

CAPWAP于2009年提出，该协议将整个WLAN网络分成AC和“瘦”AP两个部分。AP可以看作是AC的远程端口，接受AC的控制。AP的部分功能迁移到AC上，即采用分离MAC设计，实时帧交换与MAC管理的一些实时部分在AP中完成，而认证、安全管理及移动性管理则由AC处理。AP收到移动终端的数据，通过CAPWAP封装传至AC。AC通过CAPWAP控制隧道实现对AP的集中控制与管理。因此，CAPWAP规范了AP与AC的通信行为，实现对AP的集中控制与管理。

（4）无线Mesh网络

无线Mesh网络（Wireless Mesh Networks，WMN）是一种自组织、自配置的多跳无线网络。在WMN中，Mesh路由器（Mesh Router，MR）以无线互联的方式构成无线骨干网，少数作为网关的MR以有线方式连接到互联网。MR不仅作为AP为其覆盖范围内的移动终端提供无线连接，还作为路由器为其他MR转发报文。移动终端与覆盖其区域的MR建立连接，并以无线多跳的方式通过网关实现互联网接入。与传统的无线局域网相比，WMN有着许多优势：①由于只需要很少的有线网络连接点（网关），网络的布线成本大大降低；②多跳无线通信提供了更广的无线覆盖范围；③无线骨干网中多点到多点的连接，增强了网络的可靠性；④MR之间自动建立和维护连接，易于网络的增量部署，网络具有很好的可扩展性。

为了推动WMN技术的发展，IEEE 802的多个标准组正在制定相关的标准，这些标准已经出现在IEEE 802.11s、IEEE 802.15、IEEE 802.16和IEEE 802.20中。其中，IEEE802.11s标准则是专为WMN所制定的，其主要目的在于拓展WLAN的覆盖范围。它通过扩展IEEE 802.11MAC层协议，构建扩展业务集合（Extended Service Set，ESS）下的WMN，在AP间建立无线连接，使得多个AP之间能够通过自动配置拓扑来组网，支持单播、广播及组播业务。目前，IEEE 802.11s标准草案正处于不断的修改完善中。在学术界，WMN受到了广泛的关注和深入的研究，涉及网络的性能、安全、管理等多方面的问题，其中网络性能优化是学者们研究的重点。关于如何提升和优化网络性能。现有的研究工作主要包括高性能路由协议、信道分配、路由和信道分配联合及拓扑规划。(www.xing528.com)

3.应用服务

应用服务是移动互联网的核心。移动互联网服务，不同于传统的互联网服务，具有移动性和个性化等特征：用户可以随时随地获得移动互联网服务；这些服务可以根据用户位置、兴趣偏好、需求和环境进行定制。随着Web2.0技术的发展，让用户从信息的获得者变为信息的贡献者，移动互联网的应用服务也日益繁荣。美国苹果公司于2008年7月推出在线应用商店，依托iPhone和iPod Touch的庞大市场取得了极大的成功。

应用服务研究包括移动搜索、移动社交网络、移动电子商务、移动互联网应用拓展、基于云计算的服务、基于智能手机感知的应用等。

（1）移动搜索

移动搜索是一种典型的移动互联网应用。移动搜索是基于移动网络的搜索技术，是指用户通过智能手机等移动终端，采用浏览器、短信、交互式语音应答（Interactive Voice Re-sponse，IVR）等多种方式搜索，获取所需的信息和服务（文本、图像、动画、声音、视频等）。作为传统互联网搜索的进一步延伸，移动搜索可为用户提供随时随地的个性化的信息服务。以Google、Baidu为代表的搜索引擎门户网站已相继推出了移动搜索服务，让用户可以通过手机进入WAP或WEB进行网页搜索。

（2）移动社交网络

社交网络（social network）的理论基础是哈佛大学的心理学教授Stanley Milgram于1967年提出的六度分隔理论（six degree of separation），“每个人最多只需要通过6个人就能认识任何一个陌生人”。社交网络服务（Social Network Services，SNS）是一种互联网应用，旨在为一群存在社会关系或拥有共同兴趣、以各种形式在线聚合的用户提供信息共享与交互服务。当前，出现了许多著名的提供SNS的社交网站，如Facebook、MySpace等。

随着移动互联网的发展，SNS开始逐渐面向移动终端用户。移动SNS无缝地将移动计算和社会计算结合起来，极大地增强了用户的真实性、地域性和交互的实时性。移动终端与用户的绑定保证了社交网络的真实性；位置信息的引入，带来了多样化、个性化的SNS；移动终端“永久在线”，可以提供用户间的实时交互。另外，移动终端可以利用用户的历史位置信息及与其他用户相遇的历史记录（蓝牙等短距离无线通信的服务发现）来感知社会上下文，并实现基于社会上下文的应用。

4.展望

作为当前的热点，移动互联网在近几年得到了广泛的研究。虽然移动互联网研究已经取得了一定的成果，但是仍有很多问题需要解决，集中体现在以下几个方面。

（1）精确、无缝与低能耗的移动终端定位

定位精度是一项非常重要的性能指标，现有的工作大多数只是针对某一种定位技术来研究如何提高其定位精度。在多种定位基础设施（如3G网络、WLAN等）重叠覆盖的区域，如何综合利用多种定位技术（网络定位、感知定位等）提供更为精确的服务，是一个值得研究的问题。一些大型的应用，如既有室内场景、又有室外场景，则需要分别采用室内与室外定位技术，定位服务的无缝化问题急需解决。而问题的难点在于室外、室内的定位技术切换和统一的数据管理。定位作为移动终端上运行的一项功能，同样需要考虑能耗。对于连续实时定位，能耗问题尤为突出。如何在定位的准确性和能耗上进行权衡，如何在不降低终端轨迹准确性的前提下尽可能地利用低能耗定位技术和降低定位使用频率，都是需要进一步研究的问题。

（2）高效、动态的无线频谱资源管理与利用

为了解决日益增长的无线通信需求和有限的无线频谱资源之间的矛盾，学者们一直致力研究频谱资源的管理和利用，通过调制、编码、多信道、多天线、认知无线电等技术，来最大化频谱资源的利用效率。其中，认知无线电技术是当前研究的热点，在频谱感知和频谱分配上还存在着很多未解决的难题和挑战。在频谱感知方面，如何在编码、角度等维度上进行频谱检测以发现更多的频谱机会，如何在多用户合作感知时提高协同增益和减少系统开销，如何通过学习和预测的方法来估计频谱的占用状况以降低感知开销，都是值得深入研究的问题。在频谱分配方面，如何综合考虑多种频谱特征参数来分配频谱，如何实现多频谱分配的功能使得用户可以同时使用多个不连续的空闲频谱进行通信，如何实现发送端和接收端之间的握手协商以将发送端的分配结果通知接收端，还有待进一步研究。

（3）大规模、高性能的无线Mesh网络

目前，构建大规模、高性能WMN的技术问题还没有完全解决，主要体现在容量和可扩展性两个方面。容量问题是WMN的基础研究问题，如何对网络进行容量优化是当前的一个研究重点，主要包括路由、信道分配、链路调度、拓扑规划等方面。现有的研究工作主要包括针对已部署的网络进行路由、信道分配和链路调度的优化，以及没有综合考虑路由、信道分配和链路调度的拓扑规划。联合拓扑规划、路由、信道分配和链路调度，可以更好地提升网络容量，但由于问题更加复杂，如何利用优化理论来建模和求解都相当困难，需要更为深入的研究。此外，当前的研究工作还存在着实用性不高的问题，模型中存在一些理想的假设，如何提高模型的实用性也是一个值得关注的问题。当网络规模扩大时，多跳无线传输路径的增长会极大降低端到端的吞吐量；对于现有的MAC、路由和传输层协议，协议开销会大量增加网络运行的负荷，从而影响网络性能。因此，网络架构和协议的可扩展性也是WMN要解决的问题。

（4）基于云计算的移动互联网服务

移动互联网与云计算的结合越来越受到人们的关注。移动终端在计算能力上的局限性，需要云端强大的计算能力来互补。云计算平台具有海量数据存储和高性能计算能力，可以为实现可运营、可管理、低成本、高效率、高扩展、灵活的移动互联网服务提供技术支撑。因此，基于云计算的移动互联网服务是未来一个重要的研究方向，有以下问题有待进一步解决：

1）端到云通信的优化。将终端计算迁移到云平台，既可以充分利用云平台的计算资源，又可以降低终端的计算开销、减少终端能耗。但这会给终端带来额外的通信开销，需要研究如何降低终端的通信开销，如何在计算开销和通信开销之间进行折中。

2）可靠性保证。无线网络中链路的不稳定性会导致数据传输失败或服务的中断，因此需要在云平台提供针对无线网络链路特点的可靠性保证机制。

3）面向移动终端的服务访问接口。由于移动终端计算能力有限及无线接入网络带宽较小等因素，需要云平台提供面向移动终端的服务访问接口。

（5）智能手机的感知技术及应用

智能手机内置多种感知设备，如加速度计、电子罗盘、GPS、麦克风、摄像头等，具备了丰富的感知功能，在医疗卫生、社交网络、环境监控、交通管理等领域已有了广泛的应用。研究智能手机感知的新技术，综合运用多种感知技术和拓展基于智能手机感知的应用，是今后努力的方向。现有的感知模式有两种，即参与模式和机会模式。参与模式需要用户手动触发，由于受用户参与积极性的影响，感知数据的获取量得不到保证；而机会模式则根据手机上下文自动触发，但对复杂上下文的感知却是个难题。因此，结合参与模式和机会模式的混合感知模式值得关注，它可能会出现在未来的许多应用中。此外，连续感知是当前研究的热点。在连续感知中，必须考虑节能问题。因此需要限制连续感知和通信的代价，如何在保证准确性和实时性的前提下降低能耗需要进一步的研究。

（6）移动互联网安全

目前，移动互联网安全面临着以下一系列的挑战：

1）移动终端安全。需要在硬件、操作系统、软件平台和应用软件各层面，给终端提供安全防护。其中，恶意软件的检测和防护还待进一步研究，监控能耗、增加平台多样性和增强硬件沙盒（sandbox）等方法值得关注。

2）接入网络安全。异构无线网络需要统一、安全的认证机制，该机制要能够屏蔽底层异构的链路层技术，承载多种认证方法以适用于不同的接入环境。由于移动终端在计算、存储能力上的限制，需要更为高效的加密算法和密钥协商机制。WLAN由于存在安全体制缺陷，还存在许多安全问题，如虚假AP“钓鱼”、链路攻击、信息泄露等。

3）应用服务安全。面向移动互联网的流量监控和信息监管机制还待深入研究，特别是研究针对移动终端和接入网络特点的基于内容的非法信息识别和过滤方法。在云计算平台中，数据的所有权和管理权分离，使得数据安全和隐私保护面临更大挑战，虚拟化的云平台在隔离用户资源方面还存在漏洞，需要进一步完善。