智能环境——全新概念的无线通信网络

2019-11-03 09:36:41

字体：大中小

来源：转载

供稿：网友

李翠然李承恕　　智能环境是最近刚提出的一种全新概念的无线通信网络它是由许多用于个人的小便携信息设备和功能强大的传感器连成的一个复杂的、具有自组织性的、能够协同工作的通信结构。目前存在两种技术研究倾向（即以技术为中心和以人为中心的研究），而且专家认为，它优越于蓝牙等无线通信技术。

一、现存的几种无线通信网络

　　现存的几种相关的无线网络模型为移动自组织网络（MANET）、蜂窝网络以及包括蓝牙在内的许多短距离的无线局域网。

1.移动自组织网络（MANET）

　　MANET是对等网络，它通常包含成千上万个可以完全移动的通信节点，每个节点可视为一个个人信息器具（如配备有无线收发机的个人数字助理），能覆盖到几百米的范围。MANET的目的是形成并维持一个有联系关系的多跳网络，这种网络能在节点间传输多媒体业务。

　　为了能在移动的情况下保证某种服务质量，MANET网络必须采取如下措施：

　　（1）节点组织采用的方式应使它们都能够有效地访问共享通信媒体。在某些情况下，将这种方式称之为“形成了一个基础设施”，同样地，这里的基础设施能为节点提供一种信道接入策略。

　　（2）网络中能执行路由寻址算法。

　　（3）在移动情况下仍能保持这种网络结构，并且还能进行路由寻址。

　　在MANET网络中，为了使服务质量为最优，需要做好网络的组织结构、路由寻址算法和移动性管理（ORM）这三方面的工作。也就是说，当节点在高速移动情形下，网络仍能提供好的吞吐／时延特性。

2.蜂窝网络

　　蜂窝网络是由静止节点和移动节点组成的较大网络。位于通信子网中的静止节点（基站）和构成固定基础设施结构的有线中枢网络相连。移动节点的数量大大超过静止节点，每个基站中有成百上千个移动节点，这些移动节点通常分布得很分散。每个基站都覆盖一个很大的区域，且区域之间很少重叠。只有当移动节点移动并发生越区切换时，才会出现区域间的重叠覆盖情况（每个移动节点可能一下就会跳到远离基站的位置去）。这种蜂窝网络的主要目标就是提供高的服务质量和高的带宽效率。

3.蓝牙

　　蓝牙是短距离的无线网络系统，其目的是替代电器之间的电缆线，来提供电器间的射频连接。蓝牙的拓扑为星型网络结构，1个主节点最多可以与7个附属节点相连，从而构成了微微网络。每个微微网络都采用集中指定的时分多址表和跳频模式。所有节点都和主节点保持时序同步。用相应的机制来保证微微网络间的互联，从而形成一个多跳的网络拓扑结构。网络的信息速率大约为1Mbit／s；网络中典型的传输功率是1mW，可望覆盖10m的范围。

4.其他局域网络

　　还有一种正在发展的短距离商用系统是家用射频。此系统的目的和蓝牙非常相似，但该网络模型基于IEEE 802.11标准，能处理单跳自组织网络，无线电波采用跳频模式，信道接入可基于时分多址（TDMA）和载波侦听多址接入（CSMA）模式。信息速率最高可达大约2Mbit／s；传输功率是100mW，典型的覆盖范围是一间房子或一个院子。

　　这些传统的无线网络的主要目标都是在移动环境下提供高的服务质量（即高吞吐量／低时延）和高的带宽效率。对于有固定基础设施结构的网络来说，联系很少发生中断，并且中断事件和能量使用无关。而在移动性网络中，拓扑结构的改变通常是由节点的移动性引起，而不是由为了执行各种网络协议造成的能量耗尽引起的。因此，为了提高系统性能，在协议设计中，移动性管理和故障恢复比能量保持更为重要。

二、智能环境的基本概念

　　随着分化很小的、低功率的计算设备和无线通信技术的发展，出现了许多用于个人的小便携信息设备和功能强大的传感器。这些传感器在环境中能连成网。当我们试图将这些设备连成一个复杂的、具有自组织性的、并能够协同工作的通信结构时，就出现了两种技术研究倾向（即以技术为中心和以人为中心的研究）。

　　近几年的研究内容就是建立一个新的计算范例，它本质上类似于一个普遍存在的计算网。许多术语（诸如普遍深入的、无形的、稳定的、任何时间、任何地点、灵活的、扩展了的现实以及信息设备等）可能会让读者产生不同的理解，但是它们的共同目标就是在人和环境之间建立一种共生关系（而现在已经普遍存在的计算范例是人和计算机之间的联系）。这种新的计算范例可从以人为中心来研究人和智能环境间的通信内容，或从以技术为中心来研究构成智能环境需要哪些新的技术（尤其是网络设施方面），以及随着新范例的发展，软件设施和系统结构需要有哪些新变动。

1.以人为中心的研究

（1）设计目标

　　此时不论人是否移动、智能环境是否动态地在改变，在人机接口（HCI）中，智能环境的输入／输出功能都必须满足人（作为信息需求者）的需求。这种环境中，可能发生的变化有人的数量、信息提供者的数量、人的位置以及智能环境中设备的位置等几种。这些变化可以理解为人和环境间的联系（如人在办公室、人在家里、人在车里和人在机场是不同的）。

　　以人为中心的研究目的就是使人-机之间以及人-人之间的信息交流更为便利、快捷。为此，在智能环境中研究HCI需达到如下设计目标：

① 保密性：必须为用户提供保密要求（如只对信息拥有者提供个人生物鉴定资料）。② 有效性：让用户有更多时间做他想要做的。③ 动态用户界面：当某个用户想要呼叫另一用户时，系统应能自动察觉。通过理解HCI当前的通信内容，预测用户的意图，使用户最小限度地参与智能环境。（2）应考虑的问题

　　为达到上述设计目标，需考虑如下问题：

　　① 中断问题：中断何时发生、采用何种方式触发？当产生中断后，智能环境如何将被中断任务的状态告知用户，以备以后任务恢复之用。

　　② 控制问题：用户和智能环境何时才应该发生相互联系？控制区域的最佳范围是多少？控制域的灵活变动程度如何？人和环境共同认可的控制域是多少，如何实现？

　　③ 人的行为问题：人们想要用某种技术来执行某些任务，而不是用这种技术本身，所以行为问题不是技术问题。普遍可接受的观点是，智能环境必须用一种谨慎的方式来使人们能执行当前普遍存在的活动，同时能提供某些增值服务。另外智能环境还必须能让人们做一些当前所设想不到的活动，即智能环境必须和人类的活动同时演进发展。第三个问题也就是当我们在日常生活中接纳了智能环境这个概念之后，哪些活动将成为主流的发展趋势，这是研究者很难预测的问题。

　　在智能环境中是否存在有关键结构，该结构由一组相关联的设施组成并且能为活动提供连贯性的、关键性的连接。其目的是使活动的完成不依赖于单个设施。

　　④ 评估问题：评价一个智能环境好与坏的准则是什么呢？前已提到，在智能环境中，我们需要关心的是以人为中心的活动，并不是技术本身。为了满足技术和人类活动的共同演进，必须使智能环境的重大演进和实用目的相联系。为此，提出要发展“真实实验室”旨在发展新技术和新的环境来满足真正的人类活动。

　　当然研究智能环境需要各种学科的共同努力，不仅局限于硬件和软件设计。智能环境为社会学家和生物学家呈现了一个有趣的研究平台：即一部分研究工作就是在智能环境中测试当前理论；另一部分研究工作就是拓展、修正或是替换当前理论。社会学家和生物学家要研究可用性测试，还要研究核心理论结构，当然，这也需要其他学科的参与。

2.以技术为中心的研究

　　智能环境需要新的硬件技术来使由计算设备构成的自组织网之间互联成网，需要高效的中继设备技术来支持异类、分布式系统间的互操作。

（1）智能环境的构成

　　智能环境由智能空间、智能节点和网络三部分构成。

① 智能空间

　　智能环境包括一组物理空间，智能节点就分布在此空间并在此空间传输。这些空间或是指一间房内的物理空间，或是仅由可通过无线媒质互相连通的一组节点构成。

② 智能节点

　　智能节点不同于传统的端节点和网络节点。它具有潜在的计算功能、能进行无线通信、具有自我激励机制并且能完成特定的功能等共同属性。

a.智能节点的共同属性

　　·由定义可知，智能节点要在局部空间具有智能，因此它必须具备计算和存储能力。这样才能保证它的自主操作，并且和其他智能节点进行协议的联系。而这种处理能力能进一步保证完成某个特定的功能。

　　·智能节点需要无线通信链路，此链路通常和节点中的处理芯片相结合并保证此节点和其他智能节点之间进行无线互联。

　　·智能节点必须具有自我充电的能力，最好是使用一种不需要经常更换电池的技术。当智能节点到处存在时，电池的更换就变得很频繁。这就需要研究更好的电池技术，而周围的功率源更值得研究。

　　·智能节点必须能完成特定的功能。这是因为，在智能环境中，传统的计算和网络平台将被分解成具有特定功能的一些设备（如当前的ＰＣ将由一系列智能节点所替代）。

　　·这些智能节点可构成灵活的无线网，用来和其他固定或移动设备以及Internet相连。

b.智能节点的类型

　　·个人节点：它对用户来说是主要的计算节点，同时要注意，当所有的智能节点都具有某种潜在的计算能力时，个人节点主要起计算平台的作用，也有可能负责和外部网络进行通信。

　　·可卸载的输入／输出节点：如眼镜、扩音器以及耳机中的加盖显示屏。

　　·可随身携带的节点：如手掌键盘和手持文本输入设备。

　　·个人传感器：如定位装置（GPS和ipS）、环境参数（温度、气压）和生物传感器（血压等）。

　　·智能房间和智能车辆中的输入／输出设备：如超屏显示器、无线键盘、打印机和摄影机。

　　·智能房间和智能车辆中的存储设备：可以是暂时性存储，也可是永久性的作为档案存储。

　　·为网络层和应用层提供服务的服务器：如可提供内容缓存服务。

　　·网关：包括以人为中心的智能网络接入点、永久性的网关以及Internet接入点。

　　有些智能节点不止起到一种作用（如个人节点、以人为中心的智能网络接入点等），这些作用比当前通用的PC和个人数字助理PDA的作用更为具体。智能节点除了上述作用外，还应包括一些不可达到的节点或是被丢弃节点具有的功能（如和其他节点或是Internet相连接时，不能仅依赖具有接入功能的个人节点的唯一的连接）。

③ 网络

　　网络能将智能节点连接起来，能让节点间相互通信，从而为用户提供方便的服务。

a.网络环境具有的特征

　　·范围大小：每个人可能包括数十种节点。这就意味着，当在一个可容纳1000人的礼堂里，智能空间中可能就存在着成千上万个节点。当然，我们可采用分层结构来处理自身网络范围内的节点。但是，研究其他网络内部的节点分布也是关键问题。

　　·无线信道带来的问题：因为无线信道易被偷听、易受到各种干扰因此，网络应能提供安全性保证和信息的确认。另外当前的射频无线信道提供的带宽有限，这对某些需要很大带宽（如个人节点和超平显示器之间的无线链路）的链路来说是不可以接受的，但如将网络空间中许多节点的传输带宽合并就可以大大超过射频带宽，这样在传输时就不需要进行功率控制。无线信道会遭受衰落，所以也要考虑如何保证服务质量（QoS）。

　　·移动性问题：智能节点可能会移动，移动性会给网络拓扑结构增加动态特性，所以需要研究动态连接、动态路由算法和安全性问题。

b.网络协议和算法

　　除了智能环境的三种构成元素外，为了支持智能环境，还需要许多网络协议和算法。这些协议和算法包括：

　　·相邻节点的可察觉性：智能节点发出信号建立一组能直接通达的节点。

　　·链路信息的互换性：节点之间能互换信息（如ID、链路类型、链路承载能力），从而可确定需要建立哪些链路、需要保持哪些链路。

　　·自组织和自我互联性：节点应能够根据分级互联原则进行自我组网，这种互联拓扑结构必须适应移动节点的动态特性。我们也可通过节点的这种互联性构成的网进行路由算法和QoS评估。

　　·信源节点的可察觉性：为了执行某项功能，通信节点可能需要许多信源节点的参与（如需要内容服务器、缓存器和多媒体转换器）。查找信源节点的算法就是能找到一组可用的信源节点并根据应用功能、网络的质量指标优化等的考虑，从中选出最好的一个。

　　·对Internet的依赖性：Internet提供了很多有用的资源和服务，同时也为许多分散开来的自组织网提供了可互相连通的链路（见图1）。由于距离问题或安全问题，和Internet相连的链路可能会中断或者不可达到，所以智能节点必须能够自主操作。这就存在一个智能节点的自主性和对Internet的依赖性之间的均衡问题。

　　·以用户为中心的通信和会话协议：通信应基于用户，而不是基于物理节点或位置。因此，我们需要的协议、信息源位置和代理必须使用户和应用程序之间能通过名称来相互通信。一个会话就是由一系列应用程序组成，其中可能包含有许多网络流和自组织网之间的互联。会话协议必须能够处理动态变化，即多个节点、多个信息流构成的会话可动态加入、离开，会话的合并和分解。

（2）智能环境的软件设施支持

　　在智能空间和智能物体普遍存在的世界里，软件无处不在。曾有这样的术语，你今天写的软件到了明天就会成为历史；在Internet时代里，这句术语就变成这样：你脑中正在构思的软件已经成为了历史。

　　智能部件可能具有很长的使用年限，因此不能轻易替换或更新，或是某些不能看见的、很难更换的设备。换句话说，智能设备和智能空间即使在未组网之间就固有存在了。所以我们需要研究的是如何为新老设备提供转换和代理服务。因为，不管某种新设备的功能如何吸引人，也没有人愿意更新和升级家里所有的设备。

　　因此构造智能环境需要下列软硬件技术的支持：

①软件技术的支持

　　·信源节点的可察觉性：必须能知道临近地区信源节点的类型、位置和特性。

　　·相互操作性：不论专用设备还是通用设备，不论处理功率的大小、存储容量的多少和网络带宽的多少，他们必须具有互操作性。

　　·定位：能以一定的分辨率确定几米到一二百米范围内的用户或是设备的位置。

　　·移动性察觉：智能环境应能够接纳固定状态的小设备和用户也允许服务的转交和重新协商。

　　·事件管理：我们可以即时定义一种事件来区分设备和环境中事件的集合和分解。

②支持硬件设备

　　·命名：能有效区分本地智能环境和周围环境中的信源节点、设备（如让指定的两部电话通信）。

　　·安全和隐私：在公开和半公开的地方保持通信的隐秘性、安全性。

　　·设备的可检测性：必须知道邻近地区有哪些设备以及这些设备的用途。如智能环境应该知道是否用户手中有某种设备并能对设备进行相应的调节。另外用户有可能中途更换设备，所以智能环境必须能够接纳异类设备。

　　·适应性：当设备的数量、用户数以及服务请求发生变化时，智能环境至少应能让设备进行动态配置并能提供相应的服务（如智能环境提供给数十人和数百人的视频服务种类是不同的）。

　　·QoS保证：QoS的管理包括资源预约、接入控制和协商。

　　·独立执行特性：当操作平台、语言、操作系统和网络结构发生变化时，也能够提供可靠的服务。　　·互操作性：在中继环境中具有互操作性，所有的中继环境所能提供的服务可能不同，他们之间必须能互操作，否则智能节点就会被分割开来。

　　·范围：智能环境可以很大，智能节点的分布可以很密集，可以让成千上万个设备分布在1m之内。分布范围可以是一幢建筑物大小、大学校园、城市、县、省、全国以至全球。

　　·易理解性：智能环境中的中继器必须能提供所有服务，所以复杂是不可避免的。大多数应用者不会直接和中继层发生联系，他们只是和简单的高级标注语言或是库函数进行高层的抽象联系。少数应用者可能需要和中继层进行低层联系。这就意味着存在有特殊的中继层，它能够抽象服务，同时当不需高层联系时也能将之旁路掉。

　　·安全性：能提供隐秘性和认证。安全服务可以是依赖设备的、依赖用户的，也可以是依赖智能空间的。

　　·容错性：当硬件、网络连接或系统服务出现故障时，能恢复正常。

三、智能环境的发展趋势

　　智能环境究竟是研究实验平台还是分离地研究各种技术呢？在研究HCI时，就提出要在智能环境中发展living laboratories。然而，对所有跟智能环境相关的学科来说，研究这种实验平台是否值得。

1.研究实验平台的好处

（1）在设备和人之间提供了较好的测试层；

（2）更有效的评估；

（3）有些情形下，不需要考虑真实世界的复杂性，它有可能建立一个封闭的世界。

2.研究实验平台的缺点

　　（1）测试平台需要很多来自研究中的信息资源；

　　（2）测试平台需要在各学科之间进行语言转换；

　　（3）智能环境的发展还不很成熟，不能发展有用的测试平台。而没有了测试平台，就无法将独立的研究项目连贯起来。有些人认为，这种连贯性并不是必须的。还有许多方法来研究智能环境的发展，有用的研究可以基于不同的系统，这些系统没有必要联系起来。而另一些人却认为，系统之间不仅要联系，而且还要协同工作。例如，有人将这种协同工作必须成拱形原则。还有人认为，每个系统至少要和其他ｎ个系统协同工作。有些人认为，强调这种协同性没有意义，我们首先应该强调的是，系统之间应交换哪些信息，而不是协同工作的标准是什么。还有一种方案就是增加各自独立研究领域的结合力度，以此建立一个通用的问题领域。

3.智能环境应研究的问题

　　归纳起来，智能环境即将研究以下问题：

　　（1）应用方面：自组织的电话会议，用于获取交易；技术支持会议和技术教育，用来改进生产力；用户接口，用来理解高层的用户意图，而不是某个具体指令；用户接口，此接口为空中接口，适用于当前可接入的任何设备；用户接口，平衡用户的诸多需求，减轻中断影响；用户接口，可允许用户出错和错误理解用户的意图。

　　（2）传感器：和成千上万设备共同陈列的高度自适应传感器；允许人们使用远程传感器做为人身体的延伸。

　　（3）通信设备和网络：接入协议使完全自组织的各种无线系统均能以很好的性能共享频谱。并且保持在阻塞期间性能的下降可以接受；各种自组织的网络，设备数量比今天的数量多1000倍。

　　（4）自适应系统：加电后设备能自我组织；系统允许其他设备能轻易加入，并可立即使用；系统能充分利用地理环境。

摘自《邮电设计技术》

上一篇：移动互联网定位技术浅析

下一篇：蓝牙技术及其硬件设计