物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)性管理關(guān)鍵技術(shù)

柴 蓉，冉麗麗，陳前斌

(重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)性管理關(guān)鍵技術(shù)

柴 蓉，冉麗麗，陳前斌

(重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，其相關(guān)研究及應(yīng)用已引起國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)及業(yè)界的高度關(guān)注。典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如智能交通、遠(yuǎn)程目標(biāo)監(jiān)控、智能家居等均存在終端設(shè)備獨(dú)立或群組移動(dòng)的應(yīng)用場景。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中智能終端異構(gòu)、高混雜;接入網(wǎng)絡(luò)多元化、動(dòng)態(tài)融合;用戶業(yè)務(wù)豐富多樣等特征，對傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，特別是移動(dòng)性管理技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。對物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)性管理體系架構(gòu)、移動(dòng)性管理協(xié)議以及相關(guān)控制機(jī)制的研究基礎(chǔ)及現(xiàn)狀，面臨的困難及挑戰(zhàn)，以及未來研究方向進(jìn)行闡述。

物聯(lián)網(wǎng)(IoT);移動(dòng)性管理;體系架構(gòu);協(xié)議;控制機(jī)制

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)的基本含義是：通過射頻識別(radio frequency identification，RFID)、紅外感應(yīng)器、傳感器等信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的典型特征為網(wǎng)絡(luò)邊緣發(fā)生較大變化，越來越多的智能設(shè)備將出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)邊緣，通過多種有線或無線方式互聯(lián)，這些設(shè)備包括各種傳感器設(shè)備、車載設(shè)備、可穿戴設(shè)備、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)終端、智能家電等。

圖1所示為物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)圖，由應(yīng)用層的各類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)層的IP核心網(wǎng)及有線/無線接入網(wǎng)，感知層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，WSN)及嵌入RFID或WSN切點(diǎn)的智能終端設(shè)備等組成。典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如智能交通、智能家居、遠(yuǎn)程目標(biāo)監(jiān)控等均存在終端設(shè)備獨(dú)立或群組移動(dòng)的應(yīng)用場景。終端設(shè)備移動(dòng)過程中可能跨異構(gòu)的接入網(wǎng)絡(luò)，包括蜂窩移動(dòng)網(wǎng)、無線局域網(wǎng)(wireless local area network，WLAN)、Internet、家庭網(wǎng)、WSN以及Ad hoc網(wǎng)絡(luò)等。為了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端在異構(gòu)融合子網(wǎng)間的漫游，并保證移動(dòng)過程中的業(yè)務(wù)連續(xù)性，需對物聯(lián)網(wǎng)終端的移動(dòng)性及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行有效管理?，F(xiàn)有移動(dòng)性管理技術(shù)主要針對IP網(wǎng)絡(luò)及傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，而物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境的異構(gòu)融合、終端的混雜多樣、業(yè)務(wù)需求的多樣化等特性給現(xiàn)有移動(dòng)性管理技術(shù)，特別是移動(dòng)性管理架構(gòu)、協(xié)議及相關(guān)機(jī)制均帶來新的挑戰(zhàn)［1］。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)Fig.1 System architecture of IoT

本文從物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)性管理體系架構(gòu)、移動(dòng)性管理協(xié)議以及相關(guān)控制機(jī)制三方面對物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)性管理面臨的挑戰(zhàn)、研究基礎(chǔ)及現(xiàn)狀、未來研究方向進(jìn)行闡述。

1 物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)性管理體系架構(gòu)

針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用泛在、異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)融合場景，需設(shè)計(jì)優(yōu)化的、面向演進(jìn)的融合網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，支持移動(dòng)終端的無縫漫游及網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合資源優(yōu)化，并提供滿足應(yīng)用QoS需求的各類業(yè)務(wù)保障，本節(jié)針對泛在、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的移動(dòng)性管理體系架構(gòu)的研究現(xiàn)狀、面臨挑戰(zhàn)及下一步主要研究問題進(jìn)行分析研討。

1.1 研究現(xiàn)狀

近年來，針對未來通信網(wǎng)絡(luò)泛在、異構(gòu)環(huán)境下的用戶接入及移動(dòng)性管理問題已得到國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)化組織的重視。歐盟第六框架計(jì)劃信息通信領(lǐng)域的環(huán)境網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目(ambient network，AN)［2］旨在設(shè)計(jì)一種革新的、工業(yè)可利用的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，采用環(huán)境控制平面(ambient control space，ACS)來支持動(dòng)態(tài)的、分布式的、自管理和自維護(hù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合，用戶的移動(dòng)性功能由 ACS中的移動(dòng)性管理(mobility management)功能模塊實(shí)現(xiàn)，支持用戶移動(dòng)過程中無縫地、優(yōu)化地自我調(diào)整以改變物理或邏輯上的連接。歐盟于2004年1月啟動(dòng)的WINNER項(xiàng)目［3］，全稱是“無線世界的新無線電技術(shù)(wireless world initiative new radio)”。該項(xiàng)目目標(biāo)是研究開發(fā)一個(gè)“無處不在的無線網(wǎng)絡(luò)”，通過采用基于通用無線資源管理(radio resource management，RRM)的協(xié)作體系結(jié)構(gòu)，支持不同無線接入網(wǎng)間無縫、高效交互以及終端在各網(wǎng)間的無縫移動(dòng)性。3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織于2004年正式成立了系統(tǒng)演進(jìn)架構(gòu)(system architecture evolution，SAE)研究小組［4］。目前的研究中，SAE的基本框架結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定。該架構(gòu)中引入錨點(diǎn)功能實(shí)體，通過移動(dòng)性管理實(shí)體(mobile management equipment，MME)與SAE錨點(diǎn)的共同作用，實(shí)現(xiàn)各種3GPP與非3GPP網(wǎng)絡(luò)的融合。針對WLAN與蜂窩網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)融合場景，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織(ETSI)制定了松耦合及緊耦合兩種網(wǎng)絡(luò)互連模式［5］。

近年來也有較多研究工作考慮異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以及多網(wǎng)融合場景下用戶的無線資源管理、移動(dòng)性管理等技術(shù)?；贓TSI制定的網(wǎng)絡(luò)耦合模式，文獻(xiàn)［6］提出松耦合模式下無線接入系統(tǒng)間融合架構(gòu)(integrated intersystem architecture，IISA))，探討WLAN與多類蜂窩網(wǎng)絡(luò)融合的具體解決方案，從而為移動(dòng)用戶提供泛在或始終最佳的連接。文獻(xiàn)［7］基于緊耦合模式提出了WiMAX和3G的融合架構(gòu)。針對未來網(wǎng)絡(luò)在接入技術(shù)、終端技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和業(yè)務(wù)平臺方面的異構(gòu)性及多樣性特征，文獻(xiàn)［8］提出了移動(dòng)泛在環(huán)境(mobilityubiquitous service environment，MUSE)概念，以向個(gè)人提供始終最佳業(yè)務(wù)體驗(yàn)為目標(biāo)，支持移動(dòng)通信與泛在網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同與融合，文章介紹了MUSE的產(chǎn)生背景及未來MUSE發(fā)展的遠(yuǎn)景模型。基于此模型，文獻(xiàn)［9］研究MUSE模型中業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)原則，提出業(yè)務(wù)平臺體系架構(gòu)，支持業(yè)務(wù)的接入，并對業(yè)務(wù)生命周期進(jìn)行管理，完成對業(yè)務(wù)的生成、部署、執(zhí)行的監(jiān)控及管理。文獻(xiàn)［10］給出MUSE模型中的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，討論網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)原則，以分布式系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，研究面向多種接人技術(shù)、多種終端能力、多種業(yè)務(wù)需求并發(fā)的MUSE環(huán)境網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)理論;在資源分配方面，MUSE以可控可管的方式高效地利用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)資源分配功能實(shí)體之問的協(xié)同工作機(jī)制。在異構(gòu)的核心網(wǎng)和接入網(wǎng)之間無縫的連接性、可控性基礎(chǔ)上，研究MUSE中的協(xié)同控制機(jī)制和方法，主要包括針對MUSE智能終端的移動(dòng)管理，以提供漫游管理、切換管理、尋呼管理等功能在內(nèi)的通用移動(dòng)性管理功能。

以上研究主要側(cè)重異構(gòu)、泛在網(wǎng)絡(luò)協(xié)同融合場景下的通用架構(gòu)及關(guān)鍵機(jī)制，目前已有一些研究針對物聯(lián)網(wǎng)/泛在網(wǎng)各類典型應(yīng)用場景，設(shè)計(jì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)及終端融合架構(gòu)。如文獻(xiàn)［11］提出基于虛擬覆蓋網(wǎng)的異構(gòu)終端融合架構(gòu)，支持智能家居中各類固定/移動(dòng)終端的P2P操作及互連互通，但該架構(gòu)未能實(shí)現(xiàn)對智能終端的移動(dòng)性管理及對接入網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合資源的有效管理。文獻(xiàn)［12］針對個(gè)人泛在環(huán)境中移動(dòng)終端業(yè)務(wù)需求，提出基于統(tǒng)一位置服務(wù)器的移動(dòng)性管理架構(gòu)，該方案雖然能夠管理用戶終端的移動(dòng)性，但服務(wù)器與設(shè)備交互引入的額外信令開銷，以及與現(xiàn)有移動(dòng)性管理方案不兼容等問題均有待解決。針對遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能交通等典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對多媒體業(yè)務(wù)流的傳輸需求，文獻(xiàn)［13］提出融合WSN及IP多媒體子系統(tǒng)(IP multimedia subsystem，IMS)的系統(tǒng)架構(gòu)，引入WSN/IMS網(wǎng)關(guān)作為網(wǎng)絡(luò)融合單元，擴(kuò)展業(yè)務(wù)服務(wù)器作為核心網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容信息管理節(jié)點(diǎn)。

1.2 面臨挑戰(zhàn)

現(xiàn)有的移動(dòng)性管理體系架構(gòu)，大多基于異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，所考慮網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及終端特性較為簡單，僅支持有限的功能集合或特定環(huán)境的性能優(yōu)化，在物聯(lián)網(wǎng)各類應(yīng)用融合網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)化、多元化，終端特性的異構(gòu)多元化、業(yè)務(wù)特性的豐富多樣化趨勢下，如何綜合各類具體應(yīng)用場景中接入網(wǎng)絡(luò)管理支持能力及用戶終端自主感知、配置及管理能力差異，有效支持控制網(wǎng)絡(luò)集中管理及用戶終端自主分布管理的有機(jī)協(xié)作，并實(shí)現(xiàn)架構(gòu)開放性、可擴(kuò)展性與系統(tǒng)復(fù)雜性的折中，設(shè)計(jì)出面向演進(jìn)的、開放通用的物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)性管理架構(gòu)，仍是亟待研究的重要課題。

1.3 主要研究內(nèi)容

物聯(lián)網(wǎng)感知層及網(wǎng)絡(luò)層各類接入技術(shù)在功能、性能、業(yè)務(wù)支持及終端移動(dòng)性支持等方面均存在較大差異，各類技術(shù)所采用的移動(dòng)性管理協(xié)議、機(jī)制也存在較大不同，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用要求在支持開放互連和自組織、自管理的原則下，以接入網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)融合、終端高混雜、業(yè)務(wù)豐富多樣等特征為出發(fā)點(diǎn)，建立支持終端受限及規(guī)模接入、無縫融合、面向演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)性管理體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有及未來的多種有線、無線接入技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)管理方案的修訂與整合，支持控制管理網(wǎng)絡(luò)的自主性及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的高效協(xié)作。架構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面。

1)網(wǎng)絡(luò)側(cè)與終端側(cè)移動(dòng)性管理功能劃分。

針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中異構(gòu)子網(wǎng)、終端、用戶業(yè)務(wù)的復(fù)雜特性，結(jié)合各類應(yīng)用具體需求，明確合理、高效的物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)性管理架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)側(cè)與終端側(cè)功能劃分，確定接入網(wǎng)絡(luò)及智能終端在接入網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測內(nèi)容、范圍及信息傳輸;接入目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)選擇的評估機(jī)制、方案確定及判決實(shí)現(xiàn);切換執(zhí)行過程中終端與切換源、目的網(wǎng)絡(luò)在信令交互、終端接入、資源管理、位置管理、QoS保障等方面的具體功能劃分。

2)網(wǎng)絡(luò)側(cè)移動(dòng)性管理功能增強(qiáng)。

針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的泛在性、差異性等特點(diǎn)，通過對移動(dòng)性管理架構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)側(cè)功能實(shí)體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對用戶應(yīng)用及業(yè)務(wù)特性透明，支持終端在水平方向感知層、網(wǎng)絡(luò)層接入技術(shù)之間及垂直方向感知層與網(wǎng)絡(luò)層之間遷移時(shí)，能自適應(yīng)、智能地確定接入網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、接入技術(shù)選擇、網(wǎng)絡(luò)資源分配及終端切換執(zhí)行方案。所設(shè)計(jì)移動(dòng)性管理架構(gòu)還應(yīng)支持網(wǎng)絡(luò)側(cè)各接入子網(wǎng)無線資源的聯(lián)合優(yōu)化及管理、網(wǎng)絡(luò)與終端的有效協(xié)作，在滿足終端各項(xiàng)應(yīng)用功能限定的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)終端的無縫移動(dòng)與接入網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)支持的聯(lián)合性能優(yōu)化。在架構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)充分體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與終端協(xié)作，無線資源管理與移動(dòng)性管理相結(jié)合的思想。

3)終端功能實(shí)體的增強(qiáng)及特定接入設(shè)備的設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)WSN的應(yīng)用通常限定于局域信息的收集及處理，終端的接入及遷徙也局限于同類接入技術(shù)之間，如采用Zigbee協(xié)議的多個(gè)WSN子網(wǎng)之間，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將信息傳輸?shù)姆秶鷶U(kuò)展至廣域，WSN節(jié)點(diǎn)收集到的信息可通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)，WLAN，Internet等承載網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程，這就要求傳感器節(jié)點(diǎn)及其他物聯(lián)網(wǎng)智能終端在功能性能上能夠支持多類接入技術(shù)的融合。另一方面，也可通過引入特定接入設(shè)備，如融合多類接入技術(shù)的多功能智能網(wǎng)關(guān)、提供中繼及網(wǎng)關(guān)功能的固定/移動(dòng)中繼接入設(shè)備，以支持物聯(lián)網(wǎng)感知層終端接入各承載網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層接入對感知層技術(shù)的透明。通用化、面向應(yīng)用透明的網(wǎng)關(guān)/中繼設(shè)備的設(shè)計(jì)，網(wǎng)關(guān)/中繼設(shè)備與智能終端在信息傳輸、處理、感知層協(xié)議封裝等方面的功能劃分，及與承載網(wǎng)絡(luò)在接入控制、終端及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測、終端/網(wǎng)絡(luò)資源管理、切換信令交互等功能上的明確與劃分，網(wǎng)關(guān)在移動(dòng)性管理架構(gòu)中的具體部署及實(shí)現(xiàn)等等均需深入研究。

2 物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)性管理協(xié)議

移動(dòng)性管理協(xié)議通過定義終端移動(dòng)性管理機(jī)制、移動(dòng)終端與系統(tǒng)移動(dòng)性管理功能實(shí)體之間的信息交互機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對移動(dòng)終端的認(rèn)證授權(quán)、信息/狀態(tài)管理及切換控制等功能。本節(jié)在總結(jié)現(xiàn)有移動(dòng)性管理協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求的移動(dòng)性管理協(xié)議的主要研究內(nèi)容。

2.1 研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有移動(dòng)性管理協(xié)議主要包括移動(dòng)IP(mobile IP，MIP)、流控制傳輸協(xié)議(stream control transmission protocol，SCTP)及會話初始協(xié)議(session initiation protocol，SIP)，分別對應(yīng)開放系統(tǒng)互連(open system interconnection，OSI)7層體系結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層及應(yīng)用層。MIP技術(shù)的基本思想是漫游至外地網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)終端實(shí)時(shí)更新其在家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)中家鄉(xiāng)代理處的位置綁定關(guān)系，通過家鄉(xiāng)代理對用戶進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶的信息可達(dá)。與SCTP及SIP協(xié)議相比，MIP技術(shù)［14-15］因其較強(qiáng)的可實(shí)現(xiàn)性及更優(yōu)的協(xié)議性能而受到更為廣泛的關(guān)注。盡管MIP是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間終端移動(dòng)性管理的可選方案，但協(xié)議綁定過程復(fù)雜、IP地址的身份及位置雙重標(biāo)識等內(nèi)在缺陷導(dǎo)致切換時(shí)延較長、切換過程丟包率較高等問題難以得到有效解決［16］。

基于名址分離的主機(jī)標(biāo)識協(xié)議(host identity protocol，HIP)的提出可有效解決MIP中IP地址雙重身份導(dǎo)致的協(xié)議性能缺陷，支持主機(jī)移動(dòng)性及多主連接，增強(qiáng)主機(jī)通信安全性［17-18］。HIP通過為每個(gè)通信主機(jī)賦予一個(gè)全局唯一的主機(jī)標(biāo)識符(host identity，HI)，與主機(jī)的當(dāng)前IP地址動(dòng)態(tài)綁定，實(shí)現(xiàn)主機(jī)移動(dòng)對應(yīng)用層和傳輸層的連接透明。近年來已有不少研究考慮將HIP應(yīng)用于同構(gòu)/異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性管理。文獻(xiàn)［19-20］研究基于HIP的IP網(wǎng)絡(luò)微移動(dòng)性管理機(jī)制，通過引入本地匯聚服務(wù)器(reservoir server，RvS)實(shí)現(xiàn)對本地主機(jī)信息的管理，文獻(xiàn)［21］研究異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中基于HIP的移動(dòng)性管理機(jī)制，給出了具體實(shí)現(xiàn)方式及信令流程。

針對終端群組移動(dòng)場景，IETF成立了網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性工作組(network mobility，NEMO)，研究移動(dòng)子網(wǎng)作為整體在接入網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)變換接入路由器時(shí)的移動(dòng)管理及路由可達(dá)性問題，并制訂了NEMO協(xié)議［22］。目前針對NEMO協(xié)議的研究主要集中在對基本NEMO及嵌套式移動(dòng)子網(wǎng)的功能及性能增強(qiáng)，包括 NEMO的路由優(yōu)化方案［23-24］，切換機(jī)制改進(jìn)［25］等。近年來，針對物聯(lián)網(wǎng)及WSN中節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立及群組移動(dòng)性管理已引起廣泛關(guān)注，文獻(xiàn)［26］通過優(yōu)化設(shè)計(jì)WSN中Sink節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特性及路由機(jī)制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的最大化，文獻(xiàn)［27］通過移動(dòng)WSN節(jié)點(diǎn)與靜態(tài)WSN節(jié)點(diǎn)的合作，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)檢測性能的提升，文獻(xiàn)［28］分析了WSN中的多種節(jié)點(diǎn)移動(dòng)場景，并提出WSN中使用MIP及NEMO協(xié)議進(jìn)行移動(dòng)性管理的思想。

2.2 面臨挑戰(zhàn)

HIP協(xié)議及其與MIP的結(jié)合是解決物聯(lián)網(wǎng)終端移動(dòng)性管理的有效協(xié)議，但如何針對各類應(yīng)用特定移動(dòng)場景，包括廣域及局域移動(dòng)、終端獨(dú)立及群組移動(dòng)，結(jié)合應(yīng)用對系統(tǒng)帶寬、連接時(shí)延等參數(shù)的QoS需求，優(yōu)化設(shè)計(jì)終端命名與尋址架構(gòu)、終端位置更新及管理方案，折中考慮協(xié)議性能及信令開銷，實(shí)現(xiàn)HIP的優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能增強(qiáng)還有待深入研究。

文獻(xiàn)［26-28］的研究將傳統(tǒng)靜態(tài)WSN的應(yīng)用擴(kuò)展至動(dòng)態(tài)，并提出了將MIP及NEMO機(jī)制的應(yīng)用從傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展至WSN中的基本思路，但較之典型WSN應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中終端類型繁多，終端特性不一，終端獨(dú)立及群組移動(dòng)建模更為復(fù)雜，接入技術(shù)種類多樣導(dǎo)致終端移動(dòng)場景更為多樣化，移動(dòng)性管理更為復(fù)雜，如何針對具體應(yīng)用特性，設(shè)計(jì)優(yōu)化的物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)性管理協(xié)議是一個(gè)重要且具有挑戰(zhàn)性的問題。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用種類多樣，各類業(yè)務(wù)的QoS要求各異，部分業(yè)務(wù)如智能交通、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程目標(biāo)監(jiān)控等對信息的傳輸時(shí)延及可靠性均提出較高要求;終端移動(dòng)模型方面，除了終端獨(dú)立移動(dòng)外，還存在大量終端群組移動(dòng)場景，如智能交通、智能家居等應(yīng)用中部署在交通工具內(nèi)的各類終端，部署在家居設(shè)備上的傳感器節(jié)點(diǎn)等，以上特性均對現(xiàn)有移動(dòng)性支持協(xié)議提出新的挑戰(zhàn)，亟需開發(fā)新型滿足物聯(lián)網(wǎng)多類業(yè)務(wù)需求、多種終端移動(dòng)特性的移動(dòng)性管理協(xié)議。

2.3 主要研究內(nèi)容

物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)性管理協(xié)議研究方面，應(yīng)針對各類典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，設(shè)計(jì)支持物聯(lián)網(wǎng)感知層與網(wǎng)絡(luò)層各類接入技術(shù)互連互通、互操作，終端無縫融合的移動(dòng)性管理協(xié)議，同時(shí)兼顧不同類型信令協(xié)議之間的集成優(yōu)化，以降低網(wǎng)絡(luò)的信令傳輸代價(jià)，提高物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)性管理綜合性能，具體包括以下三方面的研究：

1)支持各類物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議平臺連接互通的移動(dòng)性管理協(xié)議。

研究支持 Zigbee，6LoWPAN，BlueTooth，WiFi、蜂窩技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)平臺之間的互連互通，及在此基礎(chǔ)之上的信息交互、聯(lián)合資源管理及安全可靠訪問機(jī)制，研究存在基礎(chǔ)設(shè)施及自組織兩種感知層工作模式下，支持協(xié)議平臺互通、互操作技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)性管理協(xié)議。

2)支持物聯(lián)網(wǎng)終端標(biāo)識符與定位符相分離的移動(dòng)性管理協(xié)議。

研究基于智能終端標(biāo)識和定位符分離的新型命名架構(gòu)及高效的終端標(biāo)識符與定位符之間的映射機(jī)制，探討可擴(kuò)展的終端設(shè)備命名方法及尋址架構(gòu)、終端位置更新及管理方案，針對物聯(lián)網(wǎng)終端多樣化、智能化、多?；匦约敖K端多主連接、終端獨(dú)立/群組移動(dòng)等應(yīng)用需求，研究基于智能終端標(biāo)識和定位符分離的新型物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)性管理協(xié)議。

3)物聯(lián)網(wǎng)群組移動(dòng)性管理協(xié)議。

研究不同物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景下終端群組移動(dòng)特性，建立物聯(lián)網(wǎng)群組移動(dòng)理論模型，分析群組移動(dòng)特性對系統(tǒng)移動(dòng)性管理及無線資源管理相關(guān)協(xié)議性能的影響。針對不同物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用特性及終端群組移動(dòng)特性，如智能交通應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖賱?dòng)態(tài)變化導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的頻繁拆分及融合、群組內(nèi)的位置更新及拓?fù)渥兓?智能家居應(yīng)用中終端局域移動(dòng)、能耗及信令開銷受限等;以及部分物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對傳輸時(shí)延、系統(tǒng)帶寬的特殊要求，研究各類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用終端群組移動(dòng)性管理的共性及個(gè)性需求，設(shè)計(jì)支持共性需求的物聯(lián)網(wǎng)群移動(dòng)性管理協(xié)議框架，并針對不同應(yīng)用的個(gè)性需求，設(shè)計(jì)滿足特定應(yīng)用需求的，優(yōu)化的物聯(lián)網(wǎng)群組移動(dòng)性管理擴(kuò)展協(xié)議。

3 物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)性管理控制機(jī)制

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中智能終端的混雜多樣性、接入網(wǎng)絡(luò)的泛在、異構(gòu)性以及應(yīng)用需求的復(fù)雜多樣性，要求終端在多個(gè)候選接入網(wǎng)絡(luò)中按照優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)選擇機(jī)制選擇目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信連接;對于正在進(jìn)行通信業(yè)務(wù)的終端，因終端移動(dòng)性、接入網(wǎng)絡(luò)功能、性能差異，導(dǎo)致用戶可能需要在異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)間執(zhí)行切換，即垂直切換，以保持業(yè)務(wù)的連續(xù)性，或提升QoS性能。如何綜合終端、網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)特性，設(shè)計(jì)優(yōu)化的垂直切換觸發(fā)機(jī)制及切換決策機(jī)制，是泛在、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理的重要研究內(nèi)容，也是決定用戶無縫業(yè)務(wù)支持的關(guān)鍵。本節(jié)將對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的垂直切換及網(wǎng)絡(luò)選擇機(jī)制的研究現(xiàn)狀、面臨挑戰(zhàn)及下一步主要研究內(nèi)容進(jìn)行闡述。

3.1 研究現(xiàn)狀

近年來，針對蜂窩網(wǎng)與WLAN融合場景下垂直切換機(jī)制的相關(guān)研究較多，文獻(xiàn)［29］提出預(yù)測接收信號強(qiáng)度以減少不必要的切換，采用基于跨層優(yōu)化的自適應(yīng)垂直切換觸發(fā)判決機(jī)制，從而增加了資源利用率，降低了連接中斷率。文獻(xiàn)［30-31］分別基于Markov決策過程及模糊邏輯(fuzzy logic)實(shí)現(xiàn)切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化選擇，文獻(xiàn)［32］中根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡的思想，提出選擇負(fù)載較輕的網(wǎng)絡(luò)作為垂直切換的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò);文獻(xiàn)［33］采用代價(jià)函數(shù)法設(shè)計(jì)垂直切換機(jī)制，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬，連接延時(shí)，用戶接收信號強(qiáng)度及用戶費(fèi)用等性能指標(biāo)設(shè)定目標(biāo)代價(jià)函數(shù)，通過優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)確定垂直切換的必要性及最佳切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)［34］提出基于業(yè)務(wù)歷史信息的QoS可感知的垂直切換技術(shù)。

目前已有文獻(xiàn)針對物聯(lián)網(wǎng)特定應(yīng)用中移動(dòng)終端的切換機(jī)制進(jìn)行研究，如文獻(xiàn)［35］針對智能交通應(yīng)用中車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施之間通信時(shí)的切換場景，提出基于車輛位置信息的自主預(yù)先切換機(jī)制，以降低切換時(shí)延，滿足智能交通安全應(yīng)用需求。文獻(xiàn)［36］針對隨機(jī)間距的路邊基礎(chǔ)設(shè)施場景，研究移動(dòng)車輛的網(wǎng)絡(luò)選擇及切換機(jī)制，并證實(shí)蜂窩網(wǎng)絡(luò)與WLAN的有機(jī)融合，并結(jié)合Ad hoc聯(lián)網(wǎng)方式，可獲得優(yōu)化的切換性能。文獻(xiàn)［37］研究遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用中監(jiān)控病人信息的WSN節(jié)點(diǎn)的切換及信息傳輸性能，提出以可穿戴WSN作為底層網(wǎng)絡(luò)，傳感器協(xié)調(diào)設(shè)備及固定接入點(diǎn)聯(lián)合組網(wǎng)作為上層網(wǎng)絡(luò)的兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并通過引入臨時(shí)中繼裝置優(yōu)化鏈路性能，改進(jìn)WSN節(jié)點(diǎn)切換性能。

3.2 面臨挑戰(zhàn)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中接入網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜多樣，終端移動(dòng)場景更為多樣化，終端種類繁多、特性多樣，各類應(yīng)用的QoS需求不同，終端獨(dú)立及群組移動(dòng)建模也將更為復(fù)雜，現(xiàn)有切換觸發(fā)、切換判決及接入網(wǎng)絡(luò)選擇等機(jī)制主要針對蜂窩網(wǎng)絡(luò)、WLAN等典型接入網(wǎng)絡(luò)融合場景設(shè)計(jì)，雖有研究針對特定物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提出了終端切換機(jī)制或切換性能改進(jìn)方案，但如何針對不同應(yīng)用場景的具體應(yīng)用特性及終端功能性能特征，考慮物聯(lián)網(wǎng)終端移動(dòng)特性及應(yīng)用特定的QoS需求，如連接時(shí)延、系統(tǒng)帶寬等，以及終端特性如能耗、信令開銷嚴(yán)格受限等，基于終端與網(wǎng)絡(luò)的高效協(xié)作，實(shí)現(xiàn)無線資源管理及移動(dòng)性管理的有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)智能的、支持終端異構(gòu)混雜、面向業(yè)務(wù)透明的物聯(lián)網(wǎng)智能終端切換機(jī)制仍是一個(gè)重要及具有挑戰(zhàn)性的問題。

3.3 主要研究問題

設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)終端移動(dòng)性管理關(guān)鍵機(jī)制，需針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用接入網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)融合、終端高混雜、業(yè)務(wù)豐富多樣等特性，建立面向業(yè)務(wù)類型及終端特性的切換觸發(fā)機(jī)制。需研究物聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)、高混雜環(huán)境下的用戶和系統(tǒng)性能評價(jià)體系，在兼顧用戶側(cè)最優(yōu)與網(wǎng)絡(luò)收益最大化原則基礎(chǔ)上，聯(lián)合無線資源管理及上下文感知等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)高效能的快速無縫切換判決機(jī)制及網(wǎng)絡(luò)選擇機(jī)制。針對物聯(lián)網(wǎng)群移動(dòng)場景，需綜合考慮物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中接入網(wǎng)絡(luò)、智能終端及用戶業(yè)務(wù)特性，設(shè)計(jì)優(yōu)化的物聯(lián)網(wǎng)群組移動(dòng)性管理機(jī)制。

1)物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)終端切換觸發(fā)機(jī)制。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用種類繁多，各類應(yīng)用在傳輸速率、連接時(shí)延、丟包率等特性參數(shù)上存在不同要求，另一方面，各類物聯(lián)網(wǎng)終端在功能、性能上差異較大，相應(yīng)地，其網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測、信息處理及切換執(zhí)行能力各異，因此，需綜合考慮高層業(yè)務(wù)特性、網(wǎng)絡(luò)層狀態(tài)信息及感知層終端特性，研究面向業(yè)務(wù)類型及終端特性，動(dòng)態(tài)的、自適應(yīng)的切換觸發(fā)機(jī)制。同時(shí)，針對終端規(guī)模接入的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，還需基于終端及業(yè)務(wù)優(yōu)先級要求，確定具有不同優(yōu)先級，不同有效時(shí)間的切換觸發(fā)機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)無縫切換控制。

2)物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)終端切換判決機(jī)制。

針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用多變的異構(gòu)環(huán)境，復(fù)雜多樣的應(yīng)用需求，需分析不同應(yīng)用場景下的切換功能及性能需求，研究合理的用戶和系統(tǒng)性能評價(jià)體系，基于應(yīng)用需求特性、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息以及終端特性信息，確定各類用戶及應(yīng)用參數(shù)對切換性能的影響，并綜合切換性能以及算法復(fù)雜度，設(shè)計(jì)智能切換決策及接入網(wǎng)絡(luò)選擇算法，以滿足不同業(yè)務(wù)的QoS需求，獲取最佳網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

3)物聯(lián)網(wǎng)終端群移動(dòng)性管理機(jī)制。

針對不同群移動(dòng)模式，應(yīng)綜合考慮物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中接入網(wǎng)絡(luò)及智能終端特性，設(shè)計(jì)滿足用戶業(yè)務(wù)需求的、結(jié)合無線資源管理及上下文感知與適配等關(guān)鍵技術(shù)的、優(yōu)化的物聯(lián)網(wǎng)群移動(dòng)性管理機(jī)制，包括群組建立及維護(hù)、群終端接入網(wǎng)絡(luò)選擇、群組無縫切換及群內(nèi)路由選擇機(jī)制等。

4 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中接入網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)融合、終端特性繁雜、業(yè)務(wù)特性豐富多樣給現(xiàn)有的移動(dòng)性管理技術(shù)，特別是移動(dòng)性管理架構(gòu)、協(xié)議及相關(guān)機(jī)制均帶來新的挑戰(zhàn)。本文從物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)性管理體系架構(gòu)、移動(dòng)性管理協(xié)議以及決策控制機(jī)制三方面對物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)性管理的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，提出相關(guān)研究所面臨的困難及挑戰(zhàn)，并指出下一步重點(diǎn)研究內(nèi)容。

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Mobility management in Internet of Things applications

CHAI Rong，RAN Li-li，CHEN Qian-bin

(Chongqing Key Lab of Mobile Communications，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，P.R.China)

The quick development of Internet of Things(IoT)brings tremendous influence on world information industry，following the development and application of computer，internet and mobile communications.IoT related research and application have raised considerable attention from academy and industry over the world during the past several years.The scenarios of terminal moving individually or in group are commonly employed in typical IoT applications，such as smart transportation，remote target monitoring and smart home，etc.The characteristics of heterogeneity and deep mixing of smart terminals，the diversity and dynamical integration of access networks，and the variety and flexibility of user traffic services pose big challenges to traditional network control technologies，especially the technology of mobility management.In this paper，an overview of current research work on system architecture，protocol and control mechanisms of mobility management in IoT related applications is given，the difficulties and challenges are pointed out，and future research directions on mobility management in IoT system are discussed.

Internet of Things(IoT);mobility management;architecture;protocol;control mechanism

s:The National Natural Science Foundation of China(61102063);The Natural Science Foundation Project of CQ CSTC(CSTC，2009BB2083);The Science and Technology Research Projects of Chongqing Municipal Education Commission of China(KJ110511)

TN915.9

A

1673-825X(2011)06-0647-07

10.3979/j.issn.1673-825X.2011.06.001

2011-11-03

國家自然科學(xué)基金(61102063);重慶市自然科學(xué)基金(CSTC，2009BB2083);重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ110511)資助

柴 蓉(1974-)，女，陜西西安人，博士，副教授。主要研究方向?yàn)閭€(gè)人通信、下一代網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)/泛在網(wǎng)體系架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。E-mail:chairong@cqupt.edu.cn。

冉麗麗(1987-)，女，重慶市開縣人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閭€(gè)人通信、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)無線資源管理、移動(dòng)性管理技術(shù)等。E-mail:ranlili16@163.com。

陳前斌(1967-)，男，四川營山人，博士，教授。主要研究方向?yàn)閭€(gè)人通信、多媒體信息處理與傳輸技術(shù)、下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。E-mail:chenqb@cqupt.edu.cn。

(

魏琴芳)