无线泛在网络下虚拟终端技术研究综述

赵远林，张 晖，朱洪波

（南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室，江苏南京 210003）

无线泛在网络下虚拟终端技术研究综述

赵远林，张 晖，朱洪波

（南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室，江苏南京 210003）

简要介绍了虚拟终端技术的产生背景及定义，对虚拟终端典型应用场景进行了描述。系统地介绍了虚拟终端系统架构并分析其优缺点，提出一种全新的系统架构方式。对于虚拟终端通信协议及机制、虚拟终端资源优化策略进行了描述。最后，提出了未来的研究方向。

无线泛在网;虚拟终端;技术;综述

随着市场需求的不断增长和各种无线技术的日益成熟，不同层次的无线技术互补融合形成无线泛在网络［1－2］。无线泛在网络的广泛接入特性为各种终端设备在该网络环境下获取信息及提供业务提供了便利，同时也对整合终端设备及实现业务融合提出了巨大的挑战，在此背景下一种新颖的虚拟终端技术应运而生。

由于技术发展和用户需求的提高，终端设备的数量及种类逐渐增多，各种新型设备也在不断涌现，例如手机、掌上PC、固定电话和数码相机等。这些设备可能分属于不同的通信网络，具有不同的通信机制，其功能各异，设备能力也存在差异，它们从不同角度、不同层次满足用户需求，为用户提供不同的业务。虚拟终端技术能够使通信异构、功能互补的设备实现功能整合、资源整合和业务整合，最终最大限度的提升用户体验质量［3］。因此，该技术具有广泛的应用前景和研究价值。

1 典型应用场景

虚拟终端技术是指在无线泛在网络环境下，各种通信机制不同、功能各异的终端设备通过协同通信［4］实现功能互补和通信异构融合，形成一个为用户提供统一业务的超级终端，如图1所示。该技术可为用户提供新颖业务或提高现有业务的实现质量，最终达到提升用户体验质量的目的。

图1 虚拟终端技术示意图

近年来，随着科技的进步及设备种类的增长，虚拟终端技术由于其不可比拟的优势得到了广泛关注，对于该技术的研究也逐步深入。由于虚拟终端技术具有广泛的应用前景，但其系统架构、通信协议机制等关键技术尚未形成统一标准，一定程度上限制了该技术的发展。

虚拟终端技术将不同终端融合以弥补传统终端不足，提高了业务实现能力，易于满足用户不同层次的需求。下面介绍两种虚拟终端技术典型应用场景，如图2所示，并对其特性进行具体阐述。

图2 虚拟终端应用场景示意图

从图2a可以看出，利用虚拟终端技术，掌上PC播放的在线视频业务可以切换到液晶电视上播放以获得优异的显示效果;数码相机拍摄的图像马上可以在打印机上打印出来以提高办公的效率;通过手机进行的语音通话业务可以切换到车载设备上，使得用户在驾驶汽车的过程中也能进行安全便捷的通话。从图2b可以看出，为保证高清视频业务的实时可靠传输，必须提供足够多的网络资源，以获得较大的网络吞吐量。然而，单一的网络和终端可能无法做到这一点。利用虚拟终端技术，将业务流分割成若干子流，并分别通过不同的网络（业务子流的传输速率与相应网络的吞吐量匹配）传输到相应的终端，最终聚合成完整的高清业务流提供给用户。

可以看出，虚拟终端技术既能有效保证单一业务的服务质量，又能通过不同业务的重构或整合，创造出大量新颖的业务，从根本上颠覆原有的业务模式，极大地提升用户的业务体验质量。随着信息技术的进步和各种终端设备的快速发展，用户需求日益也增加，用户希望利用现有终端最大限度的满足自身需求，最终实现智能家居、智能交通、智能办公等应用。随着科技进步和设备的发展，用户需求和虚拟终端的业务类型将继续增长，在此不一一列举，下面对实现虚拟终端功能所需技术进行详细介绍。

2 虚拟终端关键技术

2.1 系统架构

系统架构是虚拟终端技术实现各种异构网络间融合的基础，指终端与相应网络之间以及不同网络之间建立联系，对于业务控制和接口进行定义，最终实现设备间功能互补和通信异构融合。通过虚拟终端系统的架设，能够实现设备间功能整合、资源整合和业务整合，为用户提供更优质和多样化服务，提升用户体验质量。现存虚拟终端系统架构主要分为以基于中间服务器的系统架构、基于网关互联的系统架构和基于第三方平台的系统架构，下面分别进行介绍。

1）基于中间服务器的系统架构。根据虚拟终端的特性，网络应用服务只需面向虚拟终端而不是多种高度异构的设备，文献［5］提出了设备统一服务（Device Unifying Service）的概念和虚拟终端系统逻辑架构方式。在虚拟终端物理层和应用层之间架设中间服务器为异构网络协同通信提供服务，中间服务器负责将网络应用层业务传输至虚拟终端，由虚拟终端负责使用合适的设备完成业务。

2）基于网关互联的系统架构。从物理网络拓扑来看，所有的异构网络通过网关连接在一起，不同的网络依靠网关互联，使分属不同网络的设备之间能够进行通信。移动网络、PSTN/ISDN网络和因特网之间通过网关互联并统一至标准IP网络中，不同网络中设备的管理由与该网络连接的标准 IP 网络实现［6－8］。

3）基于第三方平台的系统架构。文献［8］中提出了利用第三方平台实现虚拟终端架构的方式。第三方平台负责处理服务信息，管理虚拟终端中设备及接口，用户无需对虚拟终端直接操作，只需在Web网页上提供用户名和密码即可利用终端中设备满足自身服务请求。

不同的架构方式有其各自特点，但也均存在一定不足:基于中间服务器的架构中，虚拟终端与应用层之间架设中间服务器用于传输控制，一旦该服务器遭到攻击，虚拟终端的数据传输和设备管理均受到影响，系统即处于瘫痪状态;基于网关互联的系统架构中，各个网络中数据流传输及管理信息均通过网关传递，容易造成网关负载过大造成瘫痪或者信息延时;基于第三方平台的系统架构易于扩展，但同时数据传输和用户信息更易于暴露于网络中，安全系数最低。因此，本文提出一种改进的虚拟终端系统架构。

无线泛在网络环境下虚拟终端系统面向用户侧、业务侧、网络侧及终端侧等几重环境，如图3所示。虚拟终端系统用户侧的作用为用户需求驱动，由此引发业务侧的业务适配、网络侧的网络融合以及终端侧的终端重构。与此同时，终端侧、网络侧的QoS保障进一步促成了业务侧QoS保障，最终实现用户QoE保障。

图3 虚拟终端环境示意图

虚拟终端系统架构功能示意图如图4所示。

虚拟终端系统根据用户提出的业务请求及当前网络和设备状况做出决策，动态的调整数据在设备间的分流及重定向传输，提高通信有效性，在对通信资源进行最优分配的同时为用户提供高质量服务。其具体实现流程如下:首先用户向虚拟终端系统发出业务请求，业务侧感知后将用户信息存储在信息服务器中，同时由环境感知服务器感知当前网络及终端环境。这些信息在信息服务器中融合后传递给决策服务器，由决策服务器做出决策，选择最优网络和设备实现业务。其次，网络层利用融合网关实现异构网络融合，在不同网络间无缝传输数据信息。最后，终端侧利用蓝牙等技术完成设备的发现过程，由主控设备将所有设备信息上传至业务侧信息服务器，由信息服务器根据设备属性和能力做出判决。

图4 虚拟终端系统架构功能示意图

2.2 虚拟终端通信协议及机制

虚拟终端网络系统架构的目的是连接不同网络中设备，实现高度异构终端之间的融合，使用户能够对虚拟终端进行统一管理。实际应用中，由于用户或设备的移动性，各终端之间需要不断进行重构聚合，需要利用各种通信协议和机制，主要为设备发现机制、设备认证机制和设备注册机制，分别介绍如下。

设备发现机制是虚拟终端技术的重要组成部分，高效的设备发现机制能够及时更新终端中设备信息，确保随时使用最优设备进行数据传输。目前虚拟终端发现技术主要采用发展较为成熟的蓝牙技术［9］，对蓝牙连接建立机制的分析［10］是提高设备发现效率的关键因素。此外，蓝牙技术同其他技术的结合可以更快完成设备发现过程［11］。除蓝牙技术以外，其他短距离无线技术也可用于虚拟终端发现，如 UWB［12］，Zigbee［13］以及 IEEE 802.11［14］技术。无线泛在网络环境下设备发现技术各异，且不同技术具有各自优势。因此，应当根据具体场景和不同发现技术特点选择适合的发现方案。

身份认证机制是保证网络通信安全的必备条件，确保在不同网络间传输数据的安全性。认证是指请求发起方向对方发送身份证明，验证其真实有效性，并获取接入许可的过程［15］。目前可能应用于虚拟终端的认证技术主要有以下几种:虚拟终端处于动态移动环境中，利用周围环境信息实现认证存在一定复杂度［16］，因此可以采用传统的基于证书的认证方式［17］。由于设备间具有自组织功能，也可以采用将认证信息分布在各节点中的方式，实现完全分布认证策略［18］，此时设备间通信协议需要轻度载荷［19］。此外，虚拟终端中设备高度异构且可能处于漫游状态，因此融合网络架构和协议［20］也是设备认证的重要组成部分。不同认证方法具有其特性，应根据虚拟终端特点选取合适的认证方式，实现快速安全认证。

各种网络高度异构且终端移动性较强，这就对设备注册过程提出了更高要求，既要满足安全性，又要支持设备移动性和异构网络间融合。目前，可能应用于虚拟终端系统注册的方式为以下几种:为了解决虚拟终端中设备数目众多的问题，可以对虚拟终端中设备编号，采用基于ID的移动IP网络中注册协议，使注册时延最小化［21］。注册过程也可以采用安全的注册协议，满足资源受限设备需求［22］。在用户处于漫游状态时，为了节省时间，还可以将认证和注册过程整合，实现认证注册一体化，减少通信过程时延［23］。虚拟终端系统面临着异构网络融合及终端设备移动性两大难题。如何协调两者关系以便更好地实现发现、认证和注册机制还有待进一步的研究。

2.3 资源优化策略

虚拟终端旨在实现不同网络融合，充分利用网络资源为用户提供多样化服务，在应用过程中终端移动性造成设备聚合和重构。因此，选择合适的算法完成设备聚合与重构过程［24］，实现网络资源优化［25］是研究的重点。网络资源优化是指通过采用不同策略，将网络中现有资源进行合理分配及整合，提高资源利用效率。目前，各种无线通信系统融合机制［26］是影响网络资源优化的一个重要因素，常用优化方法是利用不同的模型和算法［27］实现网络资源分配方法公平［28］和有效利用。目前常用的异构网络资源优化策略包括以下几种:联合资源管理［29］，动态频谱分配［30］，博弈论算法［31］。

联合资源管理集中研究无线网络接入控制策略。异构网络环境下，由于不同的服务类型和用户偏好需要不同的QoS保障，因此需要选择合适的接入网络使业务与网络适配。联合无线资源管理在呼叫发起时候和呼叫进行时候采用多输入决策算法进行网络接入分配，其基本框架如图5所示。常用的输入决策算法包括模糊逻辑算法、多属性决策算法和策略机制算法。模糊逻辑算法则可以在决策的时候不需要精确的数据，模拟人的思维方式进行决策，多属性决策算法通过定义备选方案及其属性的效用函数决定选择接入网络，策略机制算法的引用建立在一套完整的无线资源管理与分配法则基础之上。

图5 联合无线资源管理决策过程

动态频谱分配方式的提出旨在解决传统的静态频谱方式对于频谱资源的浪费问题，该方法根据不同的接入网在不同时刻对于频谱利用情况的差异性，将空闲频谱按需动态分配。动态频谱分配采用周期性的频谱预测分配方案，准确的预测能够提供更好的频谱分配方案，通用的预测模型为自回归滑动平均模型

式中:Y={Yt|t∈T}表示预测得到的预测值序列;Wt是误差项，一般情况下满足均值为0、方差为σ2的正态分布;φ是该自回归模型的参数;X={X1，X2，…}代表过去的观测值;θ是滑动平均的权值。虽然现存的动态频谱接入策略能够在一定程度上解决频谱浪费的问题，但目前策略大多集中在给定技术的有效频谱分配方面，由于无线网络具有动态性、移动性和信道时变性，因此不太适用于动态网络。

3 结论

本文首先对虚拟终端概念及分类进行了介绍，然后对其系统架构、通信协议和机制及资源优化策略，随着物联网的发展，虚拟终端因其能够满足人们不断增长的需求、实现单一网络所不能完成的功能，同时提高网络传输性能及吞吐量，因而越来越受到业界关注。尽管国外对虚拟终端进行了一定的研究，但尚未成熟，未能将虚拟终端的作用完全实现。笔者认为虚拟终端技术今后的发展过程有如下3个瓶颈有待突破:

1）虚拟终端发现机制研究。虚拟终端的发现机制影响设备发现速率，进一步影响数据传输及用户体验质量，在无线泛在网络环境下，用户和设备的移动性造成设备发现机制更为复杂。因此，对于现有发现协议及发现技术进行改进，提高设备发现速率和数据传输速率将是以后研究的重点。

2）虚拟终端通信安全机制研究。在异构融合网络环境下，保证网络的通信安全比单一网络环境下更加具有挑战性。根据虚拟终端的分类情况，在多用户和公共场景下如何实现通信过程中的认证及管理机制以保证通信过程中数据的保密性和完整性尚待解决。

3）虚拟终端通信计费机制研究。目前对于虚拟终端的研究尚停留在技术领域，由于该技术的广泛适用性，市场化是必然趋势。此时就不得不考虑在通信过程中的计费机制，该问题涉及到各运营商之间网络切换等方面，其解决方案有待商榷。

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Survey on Virtual Terminal Technology in Wireless Ubiquitous Networks

ZHAO Yuanlin，ZHANG Hui，ZHU Hongbo

（Jiangsu Provincial Key Lab of Wireless Communications，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China）

Firstly，the background and concept the virtual terminal technology are briefly introduced.Then，the typical scenarios are described.After that，the existing architectures are described，and the advantages and disadvantages are analyzed.A new architecture is proposed.After that，the communication protocols and mechanisms，together with the resource optimistic of the virtual terminal are introduced.Finally，the future research directions of these components are proposed.

wireless ubiquitous networks;virtual terminal;technology;survey

TN929.5

A

【本文献信息】赵远林，张晖，朱洪波.无线泛在网络下虚拟终端技术研究综述［J］.电视技术，2013，37（3）.

国家自然科学基金项目（61101105）;教育部博士点基金项目（20113223120001）;工信部软科学课题（2011－R－70）;江苏省高校自然科学研究项目（10KJB510013）;江苏省博士后科研基金项目（1102012C）;国家科技重大专项（2011ZX03005－004－03）;江苏“973”项目（BK2011027）

赵远林（1991— ），女，硕士生，主研下一代无线泛在网络;

张 晖（1982— ），副教授，硕士生导师，主研下一代无线泛在网络;

朱洪波（1956— ），南京邮电大学副校长，教授，博士生导师，主研无线通信与电磁兼容，移动通信与超宽带无线技术等。

责任编辑:任健男

2012－10－20