張揚軍 宋健 崔勇

從移動互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡優(yōu)化、能耗優(yōu)化等方面著眼，重點研究互聯(lián)網(wǎng)與移動互聯(lián)網(wǎng)的異同點與技術的繼承發(fā)展。結合移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，認為網(wǎng)絡協(xié)議向IPv6的過渡，與物聯(lián)網(wǎng)的融合將會是移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢。

移動互聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)絡優(yōu)化；能耗優(yōu)化

This paper describes the similarities and differences between Internet and mobile Internet in terms of technologies， optimization techniques， and energy consumption. In light of current developments in mobile Internet， IPv6 transition and integration of the Internet of things appear to be future development trends in mobile Internet.

mobile Internet； networking design； energy optimization

互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)對世界經(jīng)濟、政治、文化等方方面面產(chǎn)生了深刻影響。然而傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)難以滿足人們移動、實時接入網(wǎng)絡的需求。移動互聯(lián)網(wǎng)的誕生實現(xiàn)了人們隨時隨地接入互聯(lián)網(wǎng)的夢想。

在起步的最初5年，全球移動互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量的增長速度是傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)相同發(fā)展階段的2倍，目前已經(jīng)超過了傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)，達到了15億之巨。移動互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展更是創(chuàng)造了產(chǎn)業(yè)迭代周期由PC時代的18個月（摩爾定律）縮減至互聯(lián)網(wǎng)的6個月的奇跡[1]。移動互聯(lián)網(wǎng)的應用已經(jīng)滲透到人們工作、生活的每個角落，但移動互聯(lián)網(wǎng)的概念卻始終缺乏一個統(tǒng)一的定義。

廣義上來說，移動互聯(lián)網(wǎng)是以無線方式接入互聯(lián)網(wǎng)并提供移動網(wǎng)絡訪問服務的各種網(wǎng)絡的總稱。移動互聯(lián)網(wǎng)繼承了互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡體系架構，具有應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層等清晰的網(wǎng)絡層次結構。但由于移動互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡環(huán)境復雜多變，又強調移動實時接入，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)方式以及終端接入技術已經(jīng)無法完全適用于移動互聯(lián)網(wǎng)。此外，互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡節(jié)點有持續(xù)電量供應，而移動互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡終端多采用電池供電，有限的電量直接影響到用戶的網(wǎng)絡體驗。以上這些差異導致移動互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡技術、能耗技術等方面具有較大差異。

1 移動互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡技術

為滿足網(wǎng)絡節(jié)點移動實時接入網(wǎng)絡的需求，移動互聯(lián)網(wǎng)在終端接入、組網(wǎng)技術等方面都與互聯(lián)網(wǎng)有著巨大差別。為適應新的網(wǎng)絡環(huán)境，網(wǎng)絡終端更注重多接口多連接管理與移動性管理。

1.1 網(wǎng)絡接入技術

互聯(lián)網(wǎng)的接入方式主要為有線接入，而為實現(xiàn)各應用場景的移動性支持，移動互聯(lián)網(wǎng)則主要為無線接入，并有多種網(wǎng)絡接入方式。

（1）移動通信網(wǎng)

移動通信網(wǎng)絡是移動互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，采取集中控制、層次化路由的體系架構，通過核心網(wǎng)分組域的GPRS業(yè)務支持節(jié)點（SGSN）和GPRS網(wǎng)關支持節(jié)點（GGSN）為接入端提供分組數(shù)據(jù)服務。

移動通信網(wǎng)絡具有很強的移動性支持，使終端可以在很大地域范圍內，在高速移動的同時保持移動通信網(wǎng)絡的連接。為適應移動互聯(lián)網(wǎng)用戶高速傳輸?shù)男枨?，移動通信網(wǎng)又推出了LTE技術，在無線接入時采用正交頻分復用多址編碼技術來達到高速傳輸，通過有空間復用特性的多輸入多輸出（MIMO）技術，使得無線傳輸時數(shù)據(jù)可以在多重天線之間并行收發(fā)，同時取消無線控制器（RNC），簡化網(wǎng)絡設計，實現(xiàn)全IP路由，朝著扁平化全IP網(wǎng)絡結構演進。高速數(shù)據(jù)服務的支持使得移動通信網(wǎng)寬帶化，必將為移動互聯(lián)網(wǎng)提供更強有力的網(wǎng)絡支持。

（2）無線局域網(wǎng)

無線局域網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，其網(wǎng)絡速度幾乎與以太網(wǎng)相當，并允許終端在一定范圍內移動接入。同以太網(wǎng)不同的是，以IEEE 802.11系列標準為基礎的無線局域網(wǎng)在媒體訪問控制子層中采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）控制傳輸媒介，在數(shù)據(jù)傳輸前必須檢測媒介空閑狀態(tài)，避免沖突，而不是同時進行傳輸和沖突監(jiān)聽，并采用兩次握手模式的確認機制來確保數(shù)據(jù)傳輸[2]。最新的802.11ad利用開放的60 GHz頻段，大幅度提升了碼元傳輸速率。60 GHz頻段的短波長使天線尺寸更小，易實現(xiàn)智能天線陣列，高增益接收信號。該頻段的優(yōu)良定向性使傳輸波束更窄，有利于減少接入點（AP）間干擾，實現(xiàn)波束空間復用，使得最大傳輸速率可達到6.76 Gb/s[3]。

高速發(fā)展的無線局域網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)相互交叉的網(wǎng)絡形式，為寬帶業(yè)務移動化的實現(xiàn)提供了有力支持。

（3）其他接入網(wǎng)絡

除了以上兩種主要的接入技術外，移動互聯(lián)網(wǎng)還具有多種網(wǎng)絡接入方式，以滿足不同場景移動用戶的無線接入需求。

針對小范圍無線傳輸?shù)臒o線個域網(wǎng)（WPAN）包括Bluetooth、Zigbee、NFC、UWB、IrDA、6LoWPAN等技術，實現(xiàn)了短距離、低功耗、低成本的無線通信。

針對室外大范圍寬帶無線接入的無線城域網(wǎng)（WMAN）以IEEE 802.16標準為基礎，其中基于802.16e 的WiMax是國際電信聯(lián)盟批準的全球3G標準之一。

針對邊遠地區(qū)的無線區(qū)域網(wǎng)（WRAN）由IEEE 802.22推動，利用認知無線電技術自動檢測空閑的電視頻段并加以利用，對低人口密度區(qū)域提供無線寬帶服務。WMAN和WRAN的出現(xiàn)極大推動了寬帶業(yè)務移動化，使得更多區(qū)域能夠高速接入移動互聯(lián)網(wǎng)。

1.2 組網(wǎng)技術

互聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)思想主張分布式和無層次的組網(wǎng)結構，局部則采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡的星形拓撲結構。移動互聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術源于互聯(lián)網(wǎng)，但又衍生出一些新的組網(wǎng)方式，以滿足節(jié)點的移動需求，適應網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化，使得移動互聯(lián)網(wǎng)能夠適應各類特殊應用場景。

無線局域網(wǎng)延續(xù)了以太網(wǎng)的星形結構，移動通信網(wǎng)絡則采用集中式控制、嚴格的層次結構[4]，這兩種網(wǎng)絡為集中式無線網(wǎng)絡，均有中心節(jié)點，而移動自組織網(wǎng)絡則是無中心節(jié)點的分布式無線網(wǎng)絡，無線Mesh網(wǎng)絡則是多中心的自組織網(wǎng)絡。

移動自組織網(wǎng)絡是無需基礎設施支持、自組織、無線多跳連接、高度動態(tài)、對等式、支持移動通信的網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡是由一組處于移動狀態(tài)的節(jié)點組成，無需基站等基礎設施集中控制，其網(wǎng)絡結構如圖1所示。移動自組織網(wǎng)絡的各個節(jié)點具有對等性，均充當主機和路由器角色，不需要管理控制中心。

移動自組織網(wǎng)絡面臨的主要挑戰(zhàn)是網(wǎng)絡拓撲結構變化太快、網(wǎng)絡節(jié)點資源嚴重受限，而無線Mesh網(wǎng)絡則是由固定且有電源供應的Mesh路由器采用點到多點無線互聯(lián)組成，由路由器負責組織維護Mesh連接，具有相對穩(wěn)定的拓撲結構，可提供高帶寬傳輸服務。

1.3 網(wǎng)絡終端管理技術

在移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，網(wǎng)絡終端往往需要同時管理多個網(wǎng)絡接口以對應不同的接入網(wǎng)絡，有多接口多連接的特性。當多接口（MIF）終端接入網(wǎng)絡時，各接口均能獲取域名服務器（DNS）、默認路由等網(wǎng)絡參數(shù)。如果DNS解析（如私有DNS請求）沒有選擇相應接口的DNS服務器，這將會導致DNS解析失敗。由于各種接入網(wǎng)絡性能差異大，分組數(shù)據(jù)傳輸時默認接口默認路由的選取將直接影響網(wǎng)絡性能。終端移動時，不同接入網(wǎng)之間的切換將會導致終端已連接至網(wǎng)絡的會話中斷，嚴重影響用戶網(wǎng)絡體驗。RFC6418[5]和RFC6419[6]中采用集中式管理多接口，單應用設置網(wǎng)絡連接參數(shù)，并在協(xié)議棧處理DNS解析、路由、地址選擇等特殊問題。

具有多接口的設備往往具有多連接特性，可在源節(jié)點與目的節(jié)點間建立多條路徑。多徑傳輸控制協(xié)議（TCP）即為利用該網(wǎng)絡特性來提高網(wǎng)絡吞吐量發(fā)展而來的新技術。多徑TCP需處理傳輸時流內干擾、流間并行干擾、流間交匯干擾等問題?；趪娙a的FMTCP[7]通過對數(shù)據(jù)進行碼率無關的隨機編碼，令傳輸可忽略數(shù)據(jù)包的丟包、抖動、到達順序，只須有足夠冗余度就可將數(shù)據(jù)還原，有效地提高多徑TCP性能。

當終端節(jié)點在不同網(wǎng)絡間漫游，節(jié)點移動性管理應當允許節(jié)點保持IP地址不變，保證節(jié)點在漫游過程中與網(wǎng)絡的連通性。移動IP（MIP）協(xié)議中，在外地網(wǎng)絡的移動節(jié)點（MN）進行代理發(fā)現(xiàn)獲取轉交地址后，向家鄉(xiāng)代理進行注冊，建立數(shù)據(jù)轉發(fā)服務。家鄉(xiāng)代理完成MN注冊，使用IP隧道技術將原數(shù)據(jù)包封裝后發(fā)往MN的轉交地址。MN卻可以向遠端響應節(jié)點（CN）直接發(fā)送數(shù)據(jù)，導致MIP路由不是最優(yōu)路徑，也不對稱，產(chǎn)生了“三角路由問題”。移動IPv6同MIP相似，需代理發(fā)現(xiàn)、節(jié)點注冊、數(shù)據(jù)傳輸?shù)攘鞒獭５亦l(xiāng)代理在轉發(fā)數(shù)據(jù)包時，采用綁定更新（BU），向CN通告移動節(jié)點當前的轉交地址，后續(xù)傳輸中CN可向MN直接傳輸數(shù)據(jù)，避免了“三角路由”。移動IP三角路由優(yōu)化示意圖如圖2所示。代理移動IP和代理移動IPv6是在網(wǎng)絡側實現(xiàn)MIP和MIPv6中移動節(jié)點需要處理的移動性管理工作，使得節(jié)點對移動完全無感知。

同互聯(lián)網(wǎng)相比，移動互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡環(huán)境復雜多變，網(wǎng)絡終端管理注重終端多接口多連接的特性，加強對終端節(jié)點移動性的管理，提升網(wǎng)絡性能。

2 移動互聯(lián)網(wǎng)的能耗優(yōu)化

技術

移動終端的計算、存儲、電量等資源嚴重受限，移動云計算的興起使得終端可便捷地使用移動云強大的計算、存儲能力，但同時也提高了移動節(jié)點對傳輸質量和能耗的要求。移動云的定位、傳輸、計算等任務占用終端能耗的很大比例。因此相對于互聯(lián)網(wǎng)來說，移動互聯(lián)網(wǎng)能耗優(yōu)化更側重于終端能耗優(yōu)化。

2.1 終端定位能耗優(yōu)化

基于位置服務（LBS）是移動互聯(lián)網(wǎng)最典型服務之一。在定位中，移動節(jié)點需要獲取當前精確時間T，全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）可見衛(wèi)星星歷表，并通過多普勒頻率和碼相位（CP）計算T時刻節(jié)點到各衛(wèi)星的距離（偽距）。獲取星歷表及其解碼、偽距計算等過程電能消耗巨大，在長時間持續(xù)更新位置信息時，能耗問題尤為嚴重。

終端定位能耗優(yōu)化基本策略是通過增大位置信息更新時間間隔來降低能耗。利用節(jié)點本地資源的動態(tài)跟蹤策略分為動態(tài)預測和動態(tài)選擇。在一次精確定位后，動態(tài)預測利用陀螺儀、加速度計等能耗較低傳感器進行軌跡預測，當預測漂移超過閾值精度時，重新開啟GPS進行精確定位。動態(tài)選擇根據(jù)定位需求精度不同而選擇不同的定位方式進行輔助定位，如基站定位、Wi-Fi定位、GPS定位。

隨著移動云發(fā)展，定位能耗也不局限于本地優(yōu)化，還可利用云端豐富的存儲和計算資源?；跉v史地圖的方法是通過存儲大量與精確的GPS方位、其他標記關聯(lián)的歷史位置和軌跡信息，終端提交其移動時切換的基站序列號、無線網(wǎng)絡信號強度等標記，實現(xiàn)查詢定位，降低定位能耗。

2.2 網(wǎng)絡傳輸能耗優(yōu)化

無線網(wǎng)絡節(jié)能主要是針對蜂窩數(shù)據(jù)傳輸節(jié)能和Wi-Fi傳輸節(jié)能。無線資源控制（RRC）機制是在蜂窩系統(tǒng)中所使用的傳輸功率管理機制。圖3為兩種常見RRC狀態(tài)轉移方式。蜂窩網(wǎng)絡接口分為高性能高功耗狀態(tài)DCH、低功耗低速率狀態(tài)FACH、空閑狀態(tài)IDLE。高功耗狀態(tài)向低功耗狀態(tài)轉移存在空閑等待浪費能量，即圖4所示的尾能耗[8]。而在一次網(wǎng)絡傳輸中，幾乎60%的能耗為尾能耗[9]?？s短DCH和FACH狀態(tài)的尾部空閑門限時間，或進行集中調度傳輸、流量整形，預測傳輸結束時間，直接跳轉到空閑狀態(tài)，可顯著降低尾能耗。

蜂窩數(shù)據(jù)傳輸和信號強弱也有很大關系，Bartendr[10]指出信號弱時，每比特消耗能量是信號強時的6倍。基于信號的優(yōu)化策略在信號弱時，延遲同步通信。信號強時，預讀取網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，利用信號跟蹤來預測信號強度。

Wi-Fi占用移動節(jié)點大部分能量消耗，其固有CSMA機制導致能量效率低下。而消耗能量主要是空閑監(jiān)聽機制[11-12]。Wi-Fi的功耗控制機制為節(jié)能模式（PSM）。PSM通過周期性空閑監(jiān)聽（IL）實現(xiàn)提高能量效率。Xinyu等人研究表明即使PSM啟動，網(wǎng)絡繁忙時IL消耗約占總消耗60%，網(wǎng)絡空閑時IL消耗約80%[13]。因此在PSM基礎上進行優(yōu)化時，可以通過減少花費在IL上的等待時間來提高能量效率。

2.3 基于移動云計算的能耗優(yōu)化

移動云計算的強勁計算能力以及低延時網(wǎng)絡使得利用計算卸載來降低終端能耗成為可能。計算卸載是將原本在資源受限的移動節(jié)點上執(zhí)行的計算任務遷移到遠程服務器上執(zhí)行，降低終端CPU和內存的能量消耗，以此提高能量效率和應用性能。計算卸載原理如圖5。

計算卸載技術可分為細粒度和粗粒度兩大類。細粒度計算卸載是對應用程序進行詳細分解，分離出網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)少而計算量繁重的CPU密集型任務，將其遷移至遠端服務器。在任務遷移前，計算卸載需要細致得檢查運行環(huán)境，衡量終端當前網(wǎng)絡狀況，再將其遷移。細粒度卸載的任務分離算法加大應用開發(fā)復雜度，其好壞也直接影響了卸載效率。而粗粒度任務卸載不需要程序員預先對應用任務進行劃分，只需要將所有進程或整個虛擬機遷移到遠程服務器上運行，利用移動云統(tǒng)計應用執(zhí)行時間去尋找統(tǒng)計學上的最佳時間限制，當應用在本地運行時間超過了該限制后就被整體遷移到云端。粗粒度卸載的最大弊端是部分任務（如用戶交互部分）可能無法從云端遷移中獲益。另外，整個程序遷移可能會導致額外傳輸消耗。

3 移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢

3.1 移動互聯(lián)網(wǎng)向IPv6過渡

目前由于IPv4地址短缺，移動節(jié)點一般只能獲取私有地址。移動互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡服務提升之后，將有大量高速網(wǎng)絡訪問需求，從而會面臨很多問題。運營商為爆炸式增長的移動設備提供網(wǎng)絡服務時，需要對有限公網(wǎng)IP地址進行多級網(wǎng)絡地址轉換（NAT），為CGN服務器帶來繁重負載。私有地址破壞了移動互聯(lián)網(wǎng)的端到端特性，直接影響網(wǎng)絡服務質量。而IPv6巨大的地址空間為移動終端成為互聯(lián)網(wǎng)上的獨立節(jié)點提供了支撐，在減輕網(wǎng)絡負載的同時又可為用戶提供更好服務。

3.2 移動互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)融合

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)絡發(fā)展，具有智能感知、便捷傳輸、高效計算、綠色節(jié)能等特性的移動互聯(lián)網(wǎng)將會是物聯(lián)網(wǎng)的基礎。在感知方面，擁有眾多傳感器以及最新傳感技術的移動互聯(lián)網(wǎng)終端將成為物聯(lián)網(wǎng)的重要節(jié)點，成為物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的源節(jié)點。在網(wǎng)絡傳輸方面，移動互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡接入方式、組網(wǎng)方式是物聯(lián)網(wǎng)所需的重要網(wǎng)絡技術，移動高速實時連接的網(wǎng)絡使得物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點更好地進行數(shù)據(jù)傳輸，具有自組織、自管理特性的網(wǎng)絡令物聯(lián)網(wǎng)有更強魯棒性、穩(wěn)定性。在信息處理方面，移動云計算令物聯(lián)網(wǎng)擁有更高效的處理能力，擺脫節(jié)點電量受限、計算能力受限等局面。在能耗方面，移動互聯(lián)網(wǎng)的定位、傳輸、能耗優(yōu)化等技術均適用于物聯(lián)網(wǎng)，可降低物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡與節(jié)點能耗。移動互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的融合勢在必行。

4 結束語

移動互聯(lián)網(wǎng)基于互聯(lián)網(wǎng)技術但更注重移動特性與節(jié)點能耗，新的網(wǎng)絡技術、能耗優(yōu)化技術使其終端移動性支持更加完善。在后續(xù)發(fā)展中，IPv6過渡、與物聯(lián)網(wǎng)的融合將會令移動互聯(lián)網(wǎng)迎來新一輪的快速發(fā)展，產(chǎn)生更大社會影響力。

參考文獻

[1] 許志遠， 李婷， 王躍. 移動互聯(lián)網(wǎng)白皮書 [R]. 北京：工業(yè)和信息化部電信研究院， 2013.

[2] 崔勇， 張鵬. 無線移動互聯(lián)網(wǎng)：原理、技術、應用 [M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 2012.

[3] PERAHIA E， GONG M X. Gigabit wireless LANs： an overview of IEEE 802.11 ac and 802.11 ad [J]. ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review， 2011，15（3）， 23-33.

[4] 何寶宏. 移動互聯(lián)網(wǎng)是第三代互聯(lián)網(wǎng) [J]. 中興通訊技術， 2009，15（4）：35-38.

[5] BLANCHET M， PIERRICK S. Multiple Interfaces and Provisioning Domains Problem Statement [S]. RFC 6418. 2011.

[6] WASSERMAN M， PIERRICK S. Current practices for multiple-interface hosts [S]. RFC 6419. 2011.

[7] CUI Yong， WANG Xin， WANG Hongyi， et al. FMTCP： A fountain code-based multipath transmission control protocol [C]//Proceedings of 2012 IEEE 32nd International Conference， Macau. IEEE， 2012：366-375. DOI： 10.1109/ICDCS.2012.23.

[8] QIAN F， WANG Z.， GERBER A， MAO Z， et al. Profiling resource usage for mobile applications： a cross-layer approach [C]//Proceedings of the 9th international conference on Mobile systems， applications， and services， ACM， 2011： 321-334.

[9] BALASUBRAMANIAN N， BALASUBRAMANIAN A， VENKATARAMANI A. Energy consumption in mobile phones： a measurement study and implications for network applications [C]//Proceedings of the 9th ACM SIGCOMM conference on Internet measurement conference， New York， NY， USA. ACM， 2009：280-293. DOI： 10.1145/1644893.1644927.

[10] SCHULMAN A， NAVDA V， RAMJEE R， et al. Bartend： a practical approach to energy-aware cellular data scheduling [C]//Proceedings of the sixteenth annual international conference on Mobile computing and networking， New York， NY， USA. ACM， 2010：85-96. DOI： 10.1145/1859995.1860006.

[11] AGARWAL Y， CHANDRA R， WOLMAN A， et al. Wireless wakeups revisited： energy management for voip over Wi-Fi smartphones [C]//Proceedings of the 5th international conference on Mobile systems， applications and services， New York， NY， USA. ACM， 2007：179-191. DOI： 10.1145/1247660.1247682.

[12] CHANDRA R， MAHAJAN R， MOSCIBRODA A， et al. A case for adapting channel width in wireless networks [C]//Proceedings of ACM SIGCOMM computer communication review， New York， NY， USA. ACM， 2008，38（4）：135-146. DOI： 10.1145/1402958.1402975.

[13] ZHANG X X， KANG G S. E-mili： energy-minimizing idle listening in wireless networks [J]. Mobile Computing， IEEE Transactions， 2012，11（9）： 1441-1454. DOI： 10.1109/TMC.2012.112.