畅想未来无线网络的应用

畅想未来无线网络的应用

2005年7 月，美国国家自然科学基金会NSF资助了一个项目。这个项目的目标是：整合大学、公司和政府中无线移动和传感器网络研究者的研究成果，创新网络结构，并且整理这些成果成为一个连贯的议程。这个计划极大地促进了无线网络的研究发展。这些研究者汇聚在一起，被称为NSF无线移动计划编制组WMPG。不久前，工作组发表了该项目的报告。从本期起，本刊将选择报告中的重点内容进行连续登载。

NSF无线移动计划编制组WMPG成员的第一个任务是去分析无线需求在未来网络中的应用。为了说明一些需求定义过程中的结构，小组成员遵循了一个严格的方法。在这个方法中，典型设想和应用首先被鉴别，并且要求他们的设想可以通过网络反映出来，小组成员提出了三个应用。


无线设备与互联网的接入

这个简单的应用中含有一个无线设备，它与互联网连接。这个设备可能是一个移动电话，一个PDA，一个媒体播放器，一个数码相机。移动计算设备可能连接通过一个无线本地网络，一个mesh结构无线网络，或者是一个无线广域网技术（例如3G或者WiMax）。考虑过的服务模块包括移动服务，限制移动性的热点服务，还有经由随机（opportunistic）无线链路的隐藏节点发送。应用的主要特征是高移动性，潜在间歇的连通性，和不同类型无线电的接入。

关于这种模式应用的一个典型的例子，一个移动的用户利用便携式媒体播放器从互联网上下载一个实时的视频流（例如，一场比赛的实况）。当用户从一个超市（由 WiFi 覆盖）走到外边的街道上（2.5G/3G蜂窝覆盖）时，要维持无缝的连通性。在每一步，无线媒体播放器需要知道可用的无缝选择并且可以选择最好的服务。这种多媒体的服务必须考虑到当前连通性的约束，使得它可以传送数据流，通过设置参数的（数据速率，格式等）一致性。当两个用户离的非常近时，同一个移动用户应该可以有效的连接到网络并且可以获得VoIP调用。位置或者是上下文感知查询（例如，最近的药店在哪？）和延时容忍服务需要被支持（例如，无缝的延时和当用户行走或驾车经过无覆盖区域后大量文件传输的快速恢复）。在热点地区为了支持快速下载，文件的高速缓存在应用中可能是有用的。


无线设备的群组织模式

第二种类型无线应用的提出，是通过在多radio设备中不同的设定，可能使它们在物理上更加接近并且可以用ad hoc网络的形式进行合作。例如，在家庭环境或者是办公环境中的无线设备，可以把它们设置成一个ad hoc网络来增加覆盖和通信能力。另一种流行的应用包括聚类，是通过屋顶的无线电装置来形成一个mesh网络单元，目的是共享带宽的接入。作为一种重要的自动化远程信息处理应用的表现，在高速公路上的汽车可以组成一个ad hoc网络，这样可以用来进行碰撞的避免，以及进行流量的管理。一个群里面可能包括不同种类的radio和具有不同能力和资源水平的处理设备。无线电感知技术的表现也提供了一个高水平的适应能力，无线ad hoc网络通过物理层的流通在不同节点之间，特别是清除从不使用的频段在一个低的成本去支持一个私有的ad hoc网络。随机的结合，网络拓扑的变化，改变链路的质量和潜在的巨大的数值（巨大的节点数目）是这种应用的一些特征。

一个简单的例子，在一个会议室内，几个使用笔记本电脑的用户通过一个有限的互联网接入组成一个ad hoc网络。这个ad hoc网络，在会议中可以为参与者提供很高的通信带宽，而且允许他们使用一个位置更好的节点（例如，拥有一个较高的网络吞吐量）作为连入互联网的中继。另外一个例子是通过设备从互联网上联合高速下载文件。假设WiFi 服务的热点每隔几英里分布在高速公路上，一辆汽车以每小时60英里的速度行驶，当与每一个站点连接时仅仅能以低于1MB的速度下载。如果有几辆汽车在下载同一个文件，那就可以让这几辆车像使用Bit Torrent一样，通过P2P的网络来交换下载的数据。通过这种方式，下载就可以完成，并且不用需要汽车停在一个热点处，可以节约终端用户的时间并且可以解决通信拥塞问题。

Ad hoc 无线网络也可以用于民用灾难防御和军用环境中。这种应用通常包括在一些响应器之间的通信，或者是一群相邻士兵之间的通信。这种响应组需要交换文本信息，流媒体（声音或视频），并且使用协作处理去完成任务，例如目标识别或者鉴别一台发射器。个别的节点也有可能需要接入互联网，以便可以对其进行命令和控制，或者是对数据进行提取。这种应用和以前提出的在郊区或者是乡下地区使用ad hoc mesh网络接入相似。


普式系统（Pervasive Systems）和传感器网络

传感器网络涉及到一个广泛的系统，包括嵌入式无线设备连接到互联网。第一代传感器网络包括从在指定地理位置区域内的大量传感器中收集和整理标准数据。在不远的将来，传感器网络应用将会包括使用closed-loop传感器/响应系统对物理世界事物进行实时控制。当前传感器网络应用在科学领域（生态学，地震学，海洋和大气研究）和工程领域（水质监测，精确的农业，牲畜的追踪，建筑的监控），以及为使用者提供导向的应用（家庭的安全和能源管理，老人的照顾，宠物的监控等）。传感器网络和ad hoc网络有共性，但又有所不同。事实上，很少有传感器设备可以获得足够的处理能力和内存，以及它能量限制。这些约束暗示了对于一种分层次的ad hoc网络结构的需求，在这种结构中低层的传感器节点可以通过一层或多层的反复的无线网关连接到互联网中。这种应用场景的另外一个重要特征是以数据为中心的应用，潜在的大量的数据（一组中大量的节点）和地理位置。

传统上，大规模的传感器网络构造例如那些建立环境监控网络已经被设计成一个垂直的优化系统，通过一种ad hoc网络有计划的去适应特殊的能量和处理约束，将它优化使其通过应用的手动设置支持特定的查询指令。与互联网的接口是经由边缘节点，它可以将互联网的攻击从传感器网络结构中隔离开来。尽管如此，最近更多的趋势显示，对于传感器网络的需要的增长，是要求传感器网络经由互联网提供一个开放的接口，这样一个更大的毛细血管状的通路可以同过边缘节点被支持。举个例子，科学家对不同数据基础产生的数据相关性感兴趣（土壤的特征，本地水源中携带的污染物，当地葡萄园的生产力，当地葡萄酒的生产和销售），可以同过允许接入特定的区域，通过一个传感器结构直接从互联网上获得提取的所需数据，这样就不必加重接入网关的负担。此外，另外一种基于移动传感器平台的新型传感器网络开始变得有可能实现。例如，在城市的交通工具或交火的防御地区装备上不同的传感器（视频，化学，放射，声音等）。这些传感器实际上拥有无限制的存储，能量和处理资源。城市的交通工具变为一个传感器网络，可以接入互联网去监控城市交通，并且可以对事故进行调查，监控化学品的泄漏以及可能的恐怖袭击。同样的，战场上的照相机和其他传感器，可以让指挥官清楚地了解战场上的情况，并且可以直接操纵，最大化的使用力量，从而可以保存他的有生力量。后面的例子也表现出在传感器网络和ad hoc网络之间的缺陷，导致减少移动传感器系统。在一个更长时期内，普遍分布式（pervasive）系统包含个人的移动设备，轻巧的办公/家庭和密集的部署多模传感器/响应系统，它可以作为一个平台来发展新的不同的应用，这些应用的范围比较广，包括对个人生产的总量控制，公共安全和资源的管理等。

这些应用并没有完全包含无线的所有应用，但是可以作为未来无线网络的规范例子。他们获得的许多需求表明，无线网络会在未来网络结构中起重要作用。基于这些应用和锁定主要的应用目标，这个小组对于未来互联网的结构体系设计进行了更多详细的讨论。

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