无线泛在网络环境下用户环境感知关键技术研究

引言

无线泛在网络(WirelessUbiquitousNetworking)在现有电信网、互联网、行业专网集合的基础上，采用移动蜂窝接入、无线接入、短距离和传感器等技术向下延伸、向上扩展,支持各种行业融合的应用，并扩展支持人与物、物与物之间的通信。随着人类社会逐渐进入移动信息时代，人与人、人与物、物与物之间的信息获取和交互将愈来愈多地通过无线方式进行，具备无线接入能力的智能化信息家电、通信器材、汽车、传感监控设备以及各种通信基础设施等将无处不在，遍布人类活动的周围世界。

无线泛在网支持用户环境感知是指无线泛在网络需根据用户需求，主动、动态地感知、分发、利用、管理用户环境信息,并根据用户所处的环境自动进行业务调用和适配，达到实现增强用户体验、最大限度地减少用户介入和干预、异构网络无缝融合等目标，用户无论何时何地都可无缝使用多样的个性化通信业务。

1无线泛在网络环境下用户环境感知内涵分析

1.1无线泛在环境感知网络的特征

无线环境感知泛在网络强调以用户为中心，使任何用户,无论何时身处何地，都可以获得所期望的、统一的、高质量的业务体验和信息服务，实现无处不在的网络覆盖，无所不包的应用。无线泛在环境感知泛在网络具有以下特征：

环境感知性

未来的生活，在人们四周都会存在各种各样的智慧型接口，网络能感知到用户的存在以及用户周边环境场景的信息,自动选择适当的传送方式，与正确的用户进行正确的服务传送。

自动恢复性

网络具有分布式管理的功能特点，网络中的节点都是动态、智能的，抗干扰、抗故障能力较高，并且网络节点具备自动恢复能力，因此，传感网络的应用将会越来越广泛。

泛在异构性

网络兼容多种接入方式、多种承载方式，能实现无缝接入，任何对象（人或物品）都能随时随地通过合适的方式介入网络，做到随时随地从网络中存取所需的信息。

（4）多媒体协同性

信息的整合、服务协同是整个泛在网络服务的核心，数字化、多媒体化的信息服务将融入到人们的日常生活中，使人们的生活更加便捷，工作效率更加高效。

（5）对称融合性

网络提供基础架构，向其他行业提供信息通信服务的同时，用户也不是被动地接收服务，而是可以主动地创造服务,从而实现对信息的综合利用，使个人、单位、家庭的生活品质和工作效率得到提升。

1.2无线泛在网络环境感知场景

无线泛在网络环境下用户环境按类型可以分为个人网、家庭网、办公网、汽车网和自组织网络。个人网常指个人以及围绕个人移动的“bubble"（泡、水泡、气泡），bubble内的一切设备都将称为个人网中潜在的通信设备，如用户手机、PC等；家庭网涉及家庭网络内部的各种电子和通信设备，如家用电器、门禁系统、监控系统等；办公网是指各种企业和政府的局域网；汽车网实际是一个移动的子网，包含汽车的内外通信，典型应用为智能交通、车内办公和移动通信等；自组织网络通过无线连接构成任意的拓扑网络,可以是独立的，也可以与因特网连接。

处于无线泛在网络环境下的用户，会出现用户环境间的切换，包括个人网、家庭网、办公网、汽车网等环境之间的两两切换，图1所示是无线泛在网络下用户场景切换示意图。

用户所处的环境不同，无线泛在网络能根据用户需求，主动、动态地感知用户环境信息，对用户信息进行分发、管理和利用，自动进行业务调用和适配，最大程度地减少用户的干预和介入，用户随时随地都可以无缝使用多种个性化通信业务。用户各种网络之间的交互场景涉及到的上下文信息包括终端/设备上下文、业务/应用上下文、网络上下文、用户个人上下文，用户环境感知实际上就是在无线泛在网络架构中，以用户为中心的上下文感知。

1.3无线泛在网络环境下的用户环境感知需求分析

通过对用户典型应用场景需求进行分析，可以得出终端/设备上下文、业务/应用上下文、网络上下文、用户个人上下文信息共同构成了基于无线泛在网络环境下用户环境感知的信息库，并能够在一定程度上为典型应用场景中的业务应用和部署提供有效支撑。无线泛在网络需具备环境感知的如下功能：能感知用户环境变化，并随之进行自我调节、重新分配资源；能够提取环境相关信息和参数，与用户所处的真实环境相对应；能保存用户信息，当用户所处环境变化时，能提供相应的服务列表和模式；能根据场景灵活进行业务适配等。

用户环境感知信息处理流程中需要相应关键技术的支撑，表现在以下几个方面：用户环境感知信息获取、用户环境感知信息建模与表示、用户环境感知信息的存储、用户环境感知信息交互与安全控制、用户环境感知信息推理利用、用户环境感知信息架构开放性等，这些技术的研究将为网络开放性及业务应用快速开发提供必要的支撑。

2无线泛在网络环境下的用户环境感知关键技术分析

用户环境感知的研究内涵比较宽，笔者就架构和用户环境感知信息获取、信息建模与表示、信息存储、信息交互与安全控制、信息推理利用等方面展开探讨。

2.1用户环境感知架构

无线泛在网络用户环境感知架构如图2所示。

从图2可以看出，无线泛在网络需具备环境信息管理、环境信息库、环境信息协调等功能实体。网络能主动感知用户场景的变化并能够进行信息交互，根据用户的个性化需求主动提供服务。无线泛在网络中保存的用户信息可以分为以下三类：

(1)网络上下文

网络上下文主要用来标识用户各种状态的信息，比如用户正在使用某个业务，网络上下文用于标识当前会话或业务状态。此外，它还可以标识用户对业务应用执行的操作、用户个人偏好的智能积累等。

通信环境

通信环境主要采集和保存用户通信的环境信息，根据用户所处的环境不同，通信网络和各种应用业务能随之提供通信的适配。

用户服务

用户服务主要用于保存、提供用户基本属性信息以及用户业务订购信息。这些信息包括用户的标识信息、安全认证信息和业务签约信息等静态信息。

2.2用户环境信息获取

利用广泛分布的传感器、射频识别技术等获取方式采集获得用户信息，用户环境信息获取技术的关键是要保证获取的用户信息精确、有效、恰当、无冗余等。目前的技术主要分为物理信息获取和虚拟信息获取。

物理信息获取主要通过传感器或其他设备直接感知和采集，目前比较成熟的信息获取传感器技术主要有位置传感、物理环境传感和生物环境传感。

虚拟信息获取主要通过信息世界内部直接感知，比如用户交互习惯、偏好等信息，主要包括RFID、用户输入方式等。通过RFID建立物理世界中物体与虚拟世界中信息之间的关联，此外，由于设备的移动性，网络还应该支持用户输入的方式输入用户的信息。

根据泛在网络和上下文的特点，在泛在网络架构中可以采用以下几种用户环境信息的获取方案：根据业务内容和用户偏好上下文获取方案；通过网络特征上下文获取方案；从用户的终端设备获取上下文信息。

2.3用户环境信息存储

为了解决存储用户的上下文信息，并且为上下文推理提供依据，用户信息存储技术是关键。目前，用户环境信息的存储技术主要有分布式和集中式两种，根据泛在网络的特点，可以采用的存储方案有如下几种：

基于频度的存储方案

根据信息的使用频度建立存储系统，采用分级的模式将使用频率高的信息存储在运行速度较快的存储器中，如寄存器；而将使用频率较低的信息存储在运行速度较慢的如磁盘之类的存储器中。此外，还可以增加一个CHS(ContextHistoryStorage)功能实体，存储一些较长时间不使用的信息。

基于网络环境的存储方案根据用户所处的环境建立存储系统，采用集中式和分布

式的存储系统。比如，用户处于像车载网之类的相对开放或者移动的网络环境，一般就会采用分布式的存储系统。此外,还需要增加一个判断网络类型以及鉴别用户信息的功能实体。

基于业务类型的存储方案

根据用户所请求的业务类型建立存储系统，判断用户请求的业务类型如交互类、流媒体，再区分是采用分布式还是集中式进行存储。

基于信息来源的存储方案

通过某种方式来判断信息的来源是集中在一个节点还是几个节点，亦或是相对分散的节点，这种存储方式需增加一个位置服务器用来判断定位信息。

2.4用户环境信息交互

为了解决上下文信息的全局不一致问题，通过调度控制、多通道等用户环境信息交互机制来保证上下文在交互的过程中不发生冲突。目前，用户环境信息交互机制的研究主要有调度算法、多通道技术、自组织、轮流检测、事件驱动、信息共享等技术，主要分为用户和设备之间的交互、设备和设备之间的交互、服务和服务之间的交互、用户和服务之间的交互、服务和设备之间的交互。交互的模式可以分为集中式存储与集中式交互、集中式存储与分布式控制交互、分布式存储与集中式控制交互、分布式存储与分布式控制交互。此外，为实现对用户环境的交互控制，还需要增加智能代理、上下文调度管理和通用上下文共享中心等功能实体。

2.5用户环境信息利用

无线泛在网络的环境中存在着海量的信息，这些信息有我们关心的用户有用信息，也包含了如噪声之类的无用信息,很多有用信息淹没在噪声信息中没有得到有效利用，因此，对这些信息的有效处理在很大程度上决定了泛在网络的表现。泛在网络中的数据处理过程可以分为如下几个步骤：

第一步是将数据汇集到数据处理层，经过ETL引擎进行数据统计和过滤等预处理，最后进行数据存储，为数据挖掘提供数据支撑。

第二步是在用户环境推理模块中，对数据库中的数据进行分析，得到各种应用服务所需要的参数，通过调用不同的分析模型对主体进行分析、提炼，保留在知识库中，再通过结果评估模块对模型的使用和知识的准确性、有效性进行评估、改进。

第三步是将数据送到应用层，网络根据用户环境和用户行为的表现，分析当前的工作情况，并及时调整在网络中发现的问题，满足对用户的服务体验。

此外，在数据分析的过程中，还需要将用户的感受、行为等信息反馈回网络，通过数据的采集、模型调用、参数调用、数据挖掘、用户环境推理、网络应用等过程实现网络的不断更新和自我适应。

2.6用户环境信息安全

无线泛在网络依托用户上下文信息为其提供个性化服务,个人信息很容易在用户不知情的情况下被收集，使得个人隐私得不到安全保障。因此，可以从认证与访问控制、数据传输、节点安全防护等方面进行设计，最大程度保证用户环境信息的安全。

节点认证就是对传感器或汇集网关节点进行认证，保证用户上下文信息的可靠性。每当有新的节点进入网络时，必须对其身份进行认证，可以根据节点的数量，采用集中式认证和分布式认证两种方式。

所谓用户的身份认证与访问控制，就是通过最小特权原则、职责分离原则和动态授权等安全控制原则构建统一的用户认证与访问控制体系，实现对应用用户身份的统一管理，用户在各业务应用之间通过单点登陆和对用户上下文信息进行访问控制等。

数据传输安全主要是指泛在网络中数据传输过程中的安全问题，可通过提供不同的安全等级来满足泛在网络要求的数据安全，使数据的机密性、完整性得到保证。

节点安全防护机制则是通过对基础设施层与业务层融合的安全机制来保证用户上下文信息的安全。此外，用户上下文安全控制机制还应该实现跨行业应用协同和融合，根据用户上下文安全等级划分安全域，不同的安全域执行不同的安全朿峪。

3结语

目前，各种无线泛在网络还主要局限于各个行业内部,行业之间的应用互不相通。我国无线泛在网络的应用才刚刚起步，因此，开展无线泛在网络的设计和研究，以及在关键技术上的突破，有利于推动我国无线泛在网络的健康发展，为我国通信产业的发展打下基础。

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