1.4 移动互联网网络的关键技术

移动互联网的发展如火如荼，各类相关技术也取得了不断的进步。无线接入技术、移动网络技术、移动终端技术、移动应用创新技术以及移动网络安全技术等，都是业界关注的重点方向和领域。本书试图对移动互联网的网络相关技术进行全面的介绍。

1.4.1 移动互联网网络的发展趋势

在需求牵引和技术推动的作用下，各类无线网络得到了国际标准化组织、运营商、设备制造商以及大众的广泛关注，成为发展最快、应用最广的信息技术领域之一。在任何地方自由地接入信息网络，进行体验丰富的多媒体通信是业界和用户的理想，也是广大工程技术人员不懈追求的目标。未来移动互联网络发展的主要趋势可以归结为通信速率宽带化、网络结构立体化、异构网络融合化、网络行为智能化、业务应用多样化等方面。

1.通信速率宽带化

宽带化是通信信息技术发展的重要方向之一。随着光纤传输技术以及高吞吐量网络节点的不断发展，有线网络的宽带化正在世界范围内全面展开，而无线通信技术也正在朝着宽带化的方向演进。

目前，无线移动通信速率已经从2G系统的kbit/s向3G系统的Mbit/s和4G系统的十Mbit/s、百Mbit/s发展。尽管带宽剧增了数千、数万倍，但是通信容量的提升似乎总是赶不上用户需求的变化。面对拥挤不堪的无线通信频谱，各类无线通信网络在频域、时域和空域上采取了一系列提高容量的措施，不断提升通信带宽。预期未来5G网络将提供足够的带宽和容量，满足终端对可获得速率（百Mbit/s）、峰值速率（Gbit/s）以及系统容量等的需求。

通过通信带宽的提升，5G系统能够提供更低的时延和更高的可靠性，为用户提供随时在线的体验，并满足诸如工业控制、应急通信等更多重要场景需求[41]。根据预期要求，一方面将进一步降低用户面时延和控制面时延，相对4G缩短5～10倍，达到人力反应的极限（如5ms触觉反应），并提供真正的永远在线体验；另一方面，一些关系人的生命、重大财产安全的业务，要求端到端可靠性提升到99.999%甚至100%。

2.网络结构立体化

在地面固定基础设施的基础上，通过补充和加强空基、天基通信基础设施，实现对热点地区和偏远地区的有效覆盖，提供有保障的移动通信能力，是正在发生的通信变革。相应地，对于网络发生的变化之一是网络节点将在地面节点的基础上，增加空基、天基网络节点，形成分层的立体化网络拓扑结构，各层节点分别部署在不同的物理空间，是一种在空间上多层分布的新型网络结构。图1-6 表示了一种典型的立体网络结构。

网络结构的立体化能够突破仅依托地面节点的平面型网络在传输容量、用户容量、地域覆盖和用户移动等方面的制约，建立无处不在、灵活可靠的无线网络，特别是具有稳定可靠、性能优良的骨干结构，可大幅提升移动环境下的通信覆盖范围、信息传输速率和传输可靠性，支持用户和节点的高速移动，为用户提供良好的移动服务体验，满足各种各样丰富场景的通信需求。

实现网络结构立体化的主要技术途径除了在网络结构上增加空基、天基通信节点外，还包括天空地一体化网络路由算法，天地、空地、地空等上下行传输过程中的资源调度、分配与接入控制技术，端到端可靠传输技术，移动越区切换技术以及网络容量分析与优化技术等。

3.异构网络融合化

蜂窝网、无线局域网、无线城域网、移动自组织网络、无线网状网络和空基网、天基网等各式各样无线网络并存，形成了百花齐放、百家争鸣的异构网络格局，异构性、融合性成为移动互联网网络的主要特征。为了在异构网络环境下统一提供业务，需要采用融合的方案，屏蔽网络的异构性，因此异构网络的融合是一种必然的发展趋势。从ITU提出的下一代网络（Next Generation Network，NGN）[42,43]、各大运营商广为关注的固定移动融合（Fixed Mobile Convergence，FMC），到我国提出的电信网、计算机网和有线电视网“三网融合”[44]，无不体现了这种网络融合的大趋势。

网络的融合主要体现在：核心网的融合、接入网的融合、业务的融合和终端的融合等。不同的接入网络需要协同工作，以支持用户在异构无线环境中的无线漫游。由于用户业务需求的广泛性，未来的无线通信系统必须实现多种功能的综合集成：IP业务和非IP业务的综合；话音、数据和图像等业务的综合；多MAC接入的综合；无线传输模式的综合以及服务模式的综合等。

网络融合不仅能够充分利用异构网络之间的互补优势，向用户提供丰富的业务应用和最佳的业务体验，而且将给运营商的网络部署和运营带来广阔的市场前景和巨大的市场潜力。目前，用户已经实实在在感受到、几乎每天都在接受和使用网络融合服务的典型案例，是2G、3G、4G和WLAN的融合。随着中国移动4G网络的建设，移动用户在有4G信号的地方能够享受4G高速上网服务，没有4G信号覆盖的地方自动回退到3G、2G网络；另外，在办公室或家里安装了无线路由器提供无线局域网宽带上网的手机用户，到办公室或回到家，自动切换到无线局域网免费高速上网，离开办公室或家将自动切换到手机4G、3G、2G网络，现在机场、酒店、会展中心，甚至地铁里都能提供这样的网络服务。

4.网络行为智能化

1999年，Mitola首次提出了认知无线电的概念[45,46]，引起学术界广泛关注，得到迅猛发展。一般来说，认知无线电是一种智能的无线电通信系统，它能够感知周围的电磁环境、无线信道特征、频谱政策以及用户需求，并通过推理和对以往经验的学习，自适应地调整其内部配置，优化系统性能，以适应环境和需求的变化。

随着认知无线电的发展，摩托罗拉和Virginia-Tech公司提出了认知网络的概念[47]。所谓认知网络，是一种具备智能的网络，能够感知当前网络条件并根据系统性能目标进行动态规划和配置，通过自学习和自调节，采取适当行动来满足性能目标。认知网络立足整个网络的性能和系统总体目标，涉及传输过程中的所有网络要素，包括子网、路由器、交换机、传输链路、接口、终端等。

无论是认知无线电，还是认知网络，都强调网络行为具备较强的感知学习能力、高度的智能性和灵活性。可以看出，网络行为更加智能化是一个重要的发展趋势。首先，要求网络具有较高的智能认知能力，网络能智能适应不同的使用环境，能在地形条件、部署位置、用户规模、组网方式等发生改变时，自动快速地进行适应、配置和重组，网络开通和自愈快速、高效，无需操作人员的过多干预；其次，要求网络能根据用户业务需求和网络的当前状态，自动调整网络的传输控制策略和资源调度策略，确保整个网络运行状态良好，优化资源利用；最后，要求网络能够对关键的安全和性能问题做出实时、动态的响应，实现全面、有保证的信息共享和协作决策。

行为的智能化将促使未来无线网络向自配置、自管理、自恢复的方向发展，能够在更好地实现端到端通信目标优化的同时，提高网络资源利用率。

5.业务应用多样化

手机自诞生以来，其最重要的功能是人与人的基本沟通功能。现在，随着智能手机、智能终端的广泛应用，对个人而言，其功能和形态都得到了极大地拓展。休闲、娱乐、办公、旅游、购物、支付、银行、医疗、健康、出行、智能家居控制等个人生活的方方面面，都需要手机、平板电脑和可穿戴设备等各种形态的移动终端。移动终端甚至包含了个人的信用身份等重要信息。可以说，以手机为代表的智能移动终端已经成为人们身体的一部分。

相应地，无线网络提供的服务更多地体现“以人为本”的服务特征，在强调强大服务功能的同时，为用户构建个性化业务应用，且服务质量有质的提高。对于移动通信服务的价值链，也势必在这种发展趋势下，进一步延伸与细化，并以开放式的新面貌呈现。在业务的开发方面，更多着眼于开发环境的适应与改善，并转变传统的封闭式业务开发模式，以开放的API开发模式进行优化。在无线通信网络的服务端，其服务智能化、综合化与媒体化的趋势日益明显，也就是说，未来无线服务终端的功能更加强大，特别是在多媒体视听、数据处理与无线通信的一体化等方面。

预期到2020年，移动终端将成为人们生活的信息中心，而IMT-2020（5G）和其他无线网络需要在提供宽带、可靠、安全通信连接的同时，为人们提供更丰富的业务应用，构建良性的运营生态环境。

1.4.2 移动互联网的关键技术领域

移动互联网能够为用户提供越来越丰富多彩的业务服务，与作为其基础“底座”的网络能力越来越强密切相关。移动互联网对网络的要求，从上层业务应用的角度看，一是更高的资源利用效率，充分利用空中接口资源，提升传输效率；二是对突发、时变业务流量的服务保障，确保突发、高容量数据的可靠、即时传输；三是永久在线，漫游过程时刻保持网络可用，支持可靠的即时通信，提供优良的用户体验。

移动互联网网络融合的目标，是使得任何用户在任何时间、任何地点都能获得具有端到端 QoS 保证的融合业务。在各类异构网络共存的情况下，其中组成的网络资源形式各不相同、用户业务需求的多样性以及商业运营模式不够明朗，使得移动互联网网络融合的研究仍然面临着诸多技术挑战。业界在相关领域开展了大量有益的探索和研究，取得许多积极的成果，但也还存在一些亟待解决的问题。当前移动互联网网络技术的主要研究内容如图1-7所示，主要集中在以下几个方面。

1.网络体系结构

实现有效的异构移动无线网络融合，首先需要设计异构移动互联网网络融合的体系结构与参考模型，合理定义移动互联网的协议体系和互联互通接口。目前，国内外针对移动互联网体系结构相关领域已经开展了广泛的研究，包括3G、LTE、WLAN、WiMAX、MANET、卫星、无线传感器网等异构无线网络的融合，其中，以蜂窝移动网络作为广域覆盖、WLAN作为热点嵌入的异构移动互联网网络融合技术是目前研究的热点[48]。

移动互联网网络融合体系架构是一种特殊类型的网络体系架构，特殊性主要体现在多种类型的无线手段、种类丰富的网络协议和灵活多样的业务应用。网络的异构性及其业务种类的多样性对融合的网络架构提出了更高的要求，亟需一种可以为用户提供个性化、多样化业务，支持多种异构无线网络结构和终端设备，具有高度的灵活性、开放性、兼容演进性以及安全、可管、可控等特征的异构融合网络架构。如何充分挖掘利用网络的异构特征，设计一种可以平滑演进的异构网络融合参考模型，实现业务、控制、承载和底层异构传输的分离，解决异构网络核心网融合、接入网融合、业务融合、终端融合和运维融合等问题，成为移动互联网网络融合研究的关键问题[49]。国际上ITU、3GPP、IEEE、IETF和TISPAN等多个标准化组织，以及各主流研究机构和各大公司从不同角度提出了多种网络融合的架构模型。如何从这些架构中提炼出具有普适性、适合未来发展的移动互联网融合网络架构，是本书的重点研究内容。

2.异构无线接入网络

纵观各类无线网络的发展历程和趋势，需求牵引和技术进步已经催生了蜂窝网、无线局域网、无线城域网、移动自组织网等一大批技术先进、种类各异的无线接入网络，这些网络的工作频段、多址方式、信号处理、媒体接入控制等体制各不相同，目前还在不断改进、完善、丰富和发展，这些各式各样、多代同堂的网络共存，构成了复杂的异构无线接入网络。

无线接入网涵盖从核心网的边缘路由交换节点到移动用户终端的全部功能实体，位于整个网络的边缘，主要包括用户身份认证、网络接入控制、移动性支持、接入传送、业务汇聚和QoS策略等功能。随着移动终端的大量普及以及接入技术的不断发展，无线接入系统经历了由窄带到宽带，由面向话音业务到面向数据、多媒体业务的转变。目前，主流的无线接入技术主要包括从2G到4G的蜂窝移动通信技术，WiMAX、WLAN、超宽带、蓝牙、ZigBee 等无线通信技术，移动自组织网络、无线传感器网络等新兴的无线通信技术。业务的丰富多样性和接入手段的异构性，给网络融合带来新的难题。

无线接入网研究的重点主要包括：宽带高效无线新技术、异构接入资源与统一 IP 承载的协议适配；无线资源与业务适配、汇集和QoS 策略等管理机制。无线新技术发展的动力仍然是接入带宽、接入容量、覆盖范围、对移动应用的支持能力等方面。

3.网络融合控制

移动互联网提供随时在线的用户体验，完全颠覆了用户上网的行为模式。随着移动用户的快速增加以及用户非结构化数据的急速爆炸，移动互联网中建立了大量数据中心，以适应快速增长的网络需求，并基于云计算平台为各种移动应用以及企业应用提供基础服务平台，包括通常所述的IaaS、PaaS、SaaS。因此，在移动互联网时代，网络变革思想大部分体现在数据中心的网络控制、网络功能实体实现以及应用层架构/协议，互联网本身的基础架构和网络控制没有大的变化，主要是向着IPv6迁移以及P2P技术的进一步广泛应用。

云计算是移动互联网最根本的一种商业模式，其网络融合控制主要包括SDN网络控制[50]、网络功能虚拟化（NFV）[51]、虚拟化网络等技术，以及这些基础技术和云计算管理平台[52]的结合。这些变革性的网络控制技术相互融合，构建了移动互联网云计算服务的基础设施。上述技术各自的发展、标准化、产业化以及相互之间基于RESTful API接口的标准化，是当前网络领域十分热门的技术方向。

面向服务的网络架构具有良好的扩展性[53]。基于面向服务的架构能够为用户提供统一通信服务、移动社交服务等各种网络服务。此外，随着QQ、微信等社交软件的发展，支持用户即时消息、状态呈现、数据同步等功能的网络协议也成为研究和关注的热点。

移动网络为移动用户提供接入，已经实现从2G到4G的网络建设部署和商用，并开始了5G网络的研究。随着4G网络的逐步普及，系统架构演进（System Archite-cture Evolution，SAE）架构下控制网元功能划分、参考点定义，分布式部署条件下网元选择等是网络运营的核心问题。4G网络基于全IP架构，IMS系统下业务引擎的业务环境模型及其与系统的接口是业务和控制分离的关键。此外，由于移动网络多网并存，为用户提供统一的数据融合管理，也需解决分布式架构下统一用户数据格式、开放数据接口、统一数据访问协议等问题[54,55]。

4.移动性管理

移动互联网中的移动性管理主要包括两个方面：一方面是用户移动时，网络接入链路发生切换甚至互联网接入点发生切换时，维持移动节点与网络之间的连接，从而保证用户业务的连续性；另一个方面则是移动互联网基于用户位置管理衍生出的多种商业模式，以及千变万化的、和用户位置相关的移动应用。移动性管理技术贯穿网络各个层次，涉及移动终端、无线接入网络物理层、链路层、网络层、移动管理策略以及上层应用系统等各个层面。

由于新一代移动网络业务基于全 IP 层承载，甚至话音业务也在移动软件QQ、易信等上实现，故基于IP网络层的移动解决方案是最为通用的方案，上层应用无需感知用户移动。PM IPv6、DSM IPv6等移动IP协议能够解决IP移动性及业务无缝切换，但是也需要在移动网络建设中将其功能逻辑分配到对应的网元中，并需优化用户移动切换时延。此外，基于安全性因素，名址分离、标识分离等技术也是网络层研究的热点方向之一，用以综合解决移动相关的安全、路由问题[56]。

在多重覆盖异构无线网络中，如何根据用户使用偏好以及运营商网络策略，实现用户接入网络选择及切换，达到用户满意度和网络资源优化的平衡，是业界普遍关心的热点问题。这部分研究内容包括异构无线网络间业务垂直切换技术，多种异构网络参数的切换算法，以及从网络角度设计的高灵活性、低复杂度网络结构和移动综合策略管理等[57]。

用户位置管理主要涉及用户定位和后台移动应用。如何提升用户定位精度是用户定位研究的重点技术，包括差分GNSS、TDOA等[58]。基于位置的移动应用则是互联网巨头和移动运营商长期关注的热点，对应技术涉及终端定位支持、LBS服务平台、地理信息系统（GIS）以及关于生活、服务、交通等多方面的大数据管理[59]。

5.服务质量保障

服务质量是从用户体验角度来反映网络业务支持能力的一系列特征指标，能够在一定程度上反映用户对所获得服务的满意程度。提供业务 QoS保证就是釆用适当的措施满足与各类用户达成的不同服务等级协定，同时对各类 QoS参数（如业务可用性、时延、时延抖动、吞吐量、分组丢失率等）进行权衡和优化[60,61]。

业务端到端QoS保障研究是近年来的研究热点，特别是在移动互联网的异构无线接入环境下，如何保障跨网跨域业务的端到端服务质量，始终是一个重要的研究方向。在移动互联网中，不同类型的业务对网络性能的要求不完全一致，而不同网络的服务方式和性能也差别较大。以业务需求为中心，协调利用异构网络资源，共同提供一致的、具有服务质量保证的端到端业务，已成为移动互联网业务支持中的首要任务。同时，随着人们个性化服务需求的不断增加，异构网络融合所带来的业务QoS跨网支持问题，不同网络QoS信息在同一体系中的表示与计算问题，都将变得更加复杂。因此，移动互联网异构网络环境下端到端的QoS保证，无论是对异构网络资源的最优化利用，还是对接入网络之间协同工作方式的设计，都极为重要。在此背景下，如何在移动互联网中保证用户业务跨网、跨域端到端 QoS的研究尚待深入。目前的研究主要集中在异构 QoS 保障体系、跨层QoS协议、呼叫接纳控制（Call Admission Control，CAC）、垂直切换、异构资源分配和网络选择等方面[62,63]。

6.网络融合管理

传统网络管理技术重点解决同构网络的规划部署、状态监控和运维优化等问题。随着通信和计算机技术的不断发展，ISO、IETF和ITU-T 分别提出了各自的网络管理体系架构和协议模型，在企业网、互联网和运营商网络的运维管理中得到了广泛应用[64]。在移动互联网的异构接入环境中，多种架构、技术体制的通信网络共存，用户可通过多种手段接入网络，并支持用户在多个网系间的移动和业务的漫游切换。由于异构接入环境中的各接入手段分别针对特定业务、用户或覆盖范围独立设计，在业务能力和技术架构方面既存在差异，又互为补充，为用户提供选择性和此断彼通的健壮性。从技术发展看，很难通过单一网络技术全面满足网系的覆盖、时延、传输速率、成本等各种需求。因此，在移动互联网的异构网络环境下，需要研究对网络资源进行统筹管理的融合管理技术，解决不同架构通信系统共存时的规划、部署、监控和运维问题，包括支持多种接入技术的频率规划、容量规划、初始配置、接入状态监控、优选切换、无线资源管理、接入策略管理、融合业务管理等。通过对异构网络资源的融合管理，对上屏蔽各接入网络的异构性，实现网络资源优化配置和用户业务的不间断持续支持，降低运维成本，保障移动互联网异构接入环境下用户体验的一致性[65]。

此外，移动互联网络的安全也是当前的热点问题，特别是认证、授权和计费（Authentication，Authorization，Accounting，AAA），是用户在异构无线通信环境中实现安全接入的基本前提，这类问题超出了本书的内容范畴，感兴趣的读者可参阅参考文献[66,67]。