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移动互联网的技术优化与发展

作者：张扬军 宋健 崔勇

来源：《中兴通讯技术》2013年第06期

从移动互联网网络优化、能耗优化等方面着眼，重点研究互联网与移动互联网的异同点与技术的继承发展。结合移动互联网的发展现状，认为网络协议向IPv6的过渡，与物联网的融合将会是移动互联网发展的趋势。 移动互联网；网络优化；能耗优化

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

互联网的出现对世界经济、政治、文化等方方面面产生了深刻影响。然而传统互联网难以满足人们移动、实时接入网络的需求。移动互联网的诞生实现了人们随时随地接入互联网的梦想。

在起步的最初5年，全球移动互联网用户数量的增长速度是传统互联网相同发展阶段的2倍，目前已经超过了传统互联网，达到了15亿之巨。移动互联网的迅猛发展更是创造了产业迭代周期由PC时代的18个月（摩尔定律）缩减至互联网的6个月的奇迹[1]。移动互联网的应用已经渗透到人们工作、生活的每个角落，但移动互联网的概念却始终缺乏一个统一的定义。

广义上来说，移动互联网是以无线方式接入互联网并提供移动网络访问服务的各种网络的总称。移动互联网继承了互联网的网络体系架构，具有应用层、传输层、网络层等清晰的网络层次结构。但由于移动互联网网络环境复杂多变，又强调移动实时接入，传统互联网的组网方式以及终端接入技术已经无法完全适用于移动互联网。此外，互联网网络节点有持续电量供应，而移动互联网的网络终端多采用电池供电，有限的电量直接影响到用户的网络体验。以上这些差异导致移动互联网与传统互联网在网络技术、能耗技术等方面具有较大差异。 1 移动互联网的网络技术

为满足网络节点移动实时接入网络的需求，移动互联网在终端接入、组网技术等方面都与互联网有着巨大差别。为适应新的网络环境，网络终端更注重多接口多连接管理与移动性管理。

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1.1 网络接入技术

互联网的接入方式主要为有线接入，而为实现各应用场景的移动性支持，移动互联网则主要为无线接入，并有多种网络接入方式。 （1）移动通信网

移动通信网络是移动互联网的重要组成部分，采取集中控制、层次化路由的体系架构，通过核心网分组域的GPRS业务支持节点（SGSN）和GPRS网关支持节点（GGSN）为接入端提供分组数据服务。

移动通信网络具有很强的移动性支持，使终端可以在很大地域范围内，在高速移动的同时保持移动通信网络的连接。为适应移动互联网用户高速传输的需求，移动通信网又推出了LTE技术，在无线接入时采用正交频分复用多址编码技术来达到高速传输，通过有空间复用特性的多输入多输出（MIMO）技术，使得无线传输时数据可以在多重天线之间并行收发，同时取消无线控制器（RNC），简化网络设计，实现全IP路由，朝着扁平化全IP网络结构演进。高速数据服务的支持使得移动通信网宽带化，必将为移动互联网提供更强有力的网络支持。 （2）无线局域网

无线局域网是互联网的延伸，其网络速度几乎与以太网相当，并允许终端在一定范围内移动接入。同以太网不同的是，以IEEE 802.11系列标准为基础的无线局域网在媒体访问控制子层中采用载波监听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）控制传输媒介，在数据传输前必须检测媒介空闲状态，避免冲突，而不是同时进行传输和冲突监听，并采用两次握手模式的确认机制来确保数据传输[2]。最新的802.11ad利用开放的60 GHz频段，大幅度提升了码元传输速率。60 GHz频段的短波长使天线尺寸更小，易实现智能天线阵列，高增益接收信号。该频段的优良定向性使传输波束更窄，有利于减少接入点（AP）间干扰，实现波束空间复用，使得最大传输速率可达到6.76 Gb/s[3]。

高速发展的无线局域网是互联网和移动互联网相互交叉的网络形式，为宽带业务移动化的实现提供了有力支持。 （3）其他接入网络

除了以上两种主要的接入技术外，移动互联网还具有多种网络接入方式，以满足不同场景移动用户的无线接入需求。

针对小范围无线传输的无线个域网（WPAN）包括Bluetooth、Zigbee、NFC、UWB、IrDA、6LoWPAN等技术，实现了短距离、低功耗、低成本的无线通信。

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针对室外大范围宽带无线接入的无线城域网（WMAN）以IEEE 802.16标准为基础，其中基于802.16e 的WiMax是国际电信联盟批准的全球3G标准之一。

针对边远地区的无线区域网（WRAN）由IEEE 802.22推动，利用认知无线电技术自动检测空闲的电视频段并加以利用，对低人口密度区域提供无线宽带服务。WMAN和WRAN的出现极大推动了宽带业务移动化，使得更多区域能够高速接入移动互联网。 1.2 组网技术

互联网的组网思想主张分布式和无层次的组网结构，局部则采用以太网网络的星形拓扑结构。移动互联网组网技术源于互联网，但又衍生出一些新的组网方式，以满足节点的移动需求，适应网络拓扑动态变化，使得移动互联网能够适应各类特殊应用场景。

无线局域网延续了以太网的星形结构，移动通信网络则采用集中式控制、严格的层次结构[4]，这两种网络为集中式无线网络，均有中心节点，而移动自组织网络则是无中心节点的分布式无线网络，无线Mesh网络则是多中心的自组织网络。

移动自组织网络是无需基础设施支持、自组织、无线多跳连接、高度动态、对等式、支持移动通信的网络。该网络是由一组处于移动状态的节点组成，无需基站等基础设施集中控制，其网络结构如图1所示。移动自组织网络的各个节点具有对等性，均充当主机和路由器角色，不需要管理控制中心。

移动自组织网络面临的主要挑战是网络拓扑结构变化太快、网络节点资源严重受限，而无线Mesh网络则是由固定且有电源供应的Mesh路由器采用点到多点无线互联组成，由路由器负责组织维护Mesh连接，具有相对稳定的拓扑结构，可提供高带宽传输服务。 1.3 网络终端管理技术

在移动互联网环境下，网络终端往往需要同时管理多个网络接口以对应不同的接入网络，有多接口多连接的特性。当多接口（MIF）终端接入网络时，各接口均能获取域名服务器（DNS）、默认路由等网络参数。如果DNS解析（如私有DNS请求）没有选择相应接口的DNS服务器，这将会导致DNS解析失败。由于各种接入网络性能差异大，分组数据传输时默认接口默认路由的选取将直接影响网络性能。终端移动时，不同接入网之间的切换将会导致终端已连接至网络的会话中断，严重影响用户网络体验。RFC6418[5]和RFC6419[6]中采用集中式管理多接口，单应用设置网络连接参数，并在协议栈处理DNS解析、路由、地址选择等特殊问题。

具有多接口的设备往往具有多连接特性，可在源节点与目的节点间建立多条路径。多径传输控制协议（TCP）即为利用该网络特性来提高网络吞吐量发展而来的新技术。多径TCP需处理传输时流内干扰、流间并行干扰、流间交汇干扰等问题。基于喷泉码的FMTCP[7]通过对数