异构网络融合是未来网络发展的必然趋势，但也面临着诸多问题和挑战。应急通信网络要充分发挥功效，必须有效解决各种不同类型的网络之间的融合互通问题。文章给出了一种支持异构网络融合的应急通信网络结构，提出了无线自组网基于连接共享接入因特网的方案，详细说明了互联网关选择和允许控制机制，并分析了控制消息开销。
1 引言
随着移动通信和互联网技术的高速发展，涌现出了大量不同类型的通信网络，使用户置身于一种复杂多样的异构网络(heterogeneous network)环境中，信息获取和传输的手段以及数据存储和共享的方式发生了很大变化。当前，网络形式种类繁多，各具特点，它们之间是一种共存发展的关系，并且从经济和技术上考虑(在今后很长一段时间内没有哪一种网络能够独自满足各类用户多样化的通信服务需求)，预期这种关系仍将长期存在。这些网络涵盖有线通信网络(主要是PSTN网络和因特网)、无线通信网络和卫星通信网络，特别是体现在各种新兴的无线通信网络方面，包括2G和3G蜂窝移动通信网络(如GSM、UMTS、CDMA2000等)、无线个域网(WPAN，如802．15)、无线局域网(WLAN，如802．11)、无线城域网(WMAN， 如802．16)、无线广域网(WWAN，如802．20)、移动Ad hoc网络(MANET)、无线传感网(WSN)和无线Mesh网(WMN)等。尽管这些异构网络为用户提供了多种多样的通信方式和网络接人手段，但是如果它们之问不能实现有效互联互通，则会产生许多信息孤岛，无法提供具有端到端服务质量(QoS)保证的通信服务，从而大大削弱网络的整体效用和用户的服务体验。因此，异构网络融合互通不仅是构建无所不在的通信网络的迫切需求，也是今后信息网络发展的必然趋势。异构网络融合必须充分利用不同网络间的互补特性，解决多种不同类型网络的有机融合问题。具体来讲，异构网络融合就是采用通用的、开放的技术实现不同网络或网元的互联、互通和集成，涉及到接入网融合、核心网融合、终端融合、业务融合和运营管理融合等方面。
异构网络之间的协作和融合已成为目前业界关注的焦点。通过异构网络融合，可以充分利用不同类型的网络技术优势，获得多方面的收益：可以极大提升单个网络的性能，在支持传统业务的同时也为引入新的服务创造了条件；可以扩大网络的总体覆盖范围，使网络具有更好的可扩展性；可以平衡网络业务负载，增加系统容量；可以充分利用现有各种网络的资源，降低网络运营商和服务商成本，增强竞争力；可以向不同用户提供各种各自所需的服务，更好地满足用户多样性的需求，提高用户的满意度；可以提高网络的可用性和可靠性，增强系统的可生存性。
但是也必须认识到异构网络通常是面向不同的应用场景、目标用户和通信需求设计的，技术特点、组网方式、服务性能和覆盖范围各异，从低层的信道接入方式到高层的资源管理与控制技术都不尽相同。因此，实现种类繁多、技术各异(甚至彼此不兼容)的异构网络的融合互通面临诸多问题和挑战。
2 研究发展现状
网络融合的概念可以追溯到上世纪70年代，当时通信界提出过网络和业务综合(Network and Service Integration)的概念，如著名的综合业务数字网(ISDN)和宽带综合业务数字网(B—ISDN)，但是受到业务和技术发展的制约，ISDN未能获得成功。直至上世纪90年代，随着移动通信技术的发展，国外提出制订IMT一2000全球统一移动通信标准的目标，也未能成功。与此同时，上世纪末伴随着Internet的迅猛发展，业界提出了下一代网络(NGN)的概念，研究思路由网络综合转向网络融合(Network Convergence)，首次在统一的IP技术基础上展现了信息通信网融合的前景。NGN关于网络融合的研究成果集中体现在由3GPP提出的IP多媒体子系统(IMS)技术，它集成电信网和因特网技术以及固定网和移动网技术，网络融合综合了互联网IP技术、软交换技术和蜂窝核心网技术。尽管IMS技术本身有一定局限性，但是作为核心网融合技术来说，它还是得到业界的广泛认同。
实际上，从上世纪90年代以来，电信网、广电网与互联网融合发展的问题就已被提上议事日程，也就是我们常说的“三网融合”。三网融合的目标是实现三大网络的互联互通、资源共享和业务综合，为广大用户提供包括语言、数据、广播电视和多媒体业务在内的多样性服务。三网融合是信息技术不断革新应用的产物，也是信息化不断深入发展的必然要求。但是，直至今日还没有完成真正意义上的“三网融合”。鉴于三网融合已进入实质性实施阶段，本文主要关注异构通信网络(特别是异构无线网络)之间的融合互通。
迄今，学术界和产业界已就异构网络融合问题相继提出了：大量解决方案，涵盖无线网络与Internet的融合、无线广域网与无线局域网的融合以及无线局域网和蜂窝网络的融合。欧洲电信标准化组织(ETSI)和其他一些标准化组织已经对蜂窝通信网络与WLAN 的融合进行了广泛的研究。例如WLAN标准化组织建：立了无线互通工作组(WIG)来处理蜂窝通信网络与WLAN的互通机制。针对无线广域网(如GPRs)与无线局域网的融合，ETSI制定了两种方案：松耦合和紧耦合方案。举例来说，在松耦合下，WLAN是作为GPRS网络的补充，只利用GPRS网络的用户数据库，与GPRS的核心网络没有接口。而在紧耦合下，WLAN则通过特定的网络接口直接连接到GPRS核心网。
目前多网融合的发展方向主要有两个：一个是以IP骨干网为基础的网络融合，另一个是基于Adhoc的多网融合。基于Ad hoc的多网融合系统可以扩展无线通信的覆盖范围，提高资源利用率、改善系统吞吐量，平衡业务流量，降低移动终端的功耗，成为近年来国内外研究的热点，特别是在无线自组网与蜂窝移动通信系统的结合方面取得了一系列研究成果，提出了许多实用的网络模型，如A2GSM (Ad hocassisted GSM)、MCN(Multi—hop Cellular network)、SOPRANO(Self-organizing Packet Radio Ad hoc Net——works with Overlay)、iCAR(Integrated Cellular and Adhoc Relaying System)、UCAN(Unified Cellular and Adhoc network architecture)等。A2GSM在传统蜂窝网络中支持移动终端多跳中继，以增加系统容量、增强网络覆盖和解决始终存在的蜂窝覆盖盲区问题；MCN提出允许数据包从移动节点多跳传输到蜂窝通信系统基站的集成通信网络模型；SOPRANO将蜂窝网与无线白组网相结合，在蜂窝网中引入动态分布的具有路由中继转发功能的无线路由器，以提供无线因特网和多媒体服务；iCAR的基本思想是通过设置一定数量的自组网中继站(ARS)，实现小区间业务流量的负载均衡，以控制网络拥塞、疏导热点区域及避免掉话等。
从全球范围看，欧盟对于异构网络融合的研究居于领先地位，开展了一系列研究项目。BRAIN项目提出了无线局域网与通用移动通信系统(UMTS)融合的开放体系结构；DRIVE项目研究了蜂窝网和电视广播网的融合问题；MOBYDICK项目重点探讨了在IPv6网络体系下的移动网络和WLAN的融合问题；MAGNET项目通过设计、研发和实现个人网络(PN)来为移动用户在异构网络环境中提供无处不在、安全的个人服务；EuQoS项目侧重于研究异构网络的端到端QoS技术。WINNER项目希望以一个无处不在的无线通信系统代替目前多种系统(蜂窝、WLAN和短距离无线接入等)共存的格局，提高系统的灵活性和可扩展性，能够在各种无线环境下自适应地提供各种业务和服务。这些项目研究范围涵盖接入、网络和业务等方面，既相互竞争又相互合作，从多个层面和角度对异构网络融合问题进行了有意义的研究。虽然这些项目提出了不同网络融合的思路和方法，但与多种异构网络融合的目标仍有一定距离。最近环境感知网络(Ambient Network)项目提出的基于认知网络和无线自组网的网络融合理念，为异构网络融合的实现提供了更有效的途径。
Ambient Network项目(简称AN)始于2004年，历时四年，是欧盟第六框架计划下的一个大型合作项目。它的目标是促进异构无线网络之间的有效互联和协作，使得用户无论使用何种网络都能够享有丰富易用的服务。AN项目的研究工作涉及到很多方面，包括移动性管理、多种无线接入方式、无线资源管理、动态网络连接和路由、服务感知自适应传输以及异构网络的统一动态融合机制等。AN是一种基于异构网络问的动态合成而提出的全新的网络观念，它不是以拼凑的方式对现有的体系进行扩充，而是通过制定灵活即时生效的网间协议为用户提供访问任意网络的能力。AN最大的特点就是采用了多无线接入技术(MRA)，MRA技术可使终端具有同时与多个接入网络保持多条独立网络连接的能力，进而实现终端在不同网络间的无缝移动和数据的多跳传输。而多无线电协作技术是MRA技术的延伸和扩展，其主要功能是实现多无线电问资源共享和不同网络间的动态协同。为了实现AN项目的目标，支持异构网络的融合和协作，AN必须能持续感知底层网络的特性，其网络管理必须是动态的、分布式的、自管理的、自维护的和可重配置的，并能自动响应网络及周边环境的变化。
3 面临的问题
在未来的融合通信网络中，业务的提供将与网络无关，用户可自由选择业务供应商和网络接人方式，真正实现任何人(Whoever)在任何地方(Wherever)使用任何终端(Whatever)都可以获得各种通信服务的目标。但是要真正实现异构网络融合互通，还面临一系列问题与挑战，主要包括移动性管理、无线资源管理、呼叫接人控制、网络接人选择以及端到端QoS保证等方面。
移动性管理：移动管理包括位置管理和移动切换两方面，是实现异构网融合的关键技术之一。过去，对移动切换技术的研究多集中在单一通信系统内，从用户的角度出发，主要保证语音业务和低速率业务的延续性和可靠性。在异构网络环境下，还需要从网络的角度重新设计切换方案，以实现网络之间和网络内部的业务负载均衡，从而有效利用网络资源以满足用户对多业务的需求。因此，如何设计具有高灵活性、低复杂度并综合考虑多种异构网络参数的切换算法是当前研究的重点和难点。
无线资源管理：与传统的单一无线系统相比，异构无线网络中的资源不仅仅指无线频谱，还包括移动用户的接人权限、信道编码、发射功率和连接模式等。传统无线资源管理的目标是在有限带宽的条件下，在综合考虑网络话务量分布和信道时变特性的情况下，合理分配和调整无线网络的可用资源，提高无线频谱利用率，防止网络拥塞和减少信令开销。为此，需要针对异构无线网络设计有效的资源管理方式，其中比较著名的当属联合无线资源管理(JR—RM)和多无线资源管理(MRRM)。
呼叫接入控制算法：传统蜂窝网络中的呼叫接入控制算法已经得到广泛的研究。不同于蜂窝网络，异构网络融合系统提供了多种业务类型，不同类型的业务需要不同的QoS保证。语音、视频等实时业务是时延敏感而分组丢失可承受的，非实时业务是分组丢失敏感而中等时延敏感的，文件传输等尽力而为业务是分组丢失敏感但对时延相对不敏感的。不同的网络对不同的业务有不同的支持能力。蜂窝网络能够提供对实时业务的有效支持，保证其实时陛，但是数据业务的传输速率较低；WLAN等短距离通信网络提供了较高的数据传输速率，但是对实时业务的支持有待进一步提高。目前，异构网络融合系统中CAC算法的研究主要集中在蜂窝／WLAN融合系统中的呼叫接入控制。在基于分组交换的无线网络中，使用跨层优化将会提高系统性能。因而，在研究异构网络CAC算法时，应通过跨层设计来评估呼叫级(呼叫阻塞率、被迫中断概率)和分组级的QoS性能。
端到端的QoS保证：由于异构网络的融合是完全基于IP的，因此对于任何具有IP互连能力的通信终端来说，端到端的呼叫不仅会跨越不同所有者的网络、采用不同接入技术，而且不同网络的QoS支持能力与Qos控制策略可能无法在呼叫发起之前获知。因此，在异构移动网络中提供完善的端到端QoS保证，首先需要提供基于IP的QoS协商与联合资源分配机制；另外，不同网络的QoS信息应该能够在同一体系中被表示与计算，可以引入跨层的反馈交互机制，最终实现自适应的端到端QoS保证。
异构环境下具备QoS保证的关键技术研究，无论是最优化异构网络的资源，还是对接入网络之间协同工作方式的设计，都是非常必要的，已成为异构网络融合的重要研究内容。目前的研究主要集中在呼叫接人控制(CAC)、垂直切换、异构资源分配和网络选择等资源管理算法方面。传统移动通信网络的资源管理算法已经被广泛研究并取得了丰硕的成果，但是在异构网络融合系统中的资源管理由于各网络的异构性、用户的移动性、资源和用户需求的多样性及不确定性，给该课题的研究带来了极大的挑战。
异构网络选择：异构网络选择是指移动设备在众多无线接入网络中根据网络选择准则，选择最优接入网络的问题，其实质是一个最优化问题。许多研究者已经提出了网络接入选择算法，如随机接入、高带宽优先接入等。然而，这些算法只考虑用户端或者只考虑总体网络容量，仅适用于单用户情形，而不适用于多用户存在情况，并且缺乏对异构资源影响的考虑。因此，异构网络选择算法需要细致分析异构网络环境中网络选择的需求和特点，从多层协调(物理层、链路层、网络层、应用层)的思想出发研究相应的数据信息模型。由于受各异构网络特征的影响，采用传统的单目标决策理论，仅仅优化某一种性能指标很难找到一种完美的方案，使得在接入选择时各用户要求的多个目标同时达到最优。可以将该类问题看作是多目标优化的问题，从而可以引入多目标决策理论，考虑如何在有限资源的限制条件下找到一个平衡方案。亦即在作接入选择时在多种方案的有效解之间进行权衡，找出最终的满意解。
安全问题：同所有的网络一样，安全问题同样是无线异构网络发展过程中所必须关注的一个重要问题。异构网络融合了各自网络的优点，也必然会将相应缺点带进融合网络中。异构网络除存在原有各自网络所固有的安全需求外，还将面临一系列新的安全问题，如网问安全和安全协议的无缝衔接，以及提供多样化的新业务所带来的新的安全需求等。例如在融合无线自组网的多跳蜂窝网络中，允许移动终端与临近终端通信并为其他终端转发数据，终端在加入或离开一个子网时无需声明，很难保证所有移动终端都按预定的协议进行操作，这些对数据的保密与安全带来了新的安全问题。
4 结束语
随着网络技术的迅速发展，各网络将经历从隔离到互通、从互通到协同乃至融合的演进。也就是说，异构网络融合是一个长期逐步演进的过程，当前很多研究仍处于初始阶段。异构网络资源的复杂性、网络状态的多样性、各网络的差异性等特点给异构网络融合的设计和实现带来了诸多问题和挑战，涉及移动切换、网络资源管理、呼叫接入控制、端到端QoS保证和安全问题等方面。总之，异构网络融合前景光明、道路曲折，真正实现任何人(Whoever)在任何地方(Wherever)使用任何终端(Whatever)都可以获得任意通信服务的目标还有很长一段路要走。