无线移动计算机系统

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八十年代飞速发展的移动电话通信系统使人们不受空间和时间限制,随时随地都可以通信,这就是个人通信系统。作为计算机技术发展的一个历史阶段,八十年代是个人机称雄的时代。九十年代初,膝上式、笔记本式、掌上式计算机相继出现,这些功能强大的便携式计算机是计算机领域里最引人注目的发展动向之一。室内无线局域网的出现,表明这两个动向有合二为一的趋势,呈现在我们面前的是一个完全崭新的技术世界——每个用户携带一个很小的个人计算机,它们全都通过崭新构造的无线局域网连成一体,人们把它称作为无线移动计算机系统。这样一个边缘技术领域的出现是计算机技术与无线通信技术相结合的产物,反过来也为计算机和无线通信技术的发展提供了新的机会和挑战。

OSI模型及通信协议

计算机网络上两个实体的进程间相互通信,需要通过交换信息来协调动作而达到同步,而信息的交换必须按照预先共同约定好的过程进行,这种约定就是协议。为了减少网络设计的复杂性,通常将网络功能划分成若干层次。1984年,国际标准化组织(ISO)提出的开放系统互连参考模型(OSI)将网络功能定为七层,网络上不同实体的相应层之间都可以通信,它们之间通信的规则和惯例就是该层的协议。

局域网是在小区域内的计算机网络,它的协议结构包括七层协议的下三层:物理层、数据链路层和网络层。无线局域网是利用无线介质来传输信息,将无线电波、红外线、激光等作为信息的载体。无线局域网的协议虽然还没有完全统一的标准,但从已有的产品如美国Motorola的AITAIR网来看,它的协议是以原有的有线局域网协议为基础,尽量与有线局域网络兼容。这是由于无线局域网络的拓扑布局和性能要求所决定的。

在OSI模型中,网络层支持网络连接的实现和向传输层提供服务。主要功能有路由选择、信息控制以及数据单元的分段/组合等。由于有线局域网的路由选择问题比较简单,并且数据传输率高和误码率低,不需要数据单元的分段/组合。因此,除了网间互连外,有线局域网不单独设网络层,而无线局域网则不然,无线信道的一个特点是误码率要比有线介质信道高。因此,要采用分段/组合协议,缩短传输的信息包的长度,以提高传输速率,降低误码率,减少重发次数。

数据链路居能建立一条传输原始数据的物理链路,并能将数据在无差错链路上传输。在发送端,该层将信息分装成数据帧,通常每帧为几百个字节,然后发送。接收端收到这些帧后,对正确收到者给予直定应答,若接收出错则要求重发。数据链路层能将一些特殊的比特位(如起止、校验位)功至原数据中,以指示每帧的起止,接收端也可识别接收帧中任何与信息有关的错误。

物理层完成通信链路上原始数据传输的寻址。涉及该层的协议是确定电平、信号传输速率以及保证通信正常进行的其它物理参量。

计算机点到点的通信可以很容易地用物理层和数据链路层相关的一些协议来实现。但是如果两台以上的通信实体公用一条信道,问题就变得相当复杂,需要更复杂的通信协议来控制信道访问出现的冲突干扰问题。在数据通信领域里,IEEE 802.X系列协议就是针对这种情况设计的。目前,最流行的协议是IEEE 802.3,即Ethernet协议。

通信技术

无线网络的通信涉及到OSI模型的控制信道访问和原始数据传输的物理层协议的实现,以保证数据可靠地无线传输。虽然可以通过调制解调方式进入现在流行的蜂窝式移动无线电话网,但蜂窝式电话网传送数字的效率低,不能处理用户希望的全负载呼叫,很容易阻塞其它所有的呼叫。现有两种主要新技术得到应用,即扩展频谱(Spread Spectrum)通信和光束(Photonic)通信。

1.扩展频谱(SS)技术:SS技术就是利用比原始信号本身频带宽得多的射频信号进行通信。在SS通信系统中,发信端采用一种特定的调制方法将原始信号的频带加以扩展,得到SS信号,接收端再对接收到的SS信号加以处理,把它恢复为原来带宽的信号。在SS通信中,有一个很重要的参数——扩频增益(Spread Ratio),用Gp表示。它表示扩展频谱信号带宽与原始信号带宽之比,该值一般远大于10。

SS技术与其它技术相比,最突出的优点是有很强的抑制干扰能力。通过接收机对信号处理,可把信道中各种干扰信号的强度减少至原来的1/Gp左右。因此,这种技术对于多径现象造成的干扰有较好的抑制作用。

2.光束通信技术:使用光束完成信息的发送和接收的系统称之为光束通信系统。用红外线作为传输介质的网络已在十几年前就问世了。红外线作为传输介质有以下几个主要优点:红外线波段有足够宽的带宽;红外线设备体积小、功耗低;现有电视、广播等其它无线电通信的电磁波不会干扰红外线光波。

当然,红外线也有缺点。主要缺点是易受位于发射器和接收器之间的物体和人体的阻挡。但是,随着光束通信技术的发展,现已能生产无向光束通信系统,完全能克服这些缺点。

SS系统和光束系统设备中所用的技术不同,也使它的适用范围不同。SS技术是一种无线电通信技术,它具有超越建筑物阻碍的能力。即使计算机在不同的房间,只要相距不是太远都可保证计算机间的通信。光束通信设备需要无阻挡的视线,它们在视野开阔、可以访问公用反射表面的场所工作效果最佳。

无线移动计算机系统的发展前景

随着计算机的尺寸越来越小,膝上机、笔记本式、掌上机、甚至笔型机相继推出且普及,与这些极小的计算机相配的无线接口产品也涌现出来了。但是随之而来的问题是如何考虑这种计算机的操作系统。原来计算机的操作系统和用户介面都是以放置在桌上的较大设备为依据的。当今这一代便携式计算机的构思也主要是模仿桌上计算机,只是各部分越做越小。但作为无线联网的便携式计算机的设计思想应有较大的或根本性的改动。

一个显而易见的问题是无线联网的便携机可以不必再装备大容量的磁盘存储器,因为用户可以通过无线接口从网上把所需运行的软件环境调来,而用户的工作文件也可以立即通过无线接口传送到网上,利用网上的硬件资源存储起来。随着磁盘存储器在移动式灵便型计算机上的消失,原来的磁盘操作系统(DOS)也应做相应的变化。

九十年代,数字蜂窝移动系统将为第二代移动通信产品取代八十年代模拟蜂窝移动通信系统。数字蜂窝移动系统有更高的频谱利用率,不仅能提供语音服务,还能适应数据、传真、图像等需求,它还具有与固定数字网的兼容性和自身的安全性。但是,蜂窝状地面移动网又存在着缺陷,主要表现为它的基站区范围要受到基站天线高度的限制,为弥补这个缺陷,移动卫星通信的研究和开发倍受青睐。

Motorola公司提出的全球卫星数字通信“铱”网(Iridium Net),由77颗近地点低轨道卫星组成,类似铱元素的77个电子围绕原子核转动。这种通信系统能保证在地球任何地域和任何时间,至少有一颗卫星能保持通信,并经过卫星之间转发至另一地域,形成理想的电话、多媒体、电子邮政、电子数据交换乃至计算机网络的理想线路。

由于数字移动通信和移动卫星通信的发展,为无线移动计算机系统的发展产生了深远的影响,给无线移动计算机系统的实用化和商品化开辟了新的天地。(郑明)