無線泛在網絡環(huán)境下用戶環(huán)境感知關鍵技術研究

引言

無線泛在網絡(WirelessUbiquitousNetworking)在現有電信網、互聯網、行業(yè)專網集合的基礎上，采用移動蜂窩接入、無線接入、短距離和傳感器等技術向下延伸、向上擴展,支持各種行業(yè)融合的應用，并擴展支持人與物、物與物之間的通信。隨著人類社會逐漸進入移動信息時代，人與人、人與物、物與物之間的信息獲取和交互將愈來愈多地通過無線方式進行，具備無線接入能力的智能化信息家電、通信器材、汽車、傳感監(jiān)控設備以及各種通信基礎設施等將無處不在，遍布人類活動的周圍世界。

無線泛在網支持用戶環(huán)境感知是指無線泛在網絡需根據用戶需求，主動、動態(tài)地感知、分發(fā)、利用、管理用戶環(huán)境信息,并根據用戶所處的環(huán)境自動進行業(yè)務調用和適配，達到實現增強用戶體驗、最大限度地減少用戶介入和干預、異構網絡無縫融合等目標，用戶無論何時何地都可無縫使用多樣的個性化通信業(yè)務。

1無線泛在網絡環(huán)境下用戶環(huán)境感知內涵分析

1.1無線泛在環(huán)境感知網絡的特征

無線環(huán)境感知泛在網絡強調以用戶為中心，使任何用戶,無論何時身處何地，都可以獲得所期望的、統一的、高質量的業(yè)務體驗和信息服務，實現無處不在的網絡覆蓋，無所不包的應用。無線泛在環(huán)境感知泛在網絡具有以下特征：

環(huán)境感知性

未來的生活，在人們四周都會存在各種各樣的智慧型接口，網絡能感知到用戶的存在以及用戶周邊環(huán)境場景的信息,自動選擇適當的傳送方式，與正確的用戶進行正確的服務傳送。

自動恢復性

網絡具有分布式管理的功能特點，網絡中的節(jié)點都是動態(tài)、智能的，抗干擾、抗故障能力較高，并且網絡節(jié)點具備自動恢復能力，因此，傳感網絡的應用將會越來越廣泛。

泛在異構性

網絡兼容多種接入方式、多種承載方式，能實現無縫接入，任何對象（人或物品）都能隨時隨地通過合適的方式介入網絡，做到隨時隨地從網絡中存取所需的信息。

（4）多媒體協同性

信息的整合、服務協同是整個泛在網絡服務的核心，數字化、多媒體化的信息服務將融入到人們的日常生活中，使人們的生活更加便捷，工作效率更加高效。

（5）對稱融合性

網絡提供基礎架構，向其他行業(yè)提供信息通信服務的同時，用戶也不是被動地接收服務，而是可以主動地創(chuàng)造服務,從而實現對信息的綜合利用，使個人、單位、家庭的生活品質和工作效率得到提升。

1.2無線泛在網絡環(huán)境感知場景

無線泛在網絡環(huán)境下用戶環(huán)境按類型可以分為個人網、家庭網、辦公網、汽車網和自組織網絡。個人網常指個人以及圍繞個人移動的“bubble"（泡、水泡、氣泡），bubble內的一切設備都將稱為個人網中潛在的通信設備，如用戶手機、PC等；家庭網涉及家庭網絡內部的各種電子和通信設備，如家用電器、門禁系統、監(jiān)控系統等；辦公網是指各種企業(yè)和政府的局域網；汽車網實際是一個移動的子網，包含汽車的內外通信，典型應用為智能交通、車內辦公和移動通信等；自組織網絡通過無線連接構成任意的拓撲網絡,可以是獨立的，也可以與因特網連接。

處于無線泛在網絡環(huán)境下的用戶，會出現用戶環(huán)境間的切換，包括個人網、家庭網、辦公網、汽車網等環(huán)境之間的兩兩切換，圖1所示是無線泛在網絡下用戶場景切換示意圖。

用戶所處的環(huán)境不同，無線泛在網絡能根據用戶需求，主動、動態(tài)地感知用戶環(huán)境信息，對用戶信息進行分發(fā)、管理和利用，自動進行業(yè)務調用和適配，最大程度地減少用戶的干預和介入，用戶隨時隨地都可以無縫使用多種個性化通信業(yè)務。用戶各種網絡之間的交互場景涉及到的上下文信息包括終端/設備上下文、業(yè)務/應用上下文、網絡上下文、用戶個人上下文，用戶環(huán)境感知實際上就是在無線泛在網絡架構中，以用戶為中心的上下文感知。

1.3無線泛在網絡環(huán)境下的用戶環(huán)境感知需求分析

通過對用戶典型應用場景需求進行分析，可以得出終端/設備上下文、業(yè)務/應用上下文、網絡上下文、用戶個人上下文信息共同構成了基于無線泛在網絡環(huán)境下用戶環(huán)境感知的信息庫，并能夠在一定程度上為典型應用場景中的業(yè)務應用和部署提供有效支撐。無線泛在網絡需具備環(huán)境感知的如下功能：能感知用戶環(huán)境變化，并隨之進行自我調節(jié)、重新分配資源；能夠提取環(huán)境相關信息和參數，與用戶所處的真實環(huán)境相對應；能保存用戶信息，當用戶所處環(huán)境變化時，能提供相應的服務列表和模式；能根據場景靈活進行業(yè)務適配等。

用戶環(huán)境感知信息處理流程中需要相應關鍵技術的支撐，表現在以下幾個方面：用戶環(huán)境感知信息獲取、用戶環(huán)境感知信息建模與表示、用戶環(huán)境感知信息的存儲、用戶環(huán)境感知信息交互與安全控制、用戶環(huán)境感知信息推理利用、用戶環(huán)境感知信息架構開放性等，這些技術的研究將為網絡開放性及業(yè)務應用快速開發(fā)提供必要的支撐。

2無線泛在網絡環(huán)境下的用戶環(huán)境感知關鍵技術分析

用戶環(huán)境感知的研究內涵比較寬，筆者就架構和用戶環(huán)境感知信息獲取、信息建模與表示、信息存儲、信息交互與安全控制、信息推理利用等方面展開探討。

2.1用戶環(huán)境感知架構

無線泛在網絡用戶環(huán)境感知架構如圖2所示。

從圖2可以看出，無線泛在網絡需具備環(huán)境信息管理、環(huán)境信息庫、環(huán)境信息協調等功能實體。網絡能主動感知用戶場景的變化并能夠進行信息交互，根據用戶的個性化需求主動提供服務。無線泛在網絡中保存的用戶信息可以分為以下三類：

(1)網絡上下文

網絡上下文主要用來標識用戶各種狀態(tài)的信息，比如用戶正在使用某個業(yè)務，網絡上下文用于標識當前會話或業(yè)務狀態(tài)。此外，它還可以標識用戶對業(yè)務應用執(zhí)行的操作、用戶個人偏好的智能積累等。

通信環(huán)境

通信環(huán)境主要采集和保存用戶通信的環(huán)境信息，根據用戶所處的環(huán)境不同，通信網絡和各種應用業(yè)務能隨之提供通信的適配。

用戶服務

用戶服務主要用于保存、提供用戶基本屬性信息以及用戶業(yè)務訂購信息。這些信息包括用戶的標識信息、安全認證信息和業(yè)務簽約信息等靜態(tài)信息。

2.2用戶環(huán)境信息獲取

利用廣泛分布的傳感器、射頻識別技術等獲取方式采集獲得用戶信息，用戶環(huán)境信息獲取技術的關鍵是要保證獲取的用戶信息精確、有效、恰當、無冗余等。目前的技術主要分為物理信息獲取和虛擬信息獲取。

物理信息獲取主要通過傳感器或其他設備直接感知和采集，目前比較成熟的信息獲取傳感器技術主要有位置傳感、物理環(huán)境傳感和生物環(huán)境傳感。

虛擬信息獲取主要通過信息世界內部直接感知，比如用戶交互習慣、偏好等信息，主要包括RFID、用戶輸入方式等。通過RFID建立物理世界中物體與虛擬世界中信息之間的關聯，此外，由于設備的移動性，網絡還應該支持用戶輸入的方式輸入用戶的信息。

根據泛在網絡和上下文的特點，在泛在網絡架構中可以采用以下幾種用戶環(huán)境信息的獲取方案：根據業(yè)務內容和用戶偏好上下文獲取方案；通過網絡特征上下文獲取方案；從用戶的終端設備獲取上下文信息。

2.3用戶環(huán)境信息存儲

為了解決存儲用戶的上下文信息，并且為上下文推理提供依據，用戶信息存儲技術是關鍵。目前，用戶環(huán)境信息的存儲技術主要有分布式和集中式兩種，根據泛在網絡的特點，可以采用的存儲方案有如下幾種：

基于頻度的存儲方案

根據信息的使用頻度建立存儲系統，采用分級的模式將使用頻率高的信息存儲在運行速度較快的存儲器中，如寄存器；而將使用頻率較低的信息存儲在運行速度較慢的如磁盤之類的存儲器中。此外，還可以增加一個CHS(ContextHistoryStorage)功能實體，存儲一些較長時間不使用的信息。

基于網絡環(huán)境的存儲方案根據用戶所處的環(huán)境建立存儲系統，采用集中式和分布

式的存儲系統。比如，用戶處于像車載網之類的相對開放或者移動的網絡環(huán)境，一般就會采用分布式的存儲系統。此外,還需要增加一個判斷網絡類型以及鑒別用戶信息的功能實體。

基于業(yè)務類型的存儲方案

根據用戶所請求的業(yè)務類型建立存儲系統，判斷用戶請求的業(yè)務類型如交互類、流媒體，再區(qū)分是采用分布式還是集中式進行存儲。

基于信息來源的存儲方案

通過某種方式來判斷信息的來源是集中在一個節(jié)點還是幾個節(jié)點，亦或是相對分散的節(jié)點，這種存儲方式需增加一個位置服務器用來判斷定位信息。

2.4用戶環(huán)境信息交互

為了解決上下文信息的全局不一致問題，通過調度控制、多通道等用戶環(huán)境信息交互機制來保證上下文在交互的過程中不發(fā)生沖突。目前，用戶環(huán)境信息交互機制的研究主要有調度算法、多通道技術、自組織、輪流檢測、事件驅動、信息共享等技術，主要分為用戶和設備之間的交互、設備和設備之間的交互、服務和服務之間的交互、用戶和服務之間的交互、服務和設備之間的交互。交互的模式可以分為集中式存儲與集中式交互、集中式存儲與分布式控制交互、分布式存儲與集中式控制交互、分布式存儲與分布式控制交互。此外，為實現對用戶環(huán)境的交互控制，還需要增加智能代理、上下文調度管理和通用上下文共享中心等功能實體。

2.5用戶環(huán)境信息利用

無線泛在網絡的環(huán)境中存在著海量的信息，這些信息有我們關心的用戶有用信息，也包含了如噪聲之類的無用信息,很多有用信息淹沒在噪聲信息中沒有得到有效利用，因此，對這些信息的有效處理在很大程度上決定了泛在網絡的表現。泛在網絡中的數據處理過程可以分為如下幾個步驟：

第一步是將數據匯集到數據處理層，經過ETL引擎進行數據統計和過濾等預處理，最后進行數據存儲，為數據挖掘提供數據支撐。

第二步是在用戶環(huán)境推理模塊中，對數據庫中的數據進行分析，得到各種應用服務所需要的參數，通過調用不同的分析模型對主體進行分析、提煉，保留在知識庫中，再通過結果評估模塊對模型的使用和知識的準確性、有效性進行評估、改進。

第三步是將數據送到應用層，網絡根據用戶環(huán)境和用戶行為的表現，分析當前的工作情況，并及時調整在網絡中發(fā)現的問題，滿足對用戶的服務體驗。

此外，在數據分析的過程中，還需要將用戶的感受、行為等信息反饋回網絡，通過數據的采集、模型調用、參數調用、數據挖掘、用戶環(huán)境推理、網絡應用等過程實現網絡的不斷更新和自我適應。

2.6用戶環(huán)境信息安全

無線泛在網絡依托用戶上下文信息為其提供個性化服務,個人信息很容易在用戶不知情的情況下被收集，使得個人隱私得不到安全保障。因此，可以從認證與訪問控制、數據傳輸、節(jié)點安全防護等方面進行設計，最大程度保證用戶環(huán)境信息的安全。

節(jié)點認證就是對傳感器或匯集網關節(jié)點進行認證，保證用戶上下文信息的可靠性。每當有新的節(jié)點進入網絡時，必須對其身份進行認證，可以根據節(jié)點的數量，采用集中式認證和分布式認證兩種方式。

所謂用戶的身份認證與訪問控制，就是通過最小特權原則、職責分離原則和動態(tài)授權等安全控制原則構建統一的用戶認證與訪問控制體系，實現對應用用戶身份的統一管理，用戶在各業(yè)務應用之間通過單點登陸和對用戶上下文信息進行訪問控制等。

數據傳輸安全主要是指泛在網絡中數據傳輸過程中的安全問題，可通過提供不同的安全等級來滿足泛在網絡要求的數據安全，使數據的機密性、完整性得到保證。

節(jié)點安全防護機制則是通過對基礎設施層與業(yè)務層融合的安全機制來保證用戶上下文信息的安全。此外，用戶上下文安全控制機制還應該實現跨行業(yè)應用協同和融合，根據用戶上下文安全等級劃分安全域，不同的安全域執(zhí)行不同的安全朿峪。

3結語

目前，各種無線泛在網絡還主要局限于各個行業(yè)內部,行業(yè)之間的應用互不相通。我國無線泛在網絡的應用才剛剛起步，因此，開展無線泛在網絡的設計和研究，以及在關鍵技術上的突破，有利于推動我國無線泛在網絡的健康發(fā)展，為我國通信產業(yè)的發(fā)展打下基礎。

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