異構網絡融合是未來網絡發展的必然趨勢，但也面臨著諸多問題和挑戰。應急通信網絡要充分發揮功效，必須有效解決各種不同類型的網絡之間的融合互通問題。文章給出了一種支持異構網絡融合的應急通信網絡結構，提出了無線自組網基于連接共享接入因特網的方案，詳細說明了互聯網關選擇和允許控制機制，并分析了控制消息開銷。
1 引言
隨著移動通信和互聯網技術的高速發展，涌現出了大量不同類型的通信網絡，使用戶置身于一種復雜多樣的異構網絡(heterogeneous network)環境中，信息獲取和傳輸的手段以及數據存儲和共享的方式發生了很大變化。當前，網絡形式種類繁多，各具特點，它們之間是一種共存發展的關系，并且從經濟和技術上考慮(在今后很長一段時間內沒有哪一種網絡能夠獨自滿足各類用戶多樣化的通信服務需求)，預期這種關系仍將長期存在。這些網絡涵蓋有線通信網絡(主要是PSTN網絡和因特網)、無線通信網絡和衛星通信網絡，特別是體現在各種新興的無線通信網絡方面，包括2G和3G蜂窩移動通信網絡(如GSM、UMTS、CDMA2000等)、無線個域網(WPAN，如802．15)、無線局域網(WLAN，如802．11)、無線城域網(WMAN， 如802．16)、無線廣域網(WWAN，如802．20)、移動Ad hoc網絡(MANET)、無線傳感網(WSN)和無線Mesh網(WMN)等。盡管這些異構網絡為用戶提供了多種多樣的通信方式和網絡接人手段，但是如果它們之問不能實現有效互聯互通，則會產生許多信息孤島，無法提供具有端到端服務質量(QoS)保證的通信服務，從而大大削弱網絡的整體效用和用戶的服務體驗。因此，異構網絡融合互通不僅是構建無所不在的通信網絡的迫切需求，也是今后信息網絡發展的必然趨勢。異構網絡融合必須充分利用不同網絡間的互補特性，解決多種不同類型網絡的有機融合問題。具體來講，異構網絡融合就是采用通用的、開放的技術實現不同網絡或網元的互聯、互通和集成，涉及到接入網融合、核心網融合、終端融合、業務融合和運營管理融合等方面。
異構網絡之間的協作和融合已成為目前業界關注的焦點。通過異構網絡融合，可以充分利用不同類型的網絡技術優勢，獲得多方面的收益：可以極大提升單個網絡的性能，在支持傳統業務的同時也為引入新的服務創造了條件；可以擴大網絡的總體覆蓋范圍，使網絡具有更好的可擴展性；可以平衡網絡業務負載，增加系統容量；可以充分利用現有各種網絡的資源，降低網絡運營商和服務商成本，增強競爭力；可以向不同用戶提供各種各自所需的服務，更好地滿足用戶多樣性的需求，提高用戶的滿意度；可以提高網絡的可用性和可靠性，增強系統的可生存性。
但是也必須認識到異構網絡通常是面向不同的應用場景、目標用戶和通信需求設計的，技術特點、組網方式、服務性能和覆蓋范圍各異，從低層的信道接入方式到高層的資源管理與控制技術都不盡相同。因此，實現種類繁多、技術各異(甚至彼此不兼容)的異構網絡的融合互通面臨諸多問題和挑戰。
2 研究發展現狀
網絡融合的概念可以追溯到上世紀70年代，當時通信界提出過網絡和業務綜合(Network and Service Integration)的概念，如著名的綜合業務數字網(ISDN)和寬帶綜合業務數字網(B—ISDN)，但是受到業務和技術發展的制約，ISDN未能獲得成功。直至上世紀90年代，隨著移動通信技術的發展，國外提出制訂IMT一2000全球統一移動通信標準的目標，也未能成功。與此同時，上世紀末伴隨著Internet的迅猛發展，業界提出了下一代網絡(NGN)的概念，研究思路由網絡綜合轉向網絡融合(Network Convergence)，首次在統一的IP技術基礎上展現了信息通信網融合的前景。NGN關于網絡融合的研究成果集中體現在由3GPP提出的IP多媒體子系統(IMS)技術，它集成電信網和因特網技術以及固定網和移動網技術，網絡融合綜合了互聯網IP技術、軟交換技術和蜂窩核心網技術。盡管IMS技術本身有一定局限性，但是作為核心網融合技術來說，它還是得到業界的廣泛認同。
實際上，從上世紀90年代以來，電信網、廣電網與互聯網融合發展的問題就已被提上議事日程，也就是我們常說的“三網融合”。三網融合的目標是實現三大網絡的互聯互通、資源共享和業務綜合，為廣大用戶提供包括語言、數據、廣播電視和多媒體業務在內的多樣性服務。三網融合是信息技術不斷革新應用的產物，也是信息化不斷深入發展的必然要求。但是，直至今日還沒有完成真正意義上的“三網融合”。鑒于三網融合已進入實質性實施階段，本文主要關注異構通信網絡(特別是異構無線網絡)之間的融合互通。
迄今，學術界和產業界已就異構網絡融合問題相繼提出了：大量解決方案，涵蓋無線網絡與Internet的融合、無線廣域網與無線局域網的融合以及無線局域網和蜂窩網絡的融合。歐洲電信標準化組織(ETSI)和其他一些標準化組織已經對蜂窩通信網絡與WLAN 的融合進行了廣泛的研究。例如WLAN標準化組織建：立了無線互通工作組(WIG)來處理蜂窩通信網絡與WLAN的互通機制。針對無線廣域網(如GPRs)與無線局域網的融合，ETSI制定了兩種方案：松耦合和緊耦合方案。舉例來說，在松耦合下，WLAN是作為GPRS網絡的補充，只利用GPRS網絡的用戶數據庫，與GPRS的核心網絡沒有接口。而在緊耦合下，WLAN則通過特定的網絡接口直接連接到GPRS核心網。
目前多網融合的發展方向主要有兩個：一個是以IP骨干網為基礎的網絡融合，另一個是基于Adhoc的多網融合。基于Ad hoc的多網融合系統可以擴展無線通信的覆蓋范圍，提高資源利用率、改善系統吞吐量，平衡業務流量，降低移動終端的功耗，成為近年來國內外研究的熱點，特別是在無線自組網與蜂窩移動通信系統的結合方面取得了一系列研究成果，提出了許多實用的網絡模型，如A2GSM (Ad hocassisted GSM)、MCN(Multi—hop Cellular network)、SOPRANO(Self-organizing Packet Radio Ad hoc Net——works with Overlay)、iCAR(Integrated Cellular and Adhoc Relaying System)、UCAN(Unified Cellular and Adhoc network architecture)等。A2GSM在傳統蜂窩網絡中支持移動終端多跳中繼，以增加系統容量、增強網絡覆蓋和解決始終存在的蜂窩覆蓋盲區問題；MCN提出允許數據包從移動節點多跳傳輸到蜂窩通信系統基站的集成通信網絡模型；SOPRANO將蜂窩網與無線白組網相結合，在蜂窩網中引入動態分布的具有路由中繼轉發功能的無線路由器，以提供無線因特網和多媒體服務；iCAR的基本思想是通過設置一定數量的自組網中繼站(ARS)，實現小區間業務流量的負載均衡，以控制網絡擁塞、疏導熱點區域及避免掉話等。
從全球范圍看，歐盟對于異構網絡融合的研究居于領先地位，開展了一系列研究項目。BRAIN項目提出了無線局域網與通用移動通信系統(UMTS)融合的開放體系結構；DRIVE項目研究了蜂窩網和電視廣播網的融合問題；MOBYDICK項目重點探討了在IPv6網絡體系下的移動網絡和WLAN的融合問題；MAGNET項目通過設計、研發和實現個人網絡(PN)來為移動用戶在異構網絡環境中提供無處不在、安全的個人服務；EuQoS項目側重于研究異構網絡的端到端QoS技術。WINNER項目希望以一個無處不在的無線通信系統代替目前多種系統(蜂窩、WLAN和短距離無線接入等)共存的格局，提高系統的靈活性和可擴展性，能夠在各種無線環境下自適應地提供各種業務和服務。這些項目研究范圍涵蓋接入、網絡和業務等方面，既相互競爭又相互合作，從多個層面和角度對異構網絡融合問題進行了有意義的研究。雖然這些項目提出了不同網絡融合的思路和方法，但與多種異構網絡融合的目標仍有一定距離。最近環境感知網絡(Ambient Network)項目提出的基于認知網絡和無線自組網的網絡融合理念，為異構網絡融合的實現提供了更有效的途徑。
Ambient Network項目(簡稱AN)始于2004年，歷時四年，是歐盟第六框架計劃下的一個大型合作項目。它的目標是促進異構無線網絡之間的有效互聯和協作，使得用戶無論使用何種網絡都能夠享有豐富易用的服務。AN項目的研究工作涉及到很多方面，包括移動性管理、多種無線接入方式、無線資源管理、動態網絡連接和路由、服務感知自適應傳輸以及異構網絡的統一動態融合機制等。AN是一種基于異構網絡問的動態合成而提出的全新的網絡觀念，它不是以拼湊的方式對現有的體系進行擴充，而是通過制定靈活即時生效的網間協議為用戶提供訪問任意網絡的能力。AN最大的特點就是采用了多無線接入技術(MRA)，MRA技術可使終端具有同時與多個接入網絡保持多條獨立網絡連接的能力，進而實現終端在不同網絡間的無縫移動和數據的多跳傳輸。而多無線電協作技術是MRA技術的延伸和擴展，其主要功能是實現多無線電問資源共享和不同網絡間的動態協同。為了實現AN項目的目標，支持異構網絡的融合和協作，AN必須能持續感知底層網絡的特性，其網絡管理必須是動態的、分布式的、自管理的、自維護的和可重配置的，并能自動響應網絡及周邊環境的變化。
3 面臨的問題
在未來的融合通信網絡中，業務的提供將與網絡無關，用戶可自由選擇業務供應商和網絡接人方式，真正實現任何人(Whoever)在任何地方(Wherever)使用任何終端(Whatever)都可以獲得各種通信服務的目標。但是要真正實現異構網絡融合互通，還面臨一系列問題與挑戰，主要包括移動性管理、無線資源管理、呼叫接人控制、網絡接人選擇以及端到端QoS保證等方面。
移動性管理：移動管理包括位置管理和移動切換兩方面，是實現異構網融合的關鍵技術之一。過去，對移動切換技術的研究多集中在單一通信系統內，從用戶的角度出發，主要保證語音業務和低速率業務的延續性和可靠性。在異構網絡環境下，還需要從網絡的角度重新設計切換方案，以實現網絡之間和網絡內部的業務負載均衡，從而有效利用網絡資源以滿足用戶對多業務的需求。因此，如何設計具有高靈活性、低復雜度并綜合考慮多種異構網絡參數的切換算法是當前研究的重點和難點。
無線資源管理：與傳統的單一無線系統相比，異構無線網絡中的資源不僅僅指無線頻譜，還包括移動用戶的接人權限、信道編碼、發射功率和連接模式等。傳統無線資源管理的目標是在有限帶寬的條件下，在綜合考慮網絡話務量分布和信道時變特性的情況下，合理分配和調整無線網絡的可用資源，提高無線頻譜利用率，防止網絡擁塞和減少信令開銷。為此，需要針對異構無線網絡設計有效的資源管理方式，其中比較著名的當屬聯合無線資源管理(JR—RM)和多無線資源管理(MRRM)。
呼叫接入控制算法：傳統蜂窩網絡中的呼叫接入控制算法已經得到廣泛的研究。不同于蜂窩網絡，異構網絡融合系統提供了多種業務類型，不同類型的業務需要不同的QoS保證。語音、視頻等實時業務是時延敏感而分組丟失可承受的，非實時業務是分組丟失敏感而中等時延敏感的，文件傳輸等盡力而為業務是分組丟失敏感但對時延相對不敏感的。不同的網絡對不同的業務有不同的支持能力。蜂窩網絡能夠提供對實時業務的有效支持，保證其實時陛，但是數據業務的傳輸速率較低；WLAN等短距離通信網絡提供了較高的數據傳輸速率，但是對實時業務的支持有待進一步提高。目前，異構網絡融合系統中CAC算法的研究主要集中在蜂窩／WLAN融合系統中的呼叫接入控制。在基于分組交換的無線網絡中，使用跨層優化將會提高系統性能。因而，在研究異構網絡CAC算法時，應通過跨層設計來評估呼叫級(呼叫阻塞率、被迫中斷概率)和分組級的QoS性能。
端到端的QoS保證：由于異構網絡的融合是完全基于IP的，因此對于任何具有IP互連能力的通信終端來說，端到端的呼叫不僅會跨越不同所有者的網絡、采用不同接入技術，而且不同網絡的QoS支持能力與Qos控制策略可能無法在呼叫發起之前獲知。因此，在異構移動網絡中提供完善的端到端QoS保證，首先需要提供基于IP的QoS協商與聯合資源分配機制；另外，不同網絡的QoS信息應該能夠在同一體系中被表示與計算，可以引入跨層的反饋交互機制，最終實現自適應的端到端QoS保證。
異構環境下具備QoS保證的關鍵技術研究，無論是最優化異構網絡的資源，還是對接入網絡之間協同工作方式的設計，都是非常必要的，已成為異構網絡融合的重要研究內容。目前的研究主要集中在呼叫接人控制(CAC)、垂直切換、異構資源分配和網絡選擇等資源管理算法方面。傳統移動通信網絡的資源管理算法已經被廣泛研究并取得了豐碩的成果，但是在異構網絡融合系統中的資源管理由于各網絡的異構性、用戶的移動性、資源和用戶需求的多樣性及不確定性，給該課題的研究帶來了極大的挑戰。
異構網絡選擇：異構網絡選擇是指移動設備在眾多無線接入網絡中根據網絡選擇準則，選擇最優接入網絡的問題，其實質是一個最優化問題。許多研究者已經提出了網絡接入選擇算法，如隨機接入、高帶寬優先接入等。然而，這些算法只考慮用戶端或者只考慮總體網絡容量，僅適用于單用戶情形，而不適用于多用戶存在情況，并且缺乏對異構資源影響的考慮。因此，異構網絡選擇算法需要細致分析異構網絡環境中網絡選擇的需求和特點，從多層協調(物理層、鏈路層、網絡層、應用層)的思想出發研究相應的數據信息模型。由于受各異構網絡特征的影響，采用傳統的單目標決策理論，僅僅優化某一種性能指標很難找到一種完美的方案，使得在接入選擇時各用戶要求的多個目標同時達到最優。可以將該類問題看作是多目標優化的問題，從而可以引入多目標決策理論，考慮如何在有限資源的限制條件下找到一個平衡方案。亦即在作接入選擇時在多種方案的有效解之間進行權衡，找出最終的滿意解。
安全問題：同所有的網絡一樣，安全問題同樣是無線異構網絡發展過程中所必須關注的一個重要問題。異構網絡融合了各自網絡的優點，也必然會將相應缺點帶進融合網絡中。異構網絡除存在原有各自網絡所固有的安全需求外，還將面臨一系列新的安全問題，如網問安全和安全協議的無縫銜接，以及提供多樣化的新業務所帶來的新的安全需求等。例如在融合無線自組網的多跳蜂窩網絡中，允許移動終端與臨近終端通信并為其他終端轉發數據，終端在加入或離開一個子網時無需聲明，很難保證所有移動終端都按預定的協議進行操作，這些對數據的保密與安全帶來了新的安全問題。
4 結束語
隨著網絡技術的迅速發展，各網絡將經歷從隔離到互通、從互通到協同乃至融合的演進。也就是說，異構網絡融合是一個長期逐步演進的過程，當前很多研究仍處于初始階段。異構網絡資源的復雜性、網絡狀態的多樣性、各網絡的差異性等特點給異構網絡融合的設計和實現帶來了諸多問題和挑戰，涉及移動切換、網絡資源管理、呼叫接入控制、端到端QoS保證和安全問題等方面。總之，異構網絡融合前景光明、道路曲折，真正實現任何人(Whoever)在任何地方(Wherever)使用任何終端(Whatever)都可以獲得任意通信服務的目標還有很長一段路要走。
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