未来移动通信业务模型及架构

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自20世纪90年代以来，移动通信获得了巨大的成功，不断地改变着人们的生活方式和生产方式。从1G到3G，移动通信之所以获得如此迅猛发展，一是因为业务满足了用户的需求，二是因为业务架构满足了产业价值链的需求。需求驱动的发展观决定了业务成为通信网络系统成败的关键。因此，建设后3G(B3G)时代的未来移动通信系统需要非常重视业务的研究。
    1.B3G系统的演进和未来业务特征
    伴随着更新的接入和传输技术的使用，网络系统的传输带宽和服务质量大幅提高，成本则大幅降低，为高速高质量多媒体业务的繁荣创造了条件。系统将面对丰富的异构网络和平台，如通用移动通信系统(UMTS)、数字视频广播(DVB)、公共交换电话网(PSTN)、Internet，以及广泛部署在用户生活、工作空间的身体域网(BAN)、个人域网(PAN)、家庭网(HAN)、车域网(VAN)等智能终端网络。这些网络拥有各自的平台和业务资源，并在IP的基础上形成一个融合互补的无所不在的移动通信业务环境，为用户提供个性化的业务体验。B3G时代的商业模型将拥有更丰富的内部关联，其价值链条将引入更灵活的角色和环节，从而提供广阔的市场空间。移动通信系统的演进将构建一个包括网络提供商、接入提供商、业务提供商、软件开发商、内容提供商甚至用户本身在内的灵活、良性互动的业务环境。该业务环境具有以下特点：一是新颖的业务提供方式，如对等方式(P2P)；二是用户将体验更丰富多彩、更智能的个性化业务；三是集成更多的创新力量(第三方软件商、用户)来快速开发业务应用；四是业务将以更高效的、更易接受的方式运营和部署。
    B3G业务特征可以根据其演进趋势从两个角度进行分析而得到。一是以用户为中心，在业务提供上注重用户业务体验的增强；二是面向市场，在业务运营、开发、部署上要满足构建具有创新性和增值空间的价值链的需求。
    B3G时代的业务特征为：
    (1)多媒体化的直观特征。对通信感官体验的追求使多媒体成为主流的信息表示和交互方式，而高传输带宽和质量铺平了道路，B3G系统中多媒体业务将大量涌现。
    (2)个性化、环境感知和适配性的智能化特征[1]。普适(Ubiquitous)的业务提供方式，以用户为中心，主动感知上下文及用户偏好，智能适配业务行为，提供更自然的交互方式，从而使用户的注意力更集中到任务本身，增强用户的业务体验。
    (3)带来丰富的创新资源的开放性特征。作为Internet在业务多样性和创新性上的成功经验，开放分层的架构思想将为B3G业务提供带来丰富的创新资源，也为异构系统提供了融合的契机。开放性特征主要体现在通过标准接口开放网络的能力，从而允许第三方利用开放的网络能力和资源灵活快速地开发和部署业务。
    (4)B3G系统必然面对一个异构的网络环境，不同无线技术和接入网络将以互补的方式共存[2]。不论是为了在异构环境下保持个性化业务的一致提供，还是为了高效利用异构网络资源进行业务开放部署，B3G系统不仅在网络层面上要实现互通，而且在业务和应用层面上也要实现无缝的融合。增强用户体验和面向市场产业的需求在“无缝融合”这一点上获得了统一。
    2.B3G业务模型及架构
    2.1业务参考模型
    以统一的业务模型为参考设计B3G融合业务架构，以支持个性化业务生成和部署，这是B3G业务研究的基础问题。B3G系统建设的指导原则是在现有技术架构的基础上演进而不是革命，即保持良好的延续性和兼容性，在业务模型和业务架构的设计上亦无例外。
    现有的移动通信业务模型主要体现在UMTS的OSA/Parlay架构上[3]。OSA/Parlay使用通用对象请求代理体系结构(CORBA)和Web服务的分布式技术，将运营网络业务能力通过网关抽象开放给外部应用。然而，该模型主要依赖静态的网络基础设施，提供有限标准的线性的业务能力抽象。为了支持异构融合，支持边缘终端网络的动态业务能力抽象，以及支持更灵活个性化的业务生成和部署，业务模型将扩展成如图1所示的三维模型。该模型分解为业务支撑范围、业务能力定义和适配特征元素3个“正交”的维度。

    业务模型在业务支撑环境维度将所有B3G相关设备的业务资源都列入能力抽象的范围，可扩展地支持静态业务能力(运营网络业务功能)和动态业务能力(终端系统、终端网络、应用服务器端系统的业务功能)。可扩展的开放业务能力屏蔽了网络和平台异构性，将业务资源整合到一个框架中，实现了业务支撑层的融合。
    模型在业务能力定义维度以分层的方式划分和定义业务能力。不同层业务能力具有不同的业务抽象粒度，粒度随着层次增高而增大。最低层业务能力抽象粒度最小，提供如命令调用、事件通知等基本功能，但通用性最强，适合所有可用业务。上层业务能力可由下层业务能力组合或继承形成，随着业务能力层次增高，其通用性减弱而定制性增强。在这个结构下，简单业务和复杂个性化业务可以灵活地生成和部署。继承机制的运用为业务能力定义提供了兼容性框架，跨异构平台的业务融合通过不同层业务能力互操作及继承得以实现。即使应用没有配置更符合其需求的高层业务能力，它仍能通过继承关系使用高层次的业务能力[4]。
    应用执行环境是高层端到端应用运行的位置，对开放业务能力的具体调度和协同工作进行管理和协调。它是一种或若干种语言的解释器/解析器，如Java字节码、超文本链接标记语言/可扩展超文本链接标记语言/可扩展标记语言(HTML/XHTML/XML)等。应用逻辑与执行环境具有松耦合的架构，从而使应用的生成能以设备无关的方式进行。
    个性化、环境感知、适配性特征体现在业务提供架构的各个层次面。模型引入适配性特征元素对其进行支持。适配性特征元素包括分布式应用体系、环境监视和事件通知、数据信息管理、上下文模型构建、语义匹配，它们并不是实体，在业务架构中分布于不同业务层和不同的网络位置，依靠交互协同实现功能。适配性特征元素可看作是构建业务平台和开发业务能力使其具备个性化、可适配的特征的一系列工具集，世界无线研究论坛(WWRF)第二工作组将这些工具集定义为通用业务元素[5]。
    分布式应用框架提供中间件技术实现业务能力的抽象和开放应用编程接口(API)，以及在异构动态环境中业务的发现、互操作、替换和自动(重)配置。环境监视和事件通知负责监测业务运行环境的上下文，并在环境改变并满足某种触发条件时进行事件通告以支持业务行为的适配。数据信息管理提供一致、可靠的分布式数据库平台，负责业务相关信息(如用户信息、用户定制、设备能力、应用需求等)的操作和管理。个性化适配业务的提供需要不同的上下文模型的支持，包括网络情况、用户偏好、环境等，需要提供上下文模型构建的工具集。模型的异构性导致建模方式的多样化。适配业务的提供需要系统匹配个人偏好、网络和终端能力、应用需求，匹配需要使用语义技术来规范各种信息的表示和定义，支持基于语义的决策和适配。
    2.2业务架构
    B3G的业务架构秉承业务应用与承载网络分离的设计思想，根据业务模型进行构建。如图2所示，业务架构自底向上主要分为3层：网络基础设施层、业务提供层和应用层。

    网络基础设施面向各种类型的接入网、核心运营网、公共电话网、卫星通信系统、无线局域网、终端或终端网络，这些异构子系统在IP网络连接上互通，提供业务资源。网络基础设施还包括控制和管理子层，如IP多媒体子系统(IMS)[6]。网络基础设施层的最上层是业务支撑子层，它提供开放API使业务提供层接入异构的网络基础设施的业务资源。业务支撑子层的中间件平台是异构共存的。
    业务提供层部属在网络基础设施之上，设置了业务引擎和业务特征，还设置了业务提供、平台管理及配置功能。业务引擎分为基本业务引擎和适配业务引擎。基本业务引擎子系统处于业务模型的较低层，它提供与网络和平台相关的基本业务功能，如服务质量(QoS)控制、开放业务架构(OSA)网关功能、终端控制等。基本业务引擎实现主要有两种方式：封装开放API(如OSA/Parlay)的业务功能、重新封装业务能力(如终端控制)。适配业务引擎子系统支持个性化业务生成和提供。适配业务引擎主要通过集成、扩展基本业务引擎或网络支撑子层开放的业务能力实现。适配业务引擎具有更高层的业务能力粒度，提供个性化、QoS协商、信息提取、环境建模、业务适配等功能[7]。业务引擎的开发和集成采用业务参考模型作为指导。业务特征子系统在业务引擎及网络业务能力的开放接口的支持下提供业务实施的一系列功能，如视频会议、文件传输、多媒体通话等，具备高层业务能力的属性。业务特征可以集成适配决策的控制功能，以向上层应用提供自适应的业务。业务提供层提供中间业务，或提供应用逻辑执行环境，通过开放式API以便运营商和第三方可以更加快速地生成和部署个性化业务。另外，业务提供层还包括业务提供代理、业务资源库、用户信息库、配置管理和计费管理等平台子系统。子系统与执行环境、业务特征、业务引擎交互，提供业务配置、业务提供、业务运行控制、数据管理、用户管理、服务提供商管理、鉴权、计费等业务管理支撑功能。业务提供层功能基于分布式的体系结构，既支持中心化的业务架构，又支持对等的无中心架构。
    应用层在业务提供层之上，基于开放接口或执行环境生成和部署应用逻辑。应用逻辑协同调用业务资源实现高层端到端应用以提供业务体验。多层多粒度的抽象模型既支持复杂可适配应用的提供，又支持简单应用的提供。应用逻辑可由脚本化描述语言实现，支持与平台无关的松耦合架构思想。
    3.B3G业务支撑技术
    3.1虚拟归属环境
    针对异构环境下的个性化业务提供，第三代合作伙伴计划(3GPP)提出了虚拟归属环境(VHE)[8]。VHE具有面向网络和终端的异构性特点，其核心思想体现在跨越不同网络和终端的个性化业务的可携带性，具体是指在VHE环境中，无论用户处于何种网络，使用何种终端，身处何地，用户始终能获得相同的个性化特征、用户化接口和服务，用户可享受的具体配置仅受限于网络和终端的能力。VHE的业务提供方法包含了对开放融合、个性化适配的业务特征需求的支持，在B3G时代，VHE将成为业务提供的关键技术。
    VHE尚处于研究和规范阶段，目前只对其概念和业务支撑体系进行了描述。VHE定义开放工具集业务引擎，通过开放业务架构提供平台，支持业务个性化适配及移动性。VHE的工具集包括开放业务架构(OSA)、移动网络增强定制应用逻辑(CAMEL)，用户识别模块应用工具箱(SAT)和移动台应用执行环境(MExE)。VHE的开放分层业务架构、适配平台叠加的设计思想、中间件平台技术、基于代理的实现技术及通用用户轮廓(GUP)技术，对B3G个性化适配业务系统建设起到基础支撑作用。
    3.2业务支撑环境——IMS
    IP多媒体子系统(IMS)针对3G系统的实时多媒体业务提供，定义了一个全IP的覆盖业务支撑子系统，并在R6版本中进行了完善。IMS对控制层功能做了进一步的划分，将呼叫会话控制功能(CSCF)和媒体网关控制功能(MGCF)分开，从而使网络结构更加灵活开放；另外，IMS的基本协议是基于因特网工程任务组(IETF)的，增加了支持移动性的扩展，包括会话启动协议(SIP)、Diameter、通用开放策略服务协议(COPS)等。IMS作为移动与固定网络融合核心控制的演进趋势已经得到标准化的支持。IMS支持VHE的开放业务架构，定义了基于IMS业务控制(ISC)接口的SIP服务器、OSA/Parlay和CAMEL业务提供方式，形成一个灵活的业务支撑环境。
    3.3业务能力开放支撑技术
    业务能力开放的实现主要通过向业务层提供屏蔽各种下层网络细节的标准化协议和可编程应用程序接口(API)。开放式API将网络能力封装成各类业务控制功能(SCF)，向业务层提供。运营商和第三方应用能通过开放式API使用网络功能，生成和部署灵活的应用。目前主流的开放式API技术包括OSA/Parlay、Parlay X、JAIN等。
    开放业务架构(OSA)是移动通信业务开放的重要举措，其API是同Parlay组织联合定义，接口包括IDL、Java和WSDL的类型，抽象了网络的各种功能。OSA提供框架API完成网络功能API的管理，所有接口都由OSA网关提供给应用服务器上的应用。
    Parlay API由Parlay组织定义，和OSA相比，覆盖范围有所扩展，但在API规范上与OSA是一致的。因此，常将两者合称为OSA/Parlay或者Parlay/OSA。
    Parlay X扩展了OSA/Parlay的规范，具有更高的抽象程度以及更好的易用性，它主要基于Web服务技术，通过Parlay X网关提供抽象接口。
    集成网络的Java API(JAIN)是基于Java语言的API接口，大致可分为两类的API，分别是协议API与业务API。协议API是为多种网络信令协议提供对应的API，如事务处理应用部分(TCAP)、综合业务数字网用户部分(ISUP)、智能网应用协议(INAP)、SIP等；业务API的应用目标与OSA/Parlay类似，支持多种异质网络环境下开放综合应用，目前已经和Parlay/OSA API联合定义，可以看作Parlay API的Java版本。
    在B3G的融合环境下，终端网络、自组织网络都将纳入提供业务开放API的范畴。而这些业务能力相对网络侧的业务能力，具有动态性和灵活性，不容易规范。所以，除了通过Java或Jini[9]、开放服务网关联盟(OSGI)[10]等对能力进行分级抽象，还需要基于中间件平台框架支持开放能力的即插即用、互通、跨域协同、甚至基于语义的发现和协同。
    3.4分布式计算架构及技术
    Internet在电信系统的发展尤其是业务提供方面正产生越来越大的影响，以分布式计算架构为主的平台技术必将成为未来移动业务的支撑技术之一。业务能力开放API与CORBA、Web服务的结合可以看作是一个开始。终端的环境化和分布化将引入更多的分布式平台提供互操作和融合的功能特性，如OGSI、Jini、通用即插即用(UPnP)、JXTA等。业务的统一部署和分布式协同将促进面向服务架构[11]的主流化。Web服务、P2P网络甚至网格系统都有可能对B3G业务提供、部署进行支撑。分布式计算架构和技术将推进网络、终端、业务的融合，提高业务体系的性能和提供更有吸引力的个性化业务。
    3.5智能技术
    随着业务的发展，更多智能处理将被引入到业务应用中，以支持个性化、普适化、环境感知等特征。智能处理技术将成为未来移动通信系统业务提供的亮点。这些技术将覆盖人工智能的诸多领域，包括机器学习、识别感知、数据融合、知识表示、语义逻辑、本体论、决策等。来源于人工智能研究领域的智能代理技术将结合这些智能技术在个性化业务提供、适配的实现上广泛地使用。这些技术目前大都处于研究阶段，仅在语义、本体论方面有系统应用或标准化的阶段性成果，如语义网络(Semantic Web)、资源描述框架(RDF)、Web本体语言(OWL)等。随着技术的成熟及它们的综合运用，未来移动业务的智能化、个性化和适配性将得到大幅提升。
    3.6轮廓数据技术
    在B3G时代，业务个性化、环境感知乃至业务的适配，需要足够的数据信息的支持，它们包括用户信息、用户偏好定制、终端信息、网络信息、环境上下文等。轮廓(Profile)数据技术主要涵盖以下方面的研究：规范机器可识别和理解的表达方式，提供轮廓数据在异构环境下按需分布和一致性管理操作的平台，支持环境上下文等元数据的融合、理解、匹配、建模等，这些都是智能化业务提供必须解决的重要课题。
    在轮廓数据表示上，语义和本体论技术将得到广泛应用。统一建模语言(UML)或者XML可以为轮廓数据中不同的信息集定义语义，而本体论(Ontology)面向更动态变化的结构。现有的技术如Semantic Web、OWL、RDF等都将对轮廓数据表示的规范提供良好的参照。轮廓数据在异构环境下的分布式管理操作平台的研究目前主要面向用户轮廓数据，而且尚处于研究阶段，如通用用户轮廓数据(GUP)、个人业务环境等，旨在提供用户信息、用户定制的统一管理和访问的机制，以支持不同场合下用户个性化业务环境的构建。
    4.结束语
    随着移动通信技术的发展，人们对个性化智能业务的需求越来越迫切。未来通信系统构想了一个无所不在提供普适服务的无线世界，开放融合、以用户为中心将成为其主要特征。在探索未来移动通信业务架构的诸多研究中，VHE得到了业界的广泛认可，其设计思想对B3G业务架构起到了良好的借鉴作用，但在功能分布、能力开放粒度、智能元素支持等方面尚未定义清晰，需要深入研究，形成一个支持异构业务资源融合互通、个性化特征快速开发、业务应用灵活生成的业务模型。在业务模型指导下，业务架构将包容各异的业务资源，提供不同抽象层次的业务引擎，部署智能的功能组件，形成可适配的业务提供框架，并自顶而下地促进支撑技术的发展，从而加快移动通信系统演进的步伐。
    5.参考文献
    [1]TafazolliR.Technologies for the Wireless Future [M]. New York. NY, USA: John Wiley and Sons, 2005.
    [2]GazisV,Houssos N, Alonistioti A, et al. Evolving Perspectives of 4th Generation Mobile Communication System[C]// Proceedings of 13th IEEE Conference on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC2002), Vol 1. Sep 15-18,2002, Coimbra, Portugal. Piscataway, NJ, USA:IEEE, 2002:201-207.
    [3]MoerdijkAJ, Klostermann L. Opening the Networks with Parlay/OSA: Standards and Aspects Behind the APIs [J]. IEEE Network, 2003, 17(3): 58-64.
    [4]MunozM,Rubio C G. A New Model for Service and Application Convergence in B3G/4G Networks [J]. IEEE Wireless Communications,2004, 11(5):6-12.
    [5]ArbanowskiS,Ballon P, David K, et al. I-centric Communications: Personalization, Ambient Awareness, and Adaptability for Future Mobile Services [J]. IEEE Communications Magazine, 2004,42(9): 63-69.
    [6]3GPPTS23.228 V6.6.0.IP Multimedia Subsystem [S].2004.
    [7]KarlichS,Zahariadis T, Zervos N, et al. A Self-Adaptive Service Provisioning Framework for 3G+/4G Mobile Applications [J]. IEEE Wireless Communications, 2004,11(5): 48-56.
    [8]3GPPTR22.121 V5.3.1. Virtual Home Environment (VHE) [S]. 2002.
    [9]JiniOrg- Th e Community Resource for Jini Technology [EB/OL]. [2006-2-7]. www.jini.org/.
    [10]DobrevP,Famolari D, Kurzke C,et al. Device and Service Discovery in Home Networks with OSGi [J]. IEEE Communications Magazine, 2002,40(8): 86-92.
    [11]NikooM.Service-Oriented Architecture, Where do We Stand? [EB/OL]. [2006-2-7]. http://consulting.dthomas.co.uk/software_architecture_consulting/articles_resources.htm.
    作者简介：
    胡铮，北京邮电大学无线新技术研究所在读博士生。主要研究方向为未来移动通信网络业务、分布式终端业务环境、移动泛在业务环境。张平，北京邮电大学教授，博士生导师，无线新技术研究所所长。现为《北京邮电大学学报》编委会副主任、北京邮电大学学术委员会委员、中国C3G总体组专家成员、国家“863”未来移动通信FuTURE计划项目总体组成员、中国信息产业部第三代移动通信技术实验专家组成员、国际无线研究论坛(WWRF)副主席。