异构融合机制下物联网网络层结构研究

银奕淇　张微　高屹扬　范双南

摘要：随着移动通信技术的飞速发展，物联网网络层将是一种由多种接入方式并存，由多种异构无线接入技术组成的网络。该文通过系统分析几种无线接收入网络，提出了四种异构融合的方案，从而实现用户在5W条件下都能感觉到网络提供的一致性和统一性服务。

关键词：异构融合；物联网；网络层

中图分类号：TP368文献标识码：A文章编号：1009-3044（2012）30-7379-02

物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业第三次浪潮，其广泛应用将在未来5-15年中为解决现代社会问题做出极大贡献。2005 年，国际电信联盟（ITU）发布了一份题为《The Internet of things》的年度报告，正式将“物联网”称为“the Internet of Things”，是信息和通信技术中的新维度，对物联网概念进行了扩展，提出了任何时刻、任何地点、任意物体之间互联，无所不在的网络和无所不在的计算的发展愿景。[1]按照ITU物联网研究组的研究结论，物联网的核心技术主要是普适网络、下一代网络和普适计算。从下一代网络在某种角度看，就是可以连接任何物品的物联网。

1 物联网体系架构

物联网作为一种形式多样的聚合性复杂系统，涉及了信息技术自上而下的每一层面，其体系结构分为感知控制层、网络传输层、应用服务层三个层面。感知控制层由数据采集子层、短距离通信技术和协同信息处理子层组成。数据采集了层通过各种类型的传感器获取物理世界中发生的物理事件和数据信息，矩距离通信技术和协同处理子层将采集到的数据在局部范围内进行协同处理，以提高信息的精度，降低信息冗余度，并通过自组织能力的短距离传感网接入广域承载网络。网络传输层将来自感知层的各类信息通过基础承载网络传输到应用层，包括移动通信网、互联网、卫星网、广电网、行业专网及形成融合网络等。应用服务层主要将物联网技术与行业专业系统相结合，实现广泛的物物互联的应用解决方案，主要包括业务中间件和行业应用领域。[3]

2 物联网网络层结构研究

物联网感知层所收集的传感信息相互之间的传送依赖于网络层的各种基础设施。目前无线传感器产生的数字信号可随时随地传送出去，解决了最后一公里的问题，但如果将无线传感器网所采集的信息传输到数千公里之外，仅仅依靠其本身的传输能力显然无法解决问题，因此，构建一个将短距离至长距离无线网络全部包含其中的完整物联网，是构建物联网网络层体系所面临的首要课题。[4]

2.1 通信网

通信网是利用交换和传输设备，将地理上各种分散终端设备通过交换系统按一定拓扑结构互连起来，实现通信和信息交换的系统。也就是说，有了交换系统才能使某一地区内任意两个终端用户相互接续，才能组成通信网。通信网由用户终端设备，交换设备和传输设备三部份组成。

2.2 3G网络

3G是英文the?3rd?Generation的缩写，指第三代移动通信技术。是将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。?3G?系统不仅能支持语音业务，还能够支持中高速数据业务和多媒体通信，提供快捷、方便的无线应用。3G系统能将高速移动接入和基于因特网协议的服务结合，实现移动INTERNET，满足多媒体业务的要求，提供多种信息服务。

2.3 GPRS 网络

GPRS是指通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service）的简称。GPRS仍以GSM系统为基础，采用无线分组交换技术，以封包（Packet）式进行传输，通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供端到端的、广域的无线IP连接，进行提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，用户在数据通信过程中并不固定占用无线信道，因此GPRS不仅实现了对信道资源的合理应用，而且连接及传输都会更方便容易。

2.4 广电网络

广电网通常是由广播、交互两个信道组成的用射频电缆、光缆、微波、数据电缆或其组合来传输、分配和交换图像、声音及数据信号的多业务有线广播电视网络。

2.5 NGB广域网络

NGB是以有线电视数字化和移动多媒体广播（CMMB）的成果为基础，以高性能宽带信息网核心技术为支撑，全程全网的下一代广播电视网络。NGB有效的实现了“三网融合”，可以为用户提供高清晰度电视、数字视音频节目、高速数据接入和话音等一站式服务。同时还具有可信的服务保障和可控、可管的网络运行属性。

3 物联网网络层异构融合实现

基于未来物联网移动信息通信场景，未来各种新接入会层出不穷，新老交替，即未来的信息通信网是异构接入的，随着移动无线INTERNET、移动多媒体、移动流媒体的超前发展，使无所不在的普适计算逐渐成为可能，最终目标是实现“任何人在任何时间、任何地点与任何人进行任何种类的信息交换”。移动通信与宽带无线接入的迅猛发展，多种无线接入技术与服务共存，协同工作，支持无逢的移动性和不同类型的无线网络的融合，成为物联网发展的重要支撑技术。

物联网实现异构融合，互联互通分为两种情况，一种是在保持现有无线网络结构完整性的基础上，通过增加某些中间节点实现异构网络的互联互通，可分为紧耦合和松耦合模式。另一种是采用全新的网络结构实现异构网络环境，如ACENET和AN。

3.1 紧耦合模式

紧耦合模式就是在网络融合中，使一个网络A作为另一个网络B的一个无线接入网而存在，使用网络B的鉴权、计费和认证，上层运行的是网络B的相关协议。因此在结构上，需要增加网元或必要的功能模块以实现两个网络的互通；在功能上，使网络A可以共用网络B所支持的各种资源；在管理上，可以采用统一的接入服务器为两个网络提供接入服务，实现统一维护和管理。在紧耦合模式下，两个网络可以看作是统一的整体，无需第三方即可实现互操作，用户可以实现两个网络间的无缝切换，保证切换前后的连续性，但实现技术难度大，增加了设计和实现的复杂性。

3.2 松耦合模式

松耦合模式就是两个网络相互独立，互不影响，在实现两个网络融合的技术要求较低，在实现两个网络互联互通过程中，需要第三方网络辅助，使用的是标准的各类Internet 协议，可以共用用户数据、鉴权等。但是当用户采用双模终端时，必须采用移动IP的方式才能实证现移动终端在两个网络间的切换，而且不能保证切换前后的连续性，由于各自保持着独立的网络结构和协议，双方采用相互独立的安全机制、移动性管理和QoS机制，因此在网络管理上，两个网络之间的业务互通需要通过第三方网络互连实现，大大增加了两网之间业务互通的难度。

3.3 ACENET

ACENET（Ad-hoc cellular NETworks），它把蜂窝网络，Ad-hoc 和WLAN网集成在一起，是一种全IP结构，即利用支持IP的Ad-hoc路由协议或一种全新的用于4G异构网络的路由协议以及可变-半径/多半径MAC协议达到异构融合。ACENET网的移动节点多模设置，可支持CDMA、TDMA、改进的无线WAN技术等通信。

3.4 AN网

AN网（Ambient Network）旨在为NGB和无线系统创建全新的网络解决方案，以确保能为用户提供无处不在的、内容丰富且界面有好的服务。AN网的概念是围绕Internet设计的，遵循全IP移动网络互联的方法，重点强调传输功能和控制功能的分离。

4 结束语

物联网应用中接入网络异构融合联网发展的必然趋势，由于移动用户数量的快速增加，无线资源的匮乏等问题，需要大量的频段。频段的不同造成不同网络同时覆盖区域，不同的移动通信系统就必须协同工作在一个异构通信环境。本文系统分析了几种无线接收入网络，提出了四种异构融合的方案，从而实现用户在5W条件下都能感觉到网络提供的一致性和统一性服务。

参考文献：

[1] International Telecommunication Union， Internet Reports 2005：The Internet of things[R].Geneva：ITU，2005.

[2] 孙其博，刘杰，黎羴，范春晓，孙娟娟，物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报，2010，33（3）.

[3] 王志良，王粉花.物联网工程概论[M].北京：机械工业出版社，2011.

[4] Chang H T Tsan C L.Image watermarking by use of digital holography embedded in the discretecosine-transformdomain[J].Applied Optics，2005，44（29）：6211-6219.

[5] 赵凯，张峰.基于北斗卫星系统的物联网网络层体系架构设想[J].计算机系统应用，2011，20（5）.